CN113581498A - 一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置 - Google Patents

一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置 Download PDF

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Abstract

一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，属于航天器结构技术领域。本发明提供了一种适应于大装药量(线密度不大于31g/m)、宽频率的高爆炸冲击量级(8000Hz频域内冲击约150000g)切割分离装置和防护结构，采用由外向内切割高强钢形式，工作过程中，能够实现至少6mm强度不低于1400MPa级的高强钢的切割分离，并且能够确保防护罩壳体、防护罩盖板结构完好。同时，对爆轰能量成长和传递的过程开展了数值分析和计算研究，实现了爆轰能量精细化设计。

Description

一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置
技术领域
本发明涉及一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，属于航天器结构技术领域。
背景技术
聚能切割索分离装置，应用在航天运载器分离部段时，一般都是环形结构，安装在结构蒙皮内部，从内向外切割；保护罩多采用铝合金保护罩或直接采用橡胶护套。切割对象一般为铝蒙皮或者铝+陶瓷等复合材料结构。在聚能切割索分离装置的常用设计方案中，由于缺乏数值模拟，传统的研究方式一般是基于飞行及试验获得的大量数据，结合理论分析和计算获得。这种方式的有效性虽被多次证明，但仍然存在以下两方面的问题：第一，无法准确获取内装火工品的输出能量传导路径及作用机理，导致分离装置中典型传火传爆环节的失效机理认识不清，缺乏有效的故障诊断机制；第二，无法明确结构尺寸特性和装药理化特性的临界范围，难以构建精细化的设计准则，导致准确度不高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，解决了爆炸冲击下防护结构易损、破坏的难题，实现了6mm1400MPa级高强钢的切割分离，由于安装在分离装置外部，实现了分离装置快速和简易安装；同时，基于高温、高压、高密度瞬态流动模型的仿真分析技术，对装置内部爆轰能量成长和传递过程开展数值计算、摸清了爆轰能量成长过程机理，明确反应性流场中爆轰能量成长的演化发展规律，实现了装置爆轰能量的精细化设计。
本发明的技术解决方案是：一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，包括保护帽、传爆管压环、传爆管、切割装药环、防护罩壳体、防护罩盖板、易断螺栓；
所述防护罩壳体为圆环结构，其内侧设有两级台阶，切割装药环沿圆周方向设在防护罩壳体的第一级台阶上；防护罩壳体上两处对称位置设有起爆器安装孔座；
传爆管压环和传爆管安装在起爆器安装孔座内，传爆管径向设置，内部装药，一端压紧在切割装药环上，另一端由传爆管压环压紧，实现两侧限位；传爆管压环与起爆器安装孔座螺纹连接；
保护帽与爆器安装孔座螺纹连接，用于防止外物进入爆器安装孔座；
防护罩盖板通过易断螺栓从侧向将切割装药环压紧在防护罩壳体上的第二级台阶上。
进一步地，所述传爆管与起爆器安装孔座之间、传爆管压环与起爆器安装孔座之间、切割装药环与第一级台阶和防护罩盖板之间、防护罩盖板与第二级台阶和防护罩壳体之间，以及易断螺栓头部均灌硅橡胶密封。
进一步地，所述起爆器安装孔座的端面与保护帽之间设有O形圈进行密封，构成O形圈加金属面限位固定压缩量的标准密封结构。
进一步地，所述切割装药环包括环形聚能罩、装药挡板和固定销钉；装药挡板为两个，通过固定销钉平行固定连接；环形聚能罩嵌在装药挡板内侧，构成一面开口的装药空间，所述装药空间由固定销钉分割为若干装药格；药剂从开口处均匀填入各个装药格内。
进一步地，所述防护罩壳体和防护罩盖板的壳体材料为0Cr13Ni8Mo2Al不锈钢。
进一步地，所述防护罩壳体和防护罩盖板的热处理制度为H595时效状态。
进一步地，当对被切割装置进行切割时，将保护帽拆下，在保护帽的位置安装起爆器；
所述切割装药环的装药量以及传爆管与起爆器之间间隙的确定方法为：
构建多维构型下的传爆模型；
采用有限差分的形式对传爆模型采用的欧拉方程进行离散求解，获得火工品序列之间传爆过程；
根据火工品序列之间传爆过程的计算结果获得装药临界范围和结构间隙临界值范围。
进一步地，所述传爆模型采用的欧拉方程为
Figure BDA0003129017490000031
其中，U代表解向量，F和G分别代表x和y空间方向的对流通量，W代表轴对称修正矢量，S代表化学反应源项矢量。
根据所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置实现的切割分离方法，包括如下步骤：
将保护帽拆下，在保护帽的位置安装起爆器；
将所述分离装置从被切割环的螺纹段套入，贴紧在被切割环的法兰端上，并利用螺母压紧；
起爆器通电输出爆轰波，引爆传爆管，将爆轰波能量放大后，引爆切割装药环；切割装药环形成射流，自外向内切割被切割环，被切割环形成两体，同时易断螺栓断裂，防护罩壳体和防护罩盖板形成两体。
进一步地，防护罩壳体和防护罩盖板在爆炸冲击作用下保持环形整体，被切割环发生形变，将防护罩壳体和防护罩盖板分别卡在被切割环形成的两体上，一部分留在被切割环的法兰端，另一部分留在被切割环的螺纹端靠近螺母一侧，实现对分离后的防护罩壳体和防护罩盖板的捕获。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)选用沉淀硬化不锈钢材料，适应于大装药量(线密度不大于31g/m)、宽频率的高爆炸冲击量级(8000Hz冲击约150000g)切割分离装置和防护结构。裕度试验时，在低温-45℃、高温120℃下，最大进行了线密度为41g/m的试验，防护罩壳体、防护罩盖板结构完好，未碎裂。
(2)通过数值计算，精确模拟了爆轰能量成长和传递的过程，识别了不同几何构型下爆轰能量成长过程的演化发展机理，确保了起爆和传爆环节的可靠性。
附图说明
图1为切割分离装置外形图；
图2为切割分离装置截面示意图；
图3为切割分离装置安装示意图；
图4为切割分离装置射流形成过程示意图；
图5为切割分离装置解锁过程示意图；
图6为切割分离装置内装药爆轰能量成长过程演化发展示意图；
图7为切割装药环示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～7所示)：
在本申请实施例所提供的方案中，切割分离装置的结构外形如图1所示，其由保护帽1、传爆管压环2、传爆管3、切割装药环4、防护罩壳体5、防护罩盖板6、易断螺栓7等组成。
在一种可能实现的方式中，所述防护罩壳体5为圆环结构，其内侧设有两级台阶，切割装药环4沿圆周方向设在防护罩壳体5的第一级台阶上；防护罩壳体5上两处对称位置设有起爆器安装孔座；传爆管压环2和传爆管3安装在起爆器安装孔座内，传爆管3径向设置，内部装药，一端压紧在切割装药环4上，另一端由传爆管压环2压紧，实现两侧限位；传爆管压环2与起爆器安装孔座螺纹连接；保护帽1与爆器安装孔座螺纹连接，用于防止外物进入爆器安装孔座；防护罩盖板6通过易断螺栓7从侧向将切割装药环4压紧在防护罩壳体5上的第二级台阶上。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述传爆管3与起爆器安装孔座之间、传爆管压环2与起爆器安装孔座之间、切割装药环4与第一级台阶和防护罩盖板6之间、防护罩盖板6与第二级台阶和防护罩壳体5之间，以及易断螺栓7头部均灌硅橡胶密封。
可选的，在一种可能实现的方式中，所述起爆器安装孔座的端面与保护帽1之间设有O形圈进行密封，构成O形圈加金属面限位固定压缩量的标准密封结构。
在一种可能实现的方式中，如图7，所述切割装药环4包括环形聚能罩、装药挡板和固定销钉；装药挡板为两个，通过固定销钉平行固定连接；环形聚能罩嵌在装药挡板内侧，构成一面开口的装药空间，所述装药空间由固定销钉分割为若干装药格；药剂从开口处均匀填入各个装药格内。
可选的，在一种可能实现的方式中，所述防护罩壳体5和防护罩盖板6的壳体材料为0Cr13Ni8Mo2Al不锈钢。
进一步，所述防护罩壳体5和防护罩盖板6的热处理制度为H595时效状态。
本发明在传统的分析方法基础上，以经典流体动力学方程为基础，通过试验子样获取的大量理化参数，对流场中反应介质的化学热力学属性进行局部拟合及修正，以在保证凝聚态炸药物态属性的基础上，兼顾其气相流动属性，并以此构建多维构型下的大规模并行计算模型。模型采用如下的带单步不可逆化学反应机理的欧拉(Euler)方程加以描述：
Figure BDA0003129017490000051
其中，U代表解向量，F和G分别代表x和y空间方向的对流通量，W代表轴对称修正矢量，S代表化学反应源项矢量，它们的表达如下：
Figure BDA0003129017490000061
以上各式中，ρ为爆轰波流场密度；u和v分别代表x和y方向的爆速；E为爆轰波流场单位体积总能量，E＝p/(γ-1)+0.5ρ(u2+v2)+ρqS，p为爆轰波流场压力，γ为比热比，q为爆轰波流场单位质量的总化学能，S为爆轰波流场反应物质量分数；β代表构型参数，对二维平面计算问题，取β＝0。考虑到化学反应机理规格对爆轰波流场关键特性的量化参数取值影响较小，且详细机理会耗费大量的计算用时，因此，本发明基于量热完全气体假设，采用单步不可逆化学反应来描述传火传爆环节的能量转换形式，反应形式和反应速率可以表达为：
Figure BDA0003129017490000062
Figure BDA0003129017490000063
A为反应前的爆轰波流场介质对应参数，Ea为爆轰波流场反应放热量，R为通用气体参数，T为爆轰波流场温度。数值计算时采用有限差分的形式对方程进行离散求解，即将控制方程(1)式中的流动过程和化学反应过程作解耦处理。针对每个时间步长先不考虑化学反应，只进行流动过程的计算，再利用经过流动过程的新参数计算化学反应源项。其中，对流通量的空间导数项
Figure BDA0003129017490000064
和
Figure BDA0003129017490000065
采用了Local Lax-Friedrichs结合5阶WENO(weighted essentially non-oscillation)格式的算法进行求解，时间导数项
Figure BDA0003129017490000066
模板等采用了3阶TVD格式的高精度Runge-Kutta法求解，化学反应源项S则采用了隐式常微分方程LSODE求解器进行求解。
这种数值模拟模型将小尺度结构产品、火工分离技术、爆轰能量成长现象、高精度高分辨率仿真分析技术进行有机融合，建立一种适用于复杂聚能切割索分离装置设计改进的新技术。
通过流场可视化结果，如图6，可以看出火工品序列之间爆轰波传播的完整过程，经过前期的衰减、局部震荡和失稳以及后期的发展，最终形成稳定传播的爆轰波(胞格爆轰)。通过观察流场后期是否形成胞格爆轰，可以判断传爆环节是否完成，通过比对各初始条件下的爆轰波流场计算结果，最终获得实现稳定传爆过程的两个重要参数的临界取值范围。
因此，进一步，当对被切割装置进行切割时，将保护帽1拆下，在保护帽1的位置安装起爆器8；所述切割装药环4的装药量以及传爆管3与起爆器8之间间隙的确定方法为：
构建多维构型下的传爆模型；
采用有限差分的形式对传爆模型采用的欧拉方程进行离散求解，获得火工品序列之间传爆过程；
根据火工品序列之间传爆过程的计算结果获得装药临界范围和结构间隙临界值范围。
基于与图1相同的发明构思，本申请还提供一种基于耐爆炸冲击、向内切割的分离装置实现的切割分离方法，包括如下步骤：
将切割分离装置安装到被切割环11上，利用螺母10将切割分离装置压紧到被切割环11上。将起爆器8安装到切割分离装置上代替保护帽1。
将所述分离装置从被切割环11的螺纹段套入，贴紧在被切割环11的法兰端上，并利用螺母10压紧；
起爆器8通电输出爆轰波，引爆传爆管3，将冲击波能量放大后，引爆切割装药环4；切割装药环4形成射流，自外向内切割被切割环11，被切割环11形成两体，同时易断螺栓7断裂，防护罩壳体5和防护罩盖板6形成两体。防护罩壳体5和防护罩盖板6在爆炸冲击作用下保持环形整体，被切割环11发生形变，将防护罩壳体5和防护罩盖板6分别卡在被切割环11形成的两体上，一部分留在被切割环11的法兰端，另一部分留在被切割环11的螺纹端靠近螺母10一侧，实现对分离后的防护罩壳体5和防护罩盖板6的捕获。
由于装药量和爆炸冲击波巨大，本发明采用了一种耐爆炸冲击的沉淀硬化不锈钢材料，作为防护罩壳体5和防护罩盖板6的壳体材料。材料为0Cr13Ni8Mo2Al不锈钢。这是一种优质的耐爆炸冲击防护材料，通过材料强度和延伸率的匹配设计，通过选择合理的热处理制度，实现了抗拉强度不低于1035MPa，延伸率不低于14％，冲击功不低于120KU2/J的目标。
装置工作过程中，当一定强度的冲击波在序列中传播时，凝聚态炸药在很窄小的区间内被瞬时压紧，同时温度急剧上升。这种冲击压紧和加热的作用，形成了化学反应的条件，进而使得内装药迅速分解，直至凝聚态炸药全部转变为爆轰产物为止。由于爆轰产物的亚稳态特性，无论采用固、液和气体何种物态方程描述其作用过程，均是合理可行的。
综上，本专利提供了一种切割高强钢对象的分离装置，为了安装方便，其采用由外向内切割。由于高强钢的切割难度较铝合金大幅提升，切割索的药量较大，产生的爆炸冲击也异常巨大，对防护的护罩结构提出了更高的要求，传统的铝合金护罩抗爆炸性能已经不能满足要求了。本发明提供了一种适应于大装药量(线密度不大于31g/m)、宽频率的高爆炸冲击量级(8000Hz频域内冲击约150000g)切割分离装置和防护结构，采用由外向内切割高强钢形式，工作过程中，能够实现至少6mm强度不低于1400MPa级的高强钢的切割分离，并且能够确保防护罩壳体、防护罩盖板结构完好。同时，对爆轰能量成长和传递的过程开展了数值分析和计算研究，实现了爆轰能量精细化设计。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：包括保护帽(1)、传爆管压环(2)、传爆管(3)、切割装药环(4)、防护罩壳体(5)、防护罩盖板(6)、易断螺栓(7)；
所述防护罩壳体(5)为圆环结构，其内侧设有两级台阶，切割装药环(4)沿圆周方向设在防护罩壳体(5)的第一级台阶上；防护罩壳体(5)上两处对称位置设有起爆器安装孔座；
传爆管压环(2)和传爆管(3)安装在起爆器安装孔座内，传爆管(3)径向设置，内部装药，一端压紧在切割装药环(4)上，另一端由传爆管压环(2)压紧，实现两侧限位；传爆管压环(2)与起爆器安装孔座螺纹连接；
保护帽(1)与爆器安装孔座螺纹连接，用于防止外物进入爆器安装孔座；
防护罩盖板(6)通过易断螺栓(7)从侧向将切割装药环(4)压紧在防护罩壳体(5)上的第二级台阶上。
2.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述传爆管(3)与起爆器安装孔座之间、传爆管压环(2)与起爆器安装孔座之间、切割装药环(4)与第一级台阶和防护罩盖板(6)之间、防护罩盖板(6)与第二级台阶和防护罩壳体(5)之间，以及易断螺栓(7)头部均灌硅橡胶密封。
3.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述起爆器安装孔座的端面与保护帽(1)之间设有O形圈进行密封，构成O形圈加金属面限位固定压缩量的标准密封结构。
4.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述切割装药环(4)包括环形聚能罩、装药挡板和固定销钉；装药挡板为两个，通过固定销钉平行固定连接；环形聚能罩嵌在装药挡板内侧，构成一面开口的装药空间，所述装药空间由固定销钉分割为若干装药格；药剂从开口处均匀填入各个装药格内。
5.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)的壳体材料为0Cr13Ni8Mo2Al不锈钢。
6.根据权利要求5所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)的热处理制度为H595时效状态。
7.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于，当对被切割装置进行切割时，将保护帽(1)拆下，在保护帽(1)的位置安装起爆器(8)；
所述切割装药环(4)的装药量以及传爆管(3)与起爆器(8)之间间隙的确定方法为：
构建多维构型下的传爆模型；
采用有限差分的形式对传爆模型采用的欧拉方程进行离散求解，获得火工品序列之间传爆过程；
根据火工品序列之间传爆过程的计算结果获得装药临界范围和结构间隙临界值范围。
8.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置，其特征在于：所述传爆模型采用的欧拉方程为
Figure FDA0003129017480000021
其中，U代表解向量，F和G分别代表x和y空间方向的对流通量，W代表轴对称修正矢量，S代表化学反应源项矢量。
9.根据权利要求1所述的一种耐爆炸冲击、向内切割的分离装置实现的切割分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
将保护帽(1)拆下，在保护帽(1)的位置安装起爆器(8)；
将所述分离装置从被切割环(11)的螺纹段套入，贴紧在被切割环(11)的法兰端上，并利用螺母(10)压紧；
起爆器(8)通电输出爆轰波，引爆传爆管(3)，将爆轰波能量放大后，引爆切割装药环(4)；切割装药环(4)形成射流，自外向内切割被切割环(11)，被切割环(11)形成两体，同时易断螺栓(7)断裂，防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)形成两体。
10.根据权利要求9所述的切割分离方法，其特征在于：防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)在爆炸冲击作用下保持环形整体，被切割环(11)发生形变，将防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)分别卡在被切割环(11)形成的两体上，一部分留在被切割环(11)的法兰端，另一部分留在被切割环(11)的螺纹端靠近螺母(10)一侧，实现对分离后的防护罩壳体(5)和防护罩盖板(6)的捕获。
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