火工驅動開蓋裝置研究

袁 森,陳國光,李 帥,董曉芬

(1.中北大學機電工程學院,山西 太原 030051)

(2.中北大學環境與安全工程學院,山西 太原 030051)

近十多年才出現的水下預置武器系統,對新時代水下對抗體系的發展極其重要。俄羅斯、美國、印度等大國都正在積極開發水下預置武器系統[1-3]。預置武器主要是以隱蔽的方式提前安裝于水下[4-5]。如美國近年來開展的海德拉(Hydra)計劃、俄羅斯的賽艇計劃都將預置武器納入了未來裝備規劃[6-7]。隨著現代戰爭的發展和科技進步,對武器系統的可靠性、安全性和高效性提出了更嚴格的要求。特別是在復雜的作戰環境下,武器系統必須具備高精度和快速反應能力。對于預置武器在復雜的作戰環境下如何快速打開蓋子進行發射成為研究的重點,并受到廣泛關注。

火工驅動系統采用的特種火工藥劑具有較高的可靠性和安全性,能夠確保子武器系統在復雜環境下正常使用。為此,本文設計了一款火工驅動開蓋系統,將火工品和機械結構結合起來實現快速開蓋的功能。

1 火工驅動開蓋裝置設計

1.1 開蓋裝置結構組成及功能

開蓋裝置組成部件如圖1所示,主要由起爆盒、分離機構、作動機構及控制系統等組成。

圖1 開蓋裝置組成示意圖

開蓋裝置作動狀態示意圖如圖2所示。其主要功能如下:當控制系統發送“點火”指令后,起爆盒接收到開啟指令,200 ms之后爆炸螺栓與前蓋脫離,進入待發狀態;之后彈射筒和推沖器同時作用于前蓋,彈射筒推動滑塊沿導軌向上滑動,帶動連桿作用于前蓋連接板,前蓋繞轉軸轉動,當前蓋翻轉大于90°時,前蓋會脫離筒體,完成開蓋過程[8]。

圖2 開蓋裝置作動狀態示意圖

1.2 開蓋分離機構設計

開蓋分離機構主要由爆炸螺栓、收緊套筒和柱銷組成,且對稱安裝在導彈艙內壁。爆炸螺栓的作用是在接到動作信號后,與分離機構分離實現開蓋解鎖。柱銷用于連接武器艙前蓋和收緊套筒。收緊套筒兩端預留有螺紋接口,可與轉接桿相連接,主要用于前蓋與發射筒的收緊。開蓋分離機構模型如圖3所示。

圖3 開蓋分離機構模型

開蓋分離機構中的爆炸螺栓主要由殼體、電爆管、隔板體和剪切塞等組成,結構如圖4所示。爆炸螺栓主要部件功能見表1。本文設計的爆炸螺栓是無污染爆炸螺栓,內部設計為隔板式閉氣結構,作用后無飛濺物。其工作原理是接收到分離信號后,隔板點火器產生強大的爆炸壓力使剪切塞運動,當剪切塞的推頂力大于螺栓本體薄弱環節的抗拉強度時,螺栓斷裂分離。

表1 爆炸螺栓各部件功能

圖4 爆炸螺栓結構示意圖

1.3 開蓋作動機構設計

開蓋作動機構主要由推沖器、彈射筒、導軌、滑塊、連桿等組成。推沖器和彈射筒用于提供前蓋開啟動力,當接收到開啟指令,彈射筒和推沖器動作,彈射筒推動滑塊沿導軌向上滑動,帶動連桿作用于前蓋連接板,前蓋繞軸轉動。作動機構模型如圖5所示。

圖5 作動機構模型圖

在開蓋裝置的作動機構中,推沖器和彈射筒屬于火工品[9],它們的基本結構類似,僅裝藥量不同,結構如圖6所示。

圖6 推沖器和彈射筒結構示意圖

推沖器和彈射筒各部件功能見表2,工作原理:電起爆器起爆后點燃裝藥殼體內的裝藥,起到爆轟作用,推動活塞前進一段行程,達到開蓋的目的。

表2 推沖器和彈射筒各部件功能

2 火工品裝藥設計及校核

2.1 推沖器裝藥量設計及校核

設定推沖器推力為15 kN,則推沖器內部壓力F滿足:

(1)

式中:S為壓力作用于活塞端面的面積;P為壓強,經計算為14.7 MPa。根據諾貝爾-阿貝爾方程,在密閉容腔內,燃燒室的壓力服從以下方程:

(2)

式中:P1為燃燒室峰值壓強,Pa;f為火藥力,取1.01×105kJ/kg;α為火藥余容,取0.95 dm3/kg;V為藥室體積,取2.23×10-6m3;w為裝藥量,kg。根據計算,裝藥量最終確定為3.5 g。

圖7 推沖器及彈射筒薄弱斷裂面

2.2 彈射筒裝藥量設計及校核

根據諾貝爾-阿貝爾方程,在密閉容腔內,燃燒室的壓力同樣服從公式(2),f取1.01×105kJ/kg,α取0.95 dm3/kg,V取π×0.0112×0.011 m3,裝藥質量w經計算為3.5×10-3kg。

2.3 爆炸螺栓裝藥設計及校核

在GJB/Z 377A—94規定下進行變藥量的升降法試驗,得到感度參數分布為:感度均值參數μ=583.3,感度方差σ=0.791,可靠度(置信區間)R=0.999(r=0.90)對應的最大發火率(響應概率)P0為0.999 75,將以上參數代入式(3),可得到裝藥量的估計值。

(3)

經計算,m=586.6 mg,在此基礎上,取裕度1.2計算,主裝藥量設計值為700±20 mg。

由于單個收緊套筒承載能力需大于等于20 kN,因此爆炸螺栓在收緊套筒內需承受拉壓力。此外還應具有一定的抗扭能力,爆炸螺栓采用3.5倍安全裕度,即單個爆炸螺栓承載能力需大于等于70 kN。

分離機構螺栓拉斷斷裂面如圖8所示,根據材料手冊,本體所用1Cr11Ni2W2Mo V耐熱鋼棒的抗拉強度極限σb1=880 MPa。由機械強度理論可知,許用剪切應力[σ]為:

圖8 螺栓拉斷斷裂面

[σ]=σb1/n

(4)

式中:n為材料安全系數,n=1.25～1.50。

剪切面積S3為:

S3=2πr3L

(5)

式中:r3為剪切面半徑,m;L為剪切面軸向長度,m。將r3=0.007 m、L=0.003 m代入式(5)中,求得S3=0.000 131 9 m2。由強度理論可知,螺栓被拉斷所需的最小力Fmin為許用剪切應力和剪切面積的乘積:

Fmin=P3S3≥[σ]·S3

(6)

式中:P3為螺栓拉斷截面受到的壓強,Pa。

經計算,螺栓最大拉斷力為111.5 kN。經拉斷力試驗驗證,實際拉斷力為105 kN,滿足設計要求。

3 箱體開蓋過程的仿真分析

3.1 仿真模型的建立

對開蓋作動機構進行簡化,把對推沖器和彈射筒的力用ADAMS軟件中STEP函數代替[10]。STEP函數定義為F=STEP(x,x0,h0,x1,h1),其含義為:

(7)

式中:x為變量,x0和x1為變量x的初始值和終止值,h0和h1為對應于x0和x1的函數值,h表示由STEP函數自動擬合給出的值。根據相關技術指標,彈射筒的力用STEP(time,0,20000,0.01,0)表示,推沖器的力用STEP(time,0,15000,0.01,0)表示。模型如圖9所示。

圖9 仿真模型簡化圖

為了保證仿真正常進行,需要對其施加相關約束,主要有地面和筒底的接觸約束、蓋子和筒壁的約束,在ADAMS中主要用特殊約束力——接觸力(Contact)來表示各種類型的接觸約束。接觸類型為實體對實體,其接觸參數設置見表3。表中:k為剛度系數,c為阻尼系數,e為力指數,d為滲透深度,vs為靜摩擦轉換速度,vd為動摩擦轉換速度,mus為靜摩擦系數,mud為動摩擦系數。

表3 接觸參數設置

3.2 仿真結果分析

在ADAMS軟件中設置仿真終止時間為2 s,仿真步長為1 000步。設置地面標記點,測量仿真過程中前蓋的角度及角速度隨時間變化情況,如圖10、11所示。從圖中可看出,開蓋裝置可以在1 s內完成開蓋,能及時完成發射任務。開蓋過程中,在推沖器和彈射筒的作用下使得其打開蓋子的角速度比較大,使得其穩定性不足,有讓筒傾倒的危險。由于受到空氣阻力和地面摩擦阻力的作用,筒蓋晃動在1.5 s左右才逐漸趨于平穩。圖11中曲線出現抖動的原因是開蓋過程中筒晃動所致。相較于傳統電機驅動開蓋技術啟動速度慢、占用體積大的缺點,其能更好地完成發射任務。

圖10 前蓋角度變化曲線

圖11 前蓋角速度變化曲線

3.3 試驗過程設計

各受試及參試設備在地面安裝到位、調試完畢后,開始執行如圖12所示的試驗流程。

圖12 試驗流程

3.4 地面試驗結果分析

驗證開蓋機構結構及電氣設計的合理性后,對開蓋機構主要技術指標進行考核,順利完成既定的開蓋動作,開啟時間為0.4 s。從試驗高速影像及仿真結果截取的部分圖像如圖13所示,仿真和試驗的相同時序前蓋打開所對應的角度大致相同。

圖13 仿真與試驗時序圖對照

4 結束語

試驗證明火工驅動開蓋裝置可在0.4 s完成開蓋動作,相比傳統電機在開蓋裝置中的應用,火工驅動的快速開蓋特性使得該裝置在軍事領域具有巨大的潛力,有望取代傳統的電機開蓋方式,但在試驗過程中發現該裝置仍面臨一定挑戰。例如該方案的安全性、可靠性還需要做進一步的研究,以確保在使用過程中不會發生意外或故障。本文的試驗及仿真僅驗證了在地面隱蔽開蓋的可行性,而對于更加復雜的水下試驗環境,需要進行更加精確的設計研究來完善該裝置。