張修科 ,張 醒 ,吳 昊 ,王金童 ,楊樹彬

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109；2.陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

分離螺母是一種軸向連接、徑向解鎖的火工作動裝置，其原理主要為將一個完整螺母切割分瓣，采用箍套將分瓣螺母束緊，分離時，在燃氣作用下，箍套與分瓣螺母發(fā)生相對移動，解除約束，分瓣螺母受力張開達到解鎖目的。分離螺母結構形式主要有兩種：一種是反推式，即箍套運動方向和起爆器燃氣輸出方向相反；另一種是直推式，即箍套運動方向和起爆器燃氣輸出方向相同[1-2]。

國內分離螺母在解鎖機構設計上普遍存在這些問題：結構繁瑣，零件數(shù)量多；動作復雜，且動作環(huán)節(jié)之間相互影響；密封環(huán)節(jié)較多，影響密封可靠性。以上問題制約了分離螺母可靠性的進一步提高，對此，本研究設計了一種新型直推式分離螺母。

1 工作原理及結構設計

圖1為新型直推式分離螺母結構示意圖。分離螺母工作原理為：內筒活塞將分瓣螺母約束為整體鎖緊螺桿（螺桿另配），鎖緊銷約束兩者相對位置；起爆器點火后，高壓燃氣進入殼體、后堵帽和內筒活塞形成的密閉容腔；在燃氣作用下，內筒活塞剪斷鎖緊銷，向上運動一定距離，解除對分瓣螺母的徑向約束；內筒活塞繼續(xù)向上運動，直至上端面邊緣與底端凸臺邊緣同時擠壓分瓣螺母上下對應斜面，使其四瓣張開一定距離，釋放螺桿。作用過程如圖2所示。

圖1 直推式分離螺母結構示意圖Fig.1 Schematic of the separation nut of direct thrust model

圖2 分離螺母工作過程示意圖Fig.2 Schematic of the separation nut working process

從分離螺母結構組成和工作原理可知，內筒活塞可獨立完成“約束螺母”、“解除約束”、“張開螺母”3個功能，解鎖機構僅由分瓣螺母、內筒活塞、鎖緊銷組成，零件數(shù)量少；“解除約束”和“張開螺母”兩個環(huán)節(jié)由內筒活塞在一個運動過程中完成，簡單直接，且兩個環(huán)節(jié)發(fā)生有先后順序，完全獨立，互不影響；采用單道O型圈與擋圈密封，密封可靠性高。新型直推式分離螺母的設計解決了當前分離螺母存在的問題。

2 工程計算與試驗驗證

2.1 臨界解鎖壓強

2.1.1 工程計算

臨界解鎖壓強是表征分離螺母解鎖性能的重要參數(shù)，其計算是分離螺母設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)，新型直推式分離螺母結構、動作簡單，臨界解鎖壓強的工程算法也容易推導。

當燃氣作用在內筒活塞上的推力大于內筒活塞運動阻力時，分離螺母才能產(chǎn)生解鎖動作。燃氣對分離螺母的推力：F=PA；式中P為燃氣壓強，由起爆器輸出性能和初容大小計算；A為內筒活塞底面積。

內筒活塞運動阻力f包括鎖緊銷的剪斷力f1、內筒活塞和分瓣螺母之間的摩擦力f2以及O型圈與殼體內壁的摩擦力f3，即：f=f1+f2+f3

其中：

式（1）中：n為鎖緊銷數(shù)量；d為鎖緊銷直徑；τb為鎖緊銷材料剪切強度。

式（2）中：μ為內筒活塞和分瓣螺母接觸面靜摩擦系數(shù)；F為分瓣螺母螺紋所受軸向拉力；α為分瓣螺母螺紋半角。

O型圈與殼體內壁的摩擦力f3較小，忽略不計。由F-f=0，得分離螺母臨界解鎖壓強：

令F=0，即分離螺母空載時的臨界解鎖壓強：

實際結構設計中，鎖緊銷數(shù)量為4，其直徑為2mm，材料選用HPb59-1，熱處理后σb=465MPa，內筒活塞底面積為1 320.3mm2，則可計算出分離螺母空載時的臨界解鎖壓強：

分瓣螺母螺紋為普通螺紋，螺紋半角30°；內筒活塞和分瓣螺母為鈦合金TC4機加工件，熱處理后σb≥900MPa，摩擦系數(shù)μ根據(jù)經(jīng)驗取值，約為0.31，計算加載預緊力20kN時的臨界解鎖壓強：

2.1.2 試驗驗證

分離螺母極小藥量摸底試驗結果（表1）驗證了上述工程計算。

表1 極限小藥量摸底試驗情況Tab.1 Test results of the limit powder mass

已知所用批次起爆器總裝藥量為210mg，輸出性能抽樣測試結果為6.9MPa/10mL，分離螺母設計初容為6.544mL，根據(jù)試驗結果分別推導空載時和加載時的臨界解鎖壓強（近似認為點火器輸出性能與裝藥量成正比）：

工程計算結果與試驗結果一致。

2.2 極限承載

2.2.1 工程計算

該分離螺母既能承受軸向載荷，也能承受橫向載荷，軸向載荷作用在與其配套的螺桿上，極限承載為螺栓的破壞拉力；橫向載荷施加于殼體上端球頭位置，承載達到極限時，殼體發(fā)生破壞。

螺栓螺紋規(guī)格為M8×1.25，材料為鈦合金TC4，破壞拉力[4]：

式（6）～（7）中：A為螺栓的截面積；d為螺紋外徑；s為螺距；σb為螺桿材料抗拉強度。

經(jīng)計算A=37.21mm2；TC4經(jīng)熱處理后抗拉強度不小于900MPa，按900MPa計算，則F=33.5kN。

2.2.2 分離螺母靜力試驗

通過軸向加載測試軸向極限承載，試驗裝置見圖3，試驗結果見表2、圖4。

圖3 軸向加載試驗工裝Fig.3 Test device of axle loading

表2 軸向拉伸試驗結果Tab.2 Test results of axle loading

工程計算結果與試驗結果相差5%以內，基本一致。

由于殼體結構較為復雜，橫向極限承載采用有限元工程計算方法以得到較為準確的結果。加載24.63kN橫向載荷時，殼體應力情況如圖5所示，由圖5可見最大應力為430MPa，達到殼體材料鋁合金2A14的抗拉強度，出現(xiàn)在底端根部。

圖4 軸向加載螺桿破壞情況Fig.4 Breakage of the screw after axle loading test

圖5 殼體承受橫向載荷應力云圖Fig.5 Stress distribution of the shell

采用圖6所示的工裝，測試橫向極限承載，進行了2次，均在24kN時殼體根部發(fā)生斷裂，見圖7。

圖6 橫向加載工裝Fig.6 Test device of horizontal loading

圖7 橫向加載結構破壞情況Fig.7 Breakage of the shell after horizontal loading test

用有限元方法計算的橫向極限承載與試驗結果誤差在3%以內，基本一致，且殼體發(fā)生破壞的位置吻合。

3 其它試驗情況

3.1 發(fā)火試驗

發(fā)火試驗考察了分離螺母在設計藥量狀態(tài)時的工作情況，對其進行功能摸底，結果見表3。

表3 發(fā)火試驗結果Tab.3 Fire test result

3.2 裕度試驗

裕度試驗考察了分離螺母在高低溫條件下、大小藥量時的工作情況，驗證其解鎖裕度和強度裕度。

表4 裕度試驗情況Tab.4 Test results of redundancy

3.3 工作時間測量

分別在發(fā)火試驗和裕度試驗時對分離螺母工作時間進行了測量，結果見表5。

表5 工作時間測量情況Tab.5 Test result of working time

3.4 沖擊測量

對分離螺母殼體上的沖擊加速度值進行了測量，測點位置分別為底面安裝法蘭和上端面，如圖8所示。測試結果顯示底面安裝法蘭處為5 000g～6 000g，上端面為13 000g～14 000g。

3.5 安裝力矩試驗

安裝力矩試驗模擬分離螺母使用時預緊力加載方式，選點測量并記錄預緊力矩和預緊力的大小，得出預緊力和預緊力矩的關系，并與常用鋼材進行了對比。

圖8 沖擊測試測點位置Fig.8 Measuring points of impact test

圖9 安裝力矩試驗結果Fig.9 Test results of setting moment

由圖9中曲線對比可看出，TC4預緊力——預緊力矩關系線性化后斜率為0.178 9，而30CrMnSi達到了0.368 7，是TC4的2.06倍。由于TC4摩擦系數(shù)較大，其螺紋副加載預緊力相比常規(guī)鋼材困難。

4 結論

通過新型直推式分離螺母結構設計，有效地解決了目前分離螺母產(chǎn)品結構繁瑣、運動復雜的問題，并改善了密封性能，提高了工作可靠性；分離螺母臨界解鎖壓強、極限承載工程計算和試驗結果符合較好。通過后續(xù)不斷推廣和改進，該直推式分離螺母在衛(wèi)星天線、太陽能帆板的鎖緊釋放，星箭點式連接解鎖、包帶連接解鎖裝置和航天器和飛船艙段間點式連接解鎖等領域應用前景廣闊。

[1]張營,楊樹彬,王鍵,楊安民,文沖,吳瑞德.直推式低沖擊分離裝置的設計[J].火工品,2007(6):33-35.

[2]劉蘭,陳敏慧,劉舉鵬.自復位式低沖擊分離螺母設計研究[J].火工品,2009(2):38-41.

[3]高濱,李忠剛,馬景.分離螺母關鍵的設計參數(shù)分析設計[J].航天返回與遙感,2001,22(2):63-65.

[4]導彈強度計算手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1978.