柔爆索线式爆炸分离过程机理分析

作者简介

内容简介

基础篇
　　第1章 绪论
　　1.1 背景
　　随着科技水平的进步，人类的科学探索活动逐渐向外层空间延伸。当前，加入太空技术竞争的国家越来越多，同时一些传统的航天强国也在加强彼此间的合作。美国和俄罗斯是传统航天领域的“两极”，其载人航天的能力和水平均处于世界领先地位。欧洲航天局、中国和日本正成为航天领域迅速崛起的“第三极”。印度、伊朗等国家也不甘人后，推出了各自的发展计划。
　　2000年，国务院新闻办公室发布了《中国的航天》白皮书，全面阐述了我国面向 21世纪的航天发展战略和规划，公布了中国载人航天工程发展的近期和远期目标[1]。近期即此后十年及稍后的一个时期，发展目标是实现载人飞行，建立初步配套的载人航天工程研制试验体系。随着神舟系列飞船的逐步成功发射，目前这一目标已经实现。远期即此后二十年或稍后的一个时期，发展目标是建立中国的载人航天体系，开展一定规模的载人空间科学研究和技术试验。
　　运载火箭系统在整个载人航天工程中处于基础性地位，也是目前人类进入太空的唯一手段 [2， 3]。《中国的航天》白皮书明确指出我国运载火箭技术的发展目标是开发新一代无毒、无污染、高性能和低成本的运载火箭，建成新一代运载火箭型谱化系列，增强参与国际商业服务的能力。这就要求运载火箭的设计必须遵循“通用化、组合化、系列化”的思想，以适应今后多样化的发射任务 [4， 5]。
　　分离装置是运载系统的重要组成部分 [6]，是高性能多级运载火箭实现正常飞行的关键产品。它在分离之前承担结构连接功能，在接到分离信号之后要可靠实现解锁和分离功能，用以完成航天器级间、头罩、助推器等部件与主体之间的分离，其功能实现与否直接关系到发射任务的成败。 2003年日本 H2A六号火箭发射失败 [7]、
　　2009年韩国“罗老”号火箭发射失败 [8]都是由分离装置未能可靠分离造成的。 2009年 2月 24日，美国金牛座 XL运载火箭搭载着价值 2.7亿美元的“嗅碳”卫星从范登堡空军基地发射，由于整流罩没分离，卫星无法到达预定轨道。 2011年 3月 4日，美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration， NASA)的“荣誉号”卫星由金牛座 -XL运载火箭从范登堡空军基地发射升空，火箭升空约 3min之后，直径为 1.6m的整流罩没有按照预定指令及时分离，拖累了火箭速度，导致无法抵达预定轨道，昀后金牛座 -XL运载火箭坠毁于南太平洋塔希提岛附近 [9]。
　　火工分离装置由于可靠性高、同步性好，是使用昀广泛的一类分离装置 [10]。根据结构形式，火工分离装置主要分为点式爆炸分离装置和线式爆炸分离装置两类[11]。点式分离装置是在连接结构的接触面上采用多点连接方式，实现点解锁功能的分离装置，主要包括爆炸螺栓、解锁螺栓、分离螺母、拔销器等。以爆炸螺栓为例，其典型结构如图 1.1所示。其作用过程是：当分离信号到达之后，药室里主装药点火爆燃，药室内的压力急剧升高，当压力增加达到开槽部位的断裂强度时，螺栓在开槽部位断裂，两个连接的物体被分离开。点式分离装置由于分离板密封难、连接面刚度稍差，更多用于单点分离或分离体较小的情况。
　　图 1.1爆炸螺栓示意图
　　线式分离装置是在被连接结构的接触面上连续连接，可以实现线式解锁功能的分离装置，主要包括柔性导爆索 (简称柔爆索， mild detonating fuse，MDF)分离装置、聚能切割索 (fuse of linear shaped charge，FLSC)分离装置[12]、膨胀管(super zip)分离装置 [13]、气囊 (airbag)分离装置等，典型结构如图 1.2所示。在大型运载火箭或导弹系统上，级间分离、星箭分离、卫星整流罩分离等具有大直径或长分离板的场合下，普遍采用线式分离装置 [14， 15]。
　　图 1.2(a)是柔爆索分离装置横截面示意图。柔爆索沿箭体环向安装于保护罩截面的凹形空腔内，通过分离板与保护罩的夹持实现位置固定，柔爆索、分离板和保护罩共同构成分离装置的完整结构。其中，柔爆索的中心为炸药芯子，芯子外包覆一层铅层，有的柔爆索在铅层外面还包覆一层纤维编织层和塑料管，对炸药芯子起保护作用。柔爆索分离装置的工作原理是：柔爆索起爆后产生爆轰产物和冲击波作用于分离板，使其沿预制削弱槽断开，从而实现解锁分离。保护罩起到阻挡爆炸产物进入箭体内部、保护内部有效载荷不受损伤的作用。柔爆索分离装置的优点是柔爆索加工相对容易、结构简单、成本低、可靠性高；其缺点是产生的冲击较大、对环境有污染。另外，柔爆索分离装置的炸药能量作用分散，主要适用于分离板较薄的结构。
　　图 1.2典型的线式分离装置横截面示意图
　　图 1.2(b)是聚能切割索分离装置横截面示意图。其结构特点与柔爆索分离装置类似，但分离原理有所不同。聚能切割索是带有 V形药型罩的线性聚能装药，起爆后形成高速射流对分离板削弱槽处实施定向切割，其能量聚集于一条线上，并沿此线切断分离板。在聚能切割索分离装置中，保护罩药腔内一般还内衬一层橡胶，以便于切割索的安装和 位，同时可以减弱对保护罩的损伤。聚能切割索分离装置的优点是切割索的炸药能量利用率较高，适用于分离板较厚的结构；其缺点是切割索的加工和安装相对比较困难，安装时切割索聚能槽的中心必须对准分离板削弱槽。
　　图 1.2(c)是膨胀管分离装置横截面示意图。膨胀管分离装置由柔爆索、填充物、分离板、扁平管等结构组成，柔爆索被包裹在扁平管中。其基本工作原理是：柔爆索起爆后产生高压气体引起周围填充物变形，扁平管内部压力急剧增大，使得扁平管发生横向膨胀；继而驱动带削弱槽的分离板，使之完全破裂而断开，达到结构分离的目的。鉴于这个分离过程的特点，扁平管也称为膨胀管。分离板材料通常采用偏脆性的铝合金，膨胀管材料则选用韧性好的金属材料。在分离过程中，炸药索爆炸产生的气体和碎片等被封闭在膨胀管内，不会对环境造成污染；而且爆炸载荷并不直接作用于分离板，而是通过膨胀管的变形来驱动分离板，对结构产生的冲击相对较小。膨胀管分离装置具有结构重量轻、分离冲击低及分离过程无污染等特点，因此是目前重点发展的线式分离装置。
　　三叉戟导弹三级发动机分离装置、 H-2运载火箭卫星整流罩分离装置均采用了膨胀管分离装置。
　　图 1.2(d)是气囊分离装置横截面示意图。气囊分离装置主要由柔爆索、衰减管、气囊、铆钉等结构组成。其基本工作原理是：柔爆索起爆后产生的高温、高压气体经衰减管降温降压后进入并快速充满整个气囊，气囊内的气体压力作用到 U形接头和槽形接头上，剪断连接铆钉，实现解锁。之后，气囊继续膨胀，推动 U形接头和槽形接头以一定速度分离。气囊分离装置兼具解锁和推离功能，已应用于美国大力神火箭、欧洲阿里安系列火箭上。
　　四种线式爆炸分离装置具有不同的解锁和分离机理，在结构复杂程度、承载能力、分离冲击、环境保护等方面各有优缺点，实际设计中可根据任务的具体需求选用。
　　为应对多样化的发射任务，提升航天运载能力，我国相应地推出了新一代运载火箭工程，“长征”系列运载火箭型谱得到进一步完善。新一代运载火箭目前包含芯级直径 5m的长征五号系列大型运载火箭、长征六号小型运载火箭、芯级直径 3.35m的长征七号系列中型运载火箭及旨在大幅缩短发射准备时间的长征十一号固体运载火箭 [16]。2015年 9月 20日，新一代运载火箭第一箭 ——长征六号在太原卫星发射中心“一箭 20星”发射成功； 2016年 9月 25日，新一代运载火箭第二箭——长征十一号在酒泉卫星发射中心“一箭 4星”发射成功； 2016年 11月 3日，长征五号在海南文昌卫星发射中心发射成功。 2019年 12月 27日，长征五号遥三运载火箭发射成功。
　　运载火箭的多样化发展对分离装置提出了更高的要求，重量轻、可靠性高、分离冲击低及污染小成为线式爆炸分离装置的发展方向。为了适应新的需求，需要深入理解爆炸分离动力学过程，为爆炸分离装置的可靠设计提供科学依据。为此，本书选择柔爆索分离装置为研究对象，通过分析爆炸分离动力学过程，考察影响分离性能的材料和结构控制参数，获得爆炸分离过程的机理认识，同时研究保护罩构件的动态损伤现象和分离板材料的弹塑性动态断裂过程，以期为线式爆炸分离装置的设计提供理论指导和技术支撑。
　　1.2问题的提出
　　1.2.1国内外研究现状
　　载人航天属于敏感领域，分离装置的相关研究成果都是保密的，国内外公开发表的文献很少。我国航天分离装置的研制是从 20世纪 50年代仿制国外导弹开始的，经历了引进、仿制和独立研制的过程。早期的导弹多为单级火箭发动机，使用的分离装置比较少且相对简单，一般仅使用简单的点式爆炸螺栓即可解决问题。