基于AMESim的火工作动装置仿真方法研究

雷 豹，梁祖典，王宇锐，王晓鹏，程 蕾

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

火工装置大量用于航天领域，其性能往往是决定航天器飞行成败的关键因素。火工装置按功能可分为解锁装置、作动装置、切割装置等。火工作动装置是一种驱动作用的活塞式装置，用来操作开关、阀、保险/解除保险装置和各种分离机构。主要由活塞杆和活塞筒组成，其原理是火药点火后产生高压高温气体推动活塞，从而为终端机构提供推力、位移、速度、冲量等。其产生的作用是：

1)推动一定质量的物体，并将物体加速到规定速度；

2)产生推动力，驱动相连机构克服负载完成直线或旋转运动[1]。

火工作动装置是实现机械动作的一种高效装置，在与适当的机构组合后可实现各种作动功能要求[2]。火工作动装置可作为各种运动机构的动力源，如折叠翼/舵、堵盖机构、弹射装置等。

火工作动装置的整个工作过程是相当复杂的，它包含了多种运动形式，各种运动形式都不是孤立的，而是相互依存又相互制约的。传统的火工装置研制一直沿用“设计-试验-修改”的程序，而这种研制模式缺乏理论指导，火工装置性能及可靠性特性只能通过大量试验获得，通过试错法实现产品反复优化[3]，导致研制周期长、成本高。

杜永刚等[4]、高滨[5]建立了火工作动装置各容腔工作过程的数学模型，并进行了数值计算。吴建刚等[6]、水龙等[3]进一步开展了带阻尼腔的火工作动装置数值仿真方法研究。但由于高温爆燃气体的动力过程的复杂性，以及目前人们对动力腔内的各种现象认识的局限性，在这种情况下所建立起来的动力方程组所反映出来的压力曲线就只能具有近似性，只能定性地分析压力变化规律。

本文基于AMESim建立了“火药燃烧产气-排气-对外做功”的仿真模型，对火工装置系统作用机理和运动过程进行全面的分析，并获得装药量、限流孔径及初始容积等因素对作动筒输出推力的影响规律。同时设计了一系列试验，获得火工作动装置的输出性能，验证并修正仿真模型，使仿真模型更为精确，可有效指导火工作动装置快速设计迭代。

1 研究背景

某飞行器堵盖机构打开过程中既有较大的气动阻碍力，又有一定的气动促进力，针对拉伸弹簧机械式驱动方案无法克服大气动负载的技术难题，堵盖打开机构采用火工作动筒驱动连杆机构实现，机构原理如图1所示。堵盖打开机构由火工作动筒、连杆机构和堵盖盖板组成。火工作动筒包含高压腔、低压腔，两腔之间通过限流孔连通，高压腔内装有药盒。

图1 堵盖打开机构示意图Fig.1 Model of open mechanism of inlet port cover

火工作动筒工作原理为：接收到工作信号后，点火器发火，引爆高压腔内药盒，产生高温高压燃气，经过限流孔后进入低压腔，燃气推动活塞杆剪断剪切销后做直线运动，对外做功。堵盖打开机构工作原理为：火工作动筒工作后，活塞杆驱动连杆机构运动，连杆机构驱动堵盖盖板打开，堵盖盖板上可作用外部负载。

2 火工作动装置仿真分析方法

2.1 仿真环境

LMS Imagine Lab AMESim为多学科仿真分析软件，采用基于物理模型的图形化建模方式。本文采用AMESim建立“火药燃烧产气—排气—对外做功”的仿真模型，同时包含火药燃烧产气过程、气体膨胀作功过程和活塞杆机构运动过程，实现火工作动装置全物理过程的仿真。AMESim主要解决气动物理模型的仿真求解，若火工作动装置驱动复杂的负载运动，则负载机构可在专业的机械动力学仿真软件中建立，通过AMESim与LMS Virtual Lab Motion或Adams联合仿真求解。

2.2 假设条件

对于气体膨胀过程有以下假设：

1)过程是绝热的、定常的；

2)流场是一维的；

3)产物是均匀的，并遵循理想气体状态方程[7]；

4)忽略产物内部摩擦等不可逆过程，膨胀是等熵的[8]。

2.3 多参数优化

火工作动筒参数优化原则：

1)做功能量裕度一般不小于1.5；

2)推力曲线尽量均匀平缓；

3)打开时间在满足设计要求的前提下尽量长；

4)在结构强度满足要求的前提下，装药量越高越好，以减小点火器单双点的影响；

5)到位推力越大越好，可使作动筒到位后压紧堵盖；

6)为满足点火器密封性能要求，高压腔初始压力不应过高。

火工作动筒的关键输出指标包括峰值推力、作动时间、到位推力、输出冲量等，影响这些指标的因素包括装药量、高压腔初始压力、初始容积、低压腔初始容积、限流孔径、活塞筒内径、剪切销剪断力、负载质量及负载力等，如图2(a)所示。这种多输入多输出的复杂系统给优化带来困难，如何通过这些参数的合理匹配，使作动筒输出推力均匀平缓，且能满足运动要求就成为火工作动装置研制的关键。

本仿真方法基于AMESim多参数分析模块，可快速高效地进行参数优化以获得理想的输出特性，同时可获得各输出特性对影响因素的敏感度，从而有效指导参数优化。图2(b)为两个参数(装药量、低压腔初始容积)9种不同组合获得的推力曲线对比，可分析得出装药量和低压腔初始容积对推力曲线的影响规律。

(a)输入和输出

(b)仿真结果图2 火工作动筒多参数优化仿真结果Fig.2 Simulation result of multi-parameter optimization of pyrotechnic actuated devices

2.4 火药燃烧产气模型

火药燃烧产气模型如图3所示。本文创新性地采用流量输入模拟火药燃烧速率，通过试验获得的定容爆压数据可逆向推导出流量参数，见式(1)～(4)，将黑火药燃烧产物近似为理想气体。将计算获得的流量随时间变化曲线输入模型中，通过调节比例系数，可使仿真输出的容腔压力曲线与试验曲线相吻合。

图3 火药燃烧产气模型Fig.3 Model of burning gunpowder producing gas

PV=nRT

(1)

PMV=mRT

(2)

(3)

(4)

式中，M为理想气体摩尔质量，m为火药燃烧气体产物的质量。

2.5 火工作动筒平推质量块模型

火工作动筒平推质量块模型如图4所示。建立“火药燃烧产气—高压腔—限流孔—低压腔—活塞缸—剪切销—质量块”自内向外的仿真模型，在各物理模型中输入火工作动筒的实际结构参数，合理输入相关控制参数，一些经验参数如限流孔的流量系数，需根据试验结果调节修正。

图4 作动筒平推质量块模型Fig.4 Model of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

假设不考虑黑火药燃速受温度和压力的影响，即流量输入为固定曲线。通过仿真，可获得流量输入下的高压腔、低压腔压力曲线及活塞缸的推力曲线，以及质量块的运动特性曲线。同时，通过改变限流孔径、高压腔初始容积、低压腔初始容积、流量输入、剪切力、质量块质量等，可进行多参数组合仿真优化设计，获得理想的作动筒输出推力特性。

2.6 火工作动筒驱动堵盖机构模型

火工作动筒驱动堵盖机构模型如图5所示。在AMESim的平面连杆模块中创建堵盖机构杆系机构模型，根据实际结构参数设置连杆的坐标位置及质量和惯量参数。对于复杂的机构，可在动力学仿真软件中建立其模型，如AMESim与LMS Virtual Lab Motion联合仿真，仿真界面如图6所示。通过仿真可获得负载机构的运动特性，通过调节作动筒参数可使其输出推力特性满足负载机构运动功能要求。

图5 基于AMESim的火工作动装置驱动堵盖机构模型Fig.5 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim

图6 基于AMESim和Motion的火工作动装置驱动堵盖机构模型Fig.6 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim and Motion

3 试验验证

为研究火工作动装置的输出特性，设计3个层级的试验：装药组件定容爆压试验、火工作动筒平推质量块试验及火工作动筒驱动堵盖机构打开试验，分别与前述3个仿真模型对应。

3.1 装药组件定容爆压试验

用不同数量点火器，在高温、低温、常温下分别进行试验，将装药组件分别进行高温双点、常温双点及低温单点试验，以获得装药组件的输出爆压的稳定性，如图7和图8所示。获得足够的试验子样数据后，筛选出爆压下限曲线，逆向推导出其流量曲线，从而作为AMESim的仿真输入。

图7 装药组件定容爆压试验照片Fig.7 Experiment photo of gunpowder blast pressure in fixed container

图8 装药组件定容爆压曲线Fig.8 Pressure curve of gunpowder blast in fixed container

3.2 作动筒平推质量块试验

图9为火工作动筒平推质量块试验照片。试验前，将作动筒安装在支架上，支架位于导轨内可沿轴向滑动。推力传感器选用BLR-1M/1t，量程为10 000 N，采样频率≥25 kHz。冲击传感器量程50 000 g，采样频率≥25 kHz。试验过程通过高速摄像机进行记录。对点火器发火，可听到明显的碰撞声，活塞杆推动负载质量块运动到位。

(a)试验前

(b)试验后图9 作动筒平推质量块试验照片Fig.9 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

通过火工作动筒平推质量块试验，测量获得高压腔和低压腔的压力曲线，并与仿真结果对比，如图10所示。低压腔初始段试验曲线偏低的原因为压力传感器的输出小孔在初始时未完全露出，需运动一定行程才能完全露出。同时也直接测量了作动筒推力曲线，与仿真结果对比如图11所示。可见仿真与试验曲线规律一致，符合性很好，验证了仿真方法的正确性。

图10 作动筒平推质量块压力曲线试验与仿真对比(A腔为高压腔，B腔为低压腔)Fig.10 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

图11 作动筒平推质量块推力曲线试验与仿真对比Fig.11 Comparison between experiment and simulation results of thrust curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

3.3 作动筒驱动堵盖机构打开试验

通过火工作动筒驱动堵盖机构打开试验，如图12所示。测量获得高压腔和低压腔的压力曲线，并与仿真结果对比，如图13所示。可见仿真与试验曲线规律一致，验证了仿真方法的正确性。

图12 作动筒驱动堵盖机构打开试验照片Fig.12 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

图13 作动筒驱动堵盖机构打开试验与仿真曲线对比Fig.13 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

火工作动筒关键输出特性指标对比如表1所示，表2为仿真结果与试验结果的相对误差，最小误差仅为-0.9%。分析表明，基于AMESim模型的仿真结果与试验结果接近，验证了理论分析及仿真模型的正确性。

表1 火工作动筒仿真与试验结果对比

表2 火工作动筒仿真与试验结果相对误差

4 结论

本文将多学科联合仿真分析引入到火工作动装置研制过程中，可帮助设计人员深入理解作动筒的燃烧产气、排气及对外做功的机理及运动规律，更好地改进设计，有效指导试验，改变了以往火工作动装置以大量试验为主的研制方式，可实现火工作动装置的精细化参数优化设计，拓宽了火工作动装置的研制方法。