于杭健，張正峰

?

樣品容器火工解鎖沖擊試驗(yàn)研究

于杭健，張正峰

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

某航天器的樣品容器在火工解鎖過程中，出現(xiàn)了解鎖后向前沖擊移動(dòng)的現(xiàn)象。為充分掌握樣品容器在軌火工解鎖過程中沖擊影響情況，開展了解鎖沖擊分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，推算了樣品容器在軌火工解鎖的理論沖擊移動(dòng)距離，并開展了3次地面驗(yàn)證試驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明，樣品容器的沖擊移動(dòng)距離小于12mm的指標(biāo)要求，因此不會(huì)影響在軌樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)的順利實(shí)施。

樣品容器；解鎖；沖擊；試驗(yàn)研究

0 引言

在航天器設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于需要一次性鎖緊和釋放的產(chǎn)品經(jīng)常采用火工品裝置進(jìn)行連接固定，如火工切割器、分離螺母、爆炸螺栓等?；鸸て费b置具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地滿足鎖緊與釋放的功能要求[1-3]。

某航天器樣品容器在設(shè)計(jì)時(shí)采用了火工切割器連接方式，以滿足樣品容器鎖緊與釋放的要求[4]。在地面試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，樣品容器在火工品裝置解鎖后發(fā)生了沖擊移動(dòng)現(xiàn)象，即樣品容器在解鎖后沖開棘爪束縛而出現(xiàn)了位移。

本文根據(jù)動(dòng)量守恒定律，從理論上分析了樣品容器在轉(zhuǎn)移操作中的沖擊移動(dòng)距離；同時(shí)在地面開展了3次樣品容器火工品裝置的爆炸解鎖試驗(yàn)，以掌握其在解鎖過程中沖擊移動(dòng)情況，并分析沖擊移動(dòng)距離對(duì)樣品在軌轉(zhuǎn)移任務(wù)的影響。

1 火工品裝置連接及解鎖沖擊現(xiàn)象

樣品容器火工品裝置主要由固定支架、壓緊桿、火工切割器、緩沖組件等組成[5]。固定支架主要起著對(duì)壓緊桿、火工切割器的固定作用；壓緊桿主要用于樣品容器的連接和固定；火工切割器主要用于切斷壓緊桿，釋放樣品容器；緩沖組件采用蜂窩結(jié)構(gòu)形式，主要用于減緩解鎖過程中對(duì)樣品容器的沖擊。樣品容器與火工品裝置的連接如圖1所示。

圖1 樣品容器與火工品裝置連接示意

火工切割器利用爆炸能量將壓緊桿切斷，同時(shí)將壓縮能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)樣品容器運(yùn)動(dòng)。在摩擦阻力及轉(zhuǎn)移阻力（棘爪）作用下，樣品容器移動(dòng)一段距離后停止運(yùn)動(dòng)。在地面1重力下，沖擊移動(dòng)距離與樣品容器質(zhì)量、摩擦阻力、轉(zhuǎn)移阻力相關(guān)，在摩擦系數(shù)一定情況下，樣品容器質(zhì)量越大，則摩擦阻力越大，而沖擊移動(dòng)距離越短；轉(zhuǎn)移阻力與機(jī)構(gòu)彈簧力相關(guān)：轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出后存在轉(zhuǎn)移阻力，收回則無轉(zhuǎn)移阻力。在軌飛行過程中，由于處于失重狀態(tài)，摩擦阻力變小，而轉(zhuǎn)移阻力不變。

在進(jìn)行無摩擦阻力（樣品容器處于豎直狀態(tài)）解鎖驗(yàn)證試驗(yàn)中，樣品容器的質(zhì)量為3.6kg，3次試驗(yàn)樣品容器獲得的分離速度分別為0.251、0.203、0.212m/s。在樣品容器處于水平狀態(tài)的試驗(yàn)過程中，樣品容器的質(zhì)量為2kg，也進(jìn)行了3次火工品解鎖試驗(yàn)：第1次樣品容器的沖擊移動(dòng)距離為23mm，第2次為22mm，第3次為32mm（轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)未展開狀態(tài)，即無棘爪阻力）。第1次試驗(yàn)和第2次試驗(yàn)中，樣品容器受到的總阻力為10N，其中摩擦阻力5N、轉(zhuǎn)移阻力5N；第3次試驗(yàn)樣品容器僅受到5N的摩擦阻力。

通過對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，則可得樣品容器在解鎖時(shí)刻的沖擊速度。樣品容器總的沖擊移動(dòng)距離總計(jì)算如下：

， (2)

f=0?c×/， (3)

， (5)

總=1+2。 (6)

式中：為樣品容器動(dòng)能，J；為樣品容器質(zhì)量，kg；0為樣品容器初始速度，m/s；為樣品容器降落到導(dǎo)軌的時(shí)間，s；H為樣品容器落到導(dǎo)軌的距離，m；f為樣品容器懸空段最后速度，m/s；c為棘爪阻力，N；f為摩擦阻力，N；1為懸空前進(jìn)距離，m；2為導(dǎo)軌段前進(jìn)距離，m。

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，以3.6kg樣品容器、分離速度分別為0.203和0.251m/s進(jìn)行推算，則可得2kg 樣品容器的速度分別為0.36和0.45m/s，在摩擦阻力和轉(zhuǎn)移阻力同時(shí)存在的情況下沖擊移動(dòng)距離分別為17和26mm；在無轉(zhuǎn)移阻力的情況下沖擊移動(dòng)距離分別為31和47mm。

按照此方法對(duì)樣品轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行分析，樣品容器質(zhì)量按8kg計(jì)，對(duì)在軌解鎖釋放過程進(jìn)行理論分析計(jì)算，得到?jīng)_擊移動(dòng)距離為10.1和6.5mm，均沒有超過12mm的最大容許沖擊移動(dòng)距離。樣品容器在軌解鎖釋放過程中移動(dòng)距離為

=/(f+c)。 (7)

為驗(yàn)證理論計(jì)算分析的正確性，開展了樣品容器火工品裝置解鎖沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

開展8kg樣品容器火工品裝置解鎖沖擊試驗(yàn)，主要目的是為了獲取其沖擊移動(dòng)距離，并分析火工品裝置解鎖沖擊對(duì)在軌樣品轉(zhuǎn)移的影響。

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

樣品容器解鎖沖擊試驗(yàn)采用滑輪吊掛方式用以抵消樣品容器因重力作用而引起的摩擦阻力。參試設(shè)備包括樣品容器、火工品裝置、滑輪吊掛子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)移阻力機(jī)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)安裝工裝、結(jié)構(gòu)支撐工裝、火工切割器起爆設(shè)備、高速攝像子系統(tǒng)等。樣品容器解鎖沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 樣品容器解鎖沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.2 試驗(yàn)實(shí)施流程

樣品容器解鎖沖擊試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 解鎖沖擊試驗(yàn)流程

解鎖沖擊試驗(yàn)主要過程如下：

1）完成吊掛子系統(tǒng)搭建，將樣品容器的質(zhì)量配置到4.0kg，保證其質(zhì)心位于中心軸線上，同時(shí)將另一側(cè)的配重砝碼按相同的質(zhì)量加掛，配置后測(cè)試，保證滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，實(shí)測(cè)得到阻力約為1.3N。

2）連接火工品裝置和樣品容器，再通過結(jié)構(gòu)安裝工裝將其固定，并將吊掛纜繩引出，最后將樣品容器安裝底座與鎖柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。

3）將上述完成配置并連接好的裝置再與結(jié)構(gòu)支撐工裝連接固定，同時(shí)將轉(zhuǎn)移阻力機(jī)構(gòu)件按照星上真實(shí)狀態(tài)設(shè)置到位，實(shí)測(cè)得到轉(zhuǎn)移阻力約為5N。

4）在滑輪吊掛子系統(tǒng)上配置相應(yīng)的平衡砝碼，通過鋼絲繩與樣品容器連接，樣品容器與平衡砝碼的質(zhì)量共計(jì)8.0kg，保證滑輪吊掛子系統(tǒng)靈活運(yùn)動(dòng)。

5）接好火工品的點(diǎn)火電纜，調(diào)試好高速攝像子系統(tǒng)，并完成火工品裝置的狀態(tài)檢測(cè)。

6）火工品裝置點(diǎn)火，樣品容器在沖擊力作用下向下運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)全過程由高速攝像子系統(tǒng)拍攝；解鎖后測(cè)量樣品容器頂面距鎖柄機(jī)構(gòu)頂面的距離，以獲取樣品容器沖擊移動(dòng)距離。火工品裝置起爆前后樣品容器狀態(tài)如圖4所示。

7）每次試驗(yàn)完成后進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。重復(fù)以上動(dòng)作，共進(jìn)行3次試驗(yàn)。

(a) 火工切割器起爆前狀態(tài) (b) 火工切割器起爆后狀態(tài)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3次試驗(yàn)結(jié)果如下：第1次試驗(yàn)，樣品容器向下移動(dòng)2.455mm；第2次2.756mm；第3次4.520mm。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在樣品容器及配重共計(jì)8.0kg、運(yùn)動(dòng)阻力為6.3N的情況下進(jìn)行計(jì)算，獲得樣品容器在解鎖過程中的理論沖擊移動(dòng)距離應(yīng)介于5.1～8.0mm之間。發(fā)現(xiàn)沖擊移動(dòng)距離的試驗(yàn)結(jié)果皆小于理論計(jì)算值，分析其原因有二：一是吊掛子系統(tǒng)吸收了部分能量，二是摩擦阻力測(cè)量存在誤差，導(dǎo)致樣品容器移動(dòng)距離減少。

根據(jù)實(shí)際在軌狀態(tài)，不考慮滑輪吊掛子系統(tǒng)1.3N的摩擦阻力，樣品容器解鎖過程中的理論沖擊移動(dòng)距離應(yīng)該介于6.5～10.1mm之間，但沒有超過12mm的最大容許沖擊移動(dòng)距離，可保證在軌樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)的順利實(shí)施。樣品容器爆炸解鎖后沖擊移動(dòng)距離見表1。

表1 樣品容器電爆解鎖后移動(dòng)距離

注：地面試驗(yàn)中（含水平和豎直狀態(tài)）均采用測(cè)力計(jì)測(cè)量摩擦阻力，受測(cè)力計(jì)及試驗(yàn)系統(tǒng)所限，測(cè)量均存在一定誤差。棘爪阻力為理論設(shè)計(jì)值，而實(shí)際產(chǎn)品所提供的阻力與彈簧相關(guān)，二者存在差異。

3 結(jié)束語

針對(duì)樣品容器火工品裝置解鎖后沖擊移動(dòng)距離問題，開展了理論計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)樣品容器在軌解鎖的沖擊移動(dòng)距離進(jìn)行了推算，結(jié)果表明皆小于要求的12mm最大容許沖擊距離。由此可見，火工品裝置的解鎖不會(huì)影響在軌樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)的順利實(shí)施。

[1] 褚桂柏, 馬世俊. 宇航技術(shù)概論[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2002: 224-225

[2] 袁家軍, 于登云, 白光明, 等. 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[M].北京: 中國(guó)宇航出版社, 2004: 438-439

[3] 王萌, 周志濤, 林德貴, 等. 某型火工解鎖裝置降沖擊設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 航天器環(huán)境工程, 2015, 32(6): 630-631

WANG M, ZHOU Z T, LIN D G, et al. Design and verification test of a pyrotechnic release device for impact reduction[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(6): 630-631

[4] 葉培建, 彭兢. 深空探測(cè)與我國(guó)深空探測(cè)展望[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2006, 8(10): 13-18

YE P J, PENG J. Deep space exploration and its prospect in China[J]. Engineering Science, 2006, 8(10): 13-18

[5] 劉志全, 陳新華, 孫國(guó)鵬. 航天器火工機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及評(píng)估方法[J]. 航天器工程, 2008, 17(4): 62-66

LIU Z Q, CHEN X H, SUN G P. Reliability validation tests and evaluation methods for pyrotechnic mechanisms of spacecraft[J]. Spacecraft Engineering, 2008, 17(4): 62-66

（編輯：肖福根）

Experimental study of unlock impact for sample vessel

YU Hangjian, ZHANG Zhengfeng

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

During electric storm unlocking of the sample vessel of a certain spacecraft, the sample vessel jumped the traces suddenly. To understand the impact influence of the vessel jumping the traces in orbit, the phenomenon analysis and the experimental verification of the unlocking impact are carried out. According to the conservation of momentum, the impact distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is calculated. And the unlocking shock test is carried out three times to verify the calculations. Both the calculation and test results show that the distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is less than 12mm, thus the sample transferring in orbit can be performed successfully.

sample vessel; unlock; impact; experimental study

V416.2

A

1673-1379-2017(04)-0382-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.007

于杭健（1984—），男，從事航天器總體設(shè)計(jì)工作。E-mail: yhj1105@163.com。

2017-03-29；

2017-06-28

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程