整流罩横向分离同时性技术研究

郝家杰1，赵继广2，白国玉1

(1. 装备学院 航天装备系, 北京 101416；2. 装备学院 装备发展战略研究所, 北京 101416)

摘要结合航天发射场实际，介绍了整流罩横向分离的关键技术。阐述了爆炸螺栓的工作原理，以及电起爆器的工作过程。建立了整流罩横向分离系统工作的数理模型并进行了仿真，获得了详细的数据，得出了多路电起爆器工作的时间差；对整流罩横向分离的同时性进行了分析，给出了相关结论。结果表明：整流罩横向分离的时间差在毫秒级，并且通过适当增大电压或调整电缆连接长度与方式，可以进一步减小分离时间差，提高分离同时性水平。

关键词整流罩；爆炸螺栓；电起爆器；同时性；时间差

收稿日期2015-04-13 2015-06-30

作者简介郝家杰(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为航天总体任务设计与规划。410529297@qq.com

中图分类号V42

文章编号2095-3828(2015)06-0078-04

文献标志码A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.018

AbstractCombining with working practice of space launch site, this paper introduces the key technology of fairing’s transverse separation, describes the operating principle of explosive bolt and the working process of electric initiator. This paper establishes the numerical model of fairing’s transverse separation system and gets detailed simulation data, obtains operating time difference of multiple electric initiator ,also analyzes the simultaneity of fairing’s transverse separation. The results show that the time difference of fairing’s transverse is in milliseconds,it can be reduced by increasing the voltage appropriately and changing wire length and its connection.

Keywordsfairing; explosive bolt; electric initiator; simultaneity; time difference

基金项目部委级资助项目

Simultaneity Technology of the Fairing’s Transverse Separation

HAO Jiajie1，ZHAO Jiguang2，BAI Guoyu1

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；

2. Equipment Department Strategy Research Institute, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

可靠性[1]与安全性在航天发射任务中举足轻重，而整流罩的正常分离又是将有效载荷成功送入预定轨道的关键一步。一些学者[2-3]对单个爆炸螺栓的起爆时间进行了研究。本文在这些研究的基础上，结合航天发射场实际，依据运载火箭整流罩的设计，基于爆炸螺栓的结构特点和整流罩横向分离多路电传爆系统的电缆连接方式，对整流罩横向分离时多个爆炸螺栓同时工作的时间差进行研究，并利用相关软件分析计算了具体的算例，得出了某型号运载火箭整流罩横向分离同时性方面的特性，为航天发射任务提出了建议。

1电火工品工作原理和横向分离延时分析

电火工品[4]在运载火箭上应用广泛而且起着十分关键的作用，是完成大部分关键动作的最后一步。其中运载火箭整流罩通过电火工品进行分离，涉及导爆索分离装置、电起爆器、爆炸螺栓等。

1.1　电起爆器工作过程

忽略仅对系统造成细微影响的因素，电起爆器点火起爆过程的基本时间大致可分为桥丝升温过程和药剂吸热分解及燃烧过程。当通电后，桥丝按照焦耳-楞次定律产生热能，桥丝升温，热量传递给药剂使其发生化学反应,药剂化学反应释放热量，加速反应直至自动发火。

在通电的最初阶段，药剂按照阿伦尼乌斯定律发生化学反应，反应速度很小，放出热量也很少，故在这一阶段忽略药剂化学反应释放的热量，桥丝温度主要由电流做功决定，并且假设：桥丝只存在径向散热；桥丝与药剂接触面为理想接触面。查阅相关资料[5]，电起爆器起爆过程中药剂吸热分解及燃烧时间比桥丝升温小得多，起爆时间可近似认为是桥丝的升温过程。

1.2　爆炸螺栓工作原理

削弱槽式爆炸螺栓工作原理为[6]：当输入端的电起爆器工作后，引爆螺栓的内装药，内装药爆炸产生高压气体和冲击波作用在螺杆上，使削弱槽处的应力超过材料强度极限，螺栓杆从环状凹形削弱槽处断裂，从而实现解锁分离。其典型结构如图1所示。

说明：1—电起爆器；2—螺栓体；3—主装药；4—密封圈； 5—螺母；6—连接件；7—削弱槽；8—活塞顶杆。 图1　无污染削弱槽式爆炸螺栓典型结构图

文中研究的某型号运载火箭整流罩，设计时在横向端面上通过多个爆炸螺栓与箭体进行连接。为了便于下文研究方便，文中认为爆炸螺栓在横向端面上等间隔排列，且假设共有8个爆炸螺栓，整流罩横向分离多路电传爆系统的连接方式按照逆时针方向采用并联方式，具体如图2所示。图2中A~H分别代表整流罩横向端面的8个爆炸螺栓。

说明：1—铰链；2—爆炸螺栓盒。 图2　整流罩横向爆炸螺栓联结状态图

图3给出了爆炸螺栓单个联结剖面图。

说明：1—整流罩；2—分离面；3—爆炸螺栓。 图3　整流罩横向端面爆炸螺栓单个联结剖面图

1.3　横向分离延时分析

整流罩分离包括纵向分离和横向分离。纵向分离通过2根导爆索分离装置，导爆索稳定爆速可达6 km/s，同时性较好。而横向分离通过多个爆炸螺栓分离装置，横向分离的传爆序列如图4所示。

图4　横向分离火工品传爆序列

由图4可知，其中包含多个延时环节，都可能对最终分离的同时性产生影响，故本文重点分析横向分离的同时性。电起爆器起爆后，引爆爆炸螺栓释放出爆轰波的时间一般都是微秒级，而电起爆器起爆时间一般为毫秒级，故前者可忽略不计，即可忽略图4中的延时2；爆炸螺栓的起爆时间则认为是电起爆器的起爆时间，同时电信号在电缆中以光速传播，延时趋近于0，即可忽略图中的延时1，故真正影响整流罩横向分离同时性的因素为延时3。

2电起爆器工作数理模型分析

通过前文分析可知，提高整流罩分离同时性的关键在于多个电起爆器能同时起爆，即延时3越小越较好。虽然与爆炸螺栓相连的电起爆器型号相同，但由于制造工艺、贮存环境、运输条件等因素会使电起爆器桥丝阻值有细小的差异。同时，连接远端(图2中H点)和近端(图2中A点)电起爆器的电缆长度不一样，必然导致电缆阻值也不一样。在并联回路中，虽各条支路的电压相同，但各支路的总阻值不一样，导致各支路电流不一样，这就使得电起爆器起爆存在一定的时间差，如果时间差超过规定阈值，则整流罩横向分离的同时性就处于较低水平，这会导致分离失败，影响火箭发射任务的顺利实施。

前文规定电起爆器起爆时间可近似为桥丝的升温过程。依据文献[7]91所建立的直流放电形式下桥丝升温模型，桥丝升温方程可表示为

(1)

通常情况下，爆炸螺栓前端的电起爆器采用镍镉桥丝，装药为斯蒂芬酸铅(Lead Styphnate，简称LTNR)。LTNR作为起爆药，受外界较小能量作用就能发生爆炸反应，而且在很短时间内其变化速度可增至最大。镍镉桥丝具体参数如表1 所示。

表1　镍镉桥丝材料基本参数

根据热点起爆理论，当桥丝通入足够大电流，使桥丝温度迅速升高并达到药剂热点临界温度，保持足够长时间，且传递给附着药剂层的热量超过药剂层反应所需能量，就可以认为药剂能起爆。

当直流通电时间为tf时，桥丝产生的热量为

(2)

式中,P(t)为桥丝发热功率；tf为通电时间。因为α很小，可令1+αT1=1，则式(2)积分可得

Q1=I2Rbtf

(3)

参考文献[7]`(93)，通电期间传递给桥丝附着层药剂的热量可近似为 (References)

(4)

对于药剂层发火所需的能量可近似表示为

(5)

式中,d为药剂层厚度；ρe为药剂密度；E为活化能；M为药剂的分子摩尔质量。LTNR的具体参数如表2所示。

表2　LTNR基本参数

在满足其他必要条件的前提下，当Q2≥Q3时，则可认为药剂发火，即电起爆器能够顺利起爆。

现在考虑电起爆器的临界发火条件，即当Q2=Q3时能够满足条件。根据式(1)可以得到关于桥丝温度T1的表达式

(6)

将式(3)代入式(4)，结合式(5)并考虑临界发火条件，可以得到下式

(7)

联合式(6)与式(7)，得到方程组(8)

(8)

将各参数代入，即可求得临界发火时间tf与输入电流I的关系式。在航天领域采用的电起爆器桥丝阻值在0.9~1.2 Ω之间，取桥丝阻值的最小值及最大值，分别对单个电起爆器通入0~5 A直流电时的临界发火时间进行仿真，得到tf与I的关系图[8]，如图5和图6所示。

图5　0

可以得出以下结论：

1) 由图5与图6可知，电起爆器的发火时间极短，时间在毫秒级甚至微秒级；

2) 由图5可知，当电流I>2 A时，由于桥丝自身阻值差异引起的电起爆器起爆时间差很小，并随着电流的增大趋近于零；

3) 由图5和图6可知，当电流0.3 A

4) 由图5可知，当电流0

图6　0.5

3整流罩横向分离同时性分析

整流罩横向分离时通入直流电，各路电起爆器起爆数理模型的建立与分析可依据前文进行。假设连接各爆炸螺栓的电缆沿火箭内壁分布，同轴绞线从A点处分散连接。认为各支路的电缆公共段与串联电阻的总阻值相等，设为Rg；设相邻爆炸螺栓间电缆阻值为R0；桥丝初始阻值为Rb。

选取具有代表性的2个电压进行分析，比较不同支路的电流与电起爆器起爆的时间差。分别得到了U=26 V与U=10 V，Rb=0.9Ω与Rb=1.2Ω时，各支路的电流值与电起爆器起爆时间(起爆时间的获得依据图6和图7)，具体数值如表3～表6所示。分析中所采用的其余数据：桥丝直径2.0μm，桥丝长度2mm，Rg=10Ω，R0=0.25Ω。

表3　U=26 V，Rb=0.9 Ω时，

表4　U=26 V，Rb=1.2 Ω时，

表5　U=10 V，Rb=0.9 Ω时，

表6　U=10 V，Rb=1.2 Ω时，

依据表3～表6，分别求出4种不同情况下整流罩解锁分离时，横向爆炸螺栓起爆的最大时间差：(1) 由表3和表4可以看出，当U=26V时，Δtmax=0.168 ms；(2) 由表5和表6可以看出，当U=10V时，Δtmax=1.071 ms。

4结论

为更好地提高整流罩横向分离的同时性，解决延时3带来的影响，提出以下建议：

1) 在相同的输入电压下，具有最小回路阻值的电起爆器与具有最大回路阻值的电起爆器起爆时间差最大，所以在设计整流罩分离电路时，综合其他因素，将电缆设计为相同长度，减小各支路阻值差。

2) 输入电压越大，电起爆器起爆时间越短，各回路由于阻值差异引起的电起爆器起爆时间差越小，反之越大，所以在确保安全性与可靠性的前提下可以适当地增大供电电压。

3) 电起爆器能否作用，不仅和流经桥丝的电流大小相关，而且和电流的持续时间有关，所以应提高运载火箭上电池持续供电能力。

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(编辑：李江涛)