樊成飛，王耀華，王 強(qiáng)，陳志富，熊 偉

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

爆燃動(dòng)力裝置是應(yīng)用于國產(chǎn)某支線客機(jī)應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在國內(nèi)外屬首次將精確爆破技術(shù)應(yīng)用于民用航空救生領(lǐng)域[1]。爆燃動(dòng)力裝置的主要作用是在飛機(jī)飛行過程中遇緊急情況、機(jī)組人員須棄機(jī)離機(jī)時(shí)，4組爆燃動(dòng)力裝置協(xié)調(diào)配合，克服飛機(jī)飛行過程中作用于服務(wù)艙門上的氣動(dòng)阻力，將服務(wù)艙門向機(jī)艙內(nèi)平行推移一定的距離，為機(jī)組人員提供無障礙通道。由于服務(wù)艙門向機(jī)艙內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中的飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡須嚴(yán)格控制，以保證服務(wù)艙門運(yùn)動(dòng)至適當(dāng)?shù)木嚯x和位置，同時(shí)防止對(duì)機(jī)組人員造成傷害，故爆燃動(dòng)力裝置的動(dòng)作同步精度也要求較高。為此，對(duì)爆燃動(dòng)力裝置的動(dòng)作同步性開展研究。

1 爆燃動(dòng)力裝置工作原理與結(jié)構(gòu)

爆燃動(dòng)力裝置推門示意圖如圖1所示，爆燃動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 爆燃動(dòng)力裝置推門示意圖Fig.1 The working principle of the detonation powerplant pushing door

圖2 爆燃動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The physical sketch of the detonation powerplant

2 爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度需求分析

由于飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，爆燃動(dòng)力裝置只能安裝于飛機(jī)服務(wù)艙門與機(jī)艙門框間狹小的空間內(nèi)，其安裝位置和安裝空間受到嚴(yán)格限制，4組爆燃動(dòng)力裝置的安裝位置及服務(wù)艙門受力點(diǎn)如圖3所示。

圖3 爆燃動(dòng)力裝置安裝布局圖及艙門受力點(diǎn)分布圖Fig.3 The layout of detonation powerplant and stress points

根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，服務(wù)艙門運(yùn)動(dòng)過程中不得發(fā)生大于10°的偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)距離為1 500mm，誤差小于10%。為此，依據(jù)服務(wù)艙門的結(jié)構(gòu)特征、受力狀況，開展飛機(jī)服務(wù)艙門運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析計(jì)算爆燃動(dòng)力裝置最小動(dòng)作同步精度。

設(shè)服務(wù)艙門 4個(gè)作用點(diǎn)所受作用力最大誤差△F，不同步作用時(shí)間最大誤差△t。當(dāng)服務(wù)艙門4個(gè)作用點(diǎn)在同一時(shí)刻受到大小相同的作用力時(shí)，服務(wù)艙門沿艙門表面法線方向做平移運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)。但實(shí)際情況中，由于各組爆燃動(dòng)力裝置的動(dòng)作同步性誤差及做功能力誤差，服務(wù)艙門4個(gè)作用點(diǎn)的作用力大小存在一定的誤差，且非同時(shí)受力。根據(jù)爆燃動(dòng)力裝置做功能力考核試驗(yàn)及內(nèi)彈道分析結(jié)果可知，4個(gè)作用點(diǎn)的作用力大小存在最大5%的誤差。

當(dāng)受力點(diǎn)1、3（或2、4）在t時(shí)刻受到F大小的作用力，受力點(diǎn)2、4（或1、3）在t+△t時(shí)刻受到F+△F大小的作用力情況下，服務(wù)艙門發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度最大，最大偏轉(zhuǎn)角為θ。依據(jù)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果[2]，不同步作用時(shí)間△t與服務(wù)艙門最大偏轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同步時(shí)間Δt與艙門最大偏轉(zhuǎn)角θ關(guān)系曲線Fig.4 The curve between unsynchronized time and the maximum deflection angle

由圖4可知，當(dāng)爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步誤差小于300μs時(shí)，服務(wù)艙門發(fā)生小于 10°的偏轉(zhuǎn)，其飛行姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡符合飛機(jī)應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

3 爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度影響因素分析

爆燃動(dòng)力裝置的起爆過程為：當(dāng)電點(diǎn)火器接收到脈沖電流信號(hào)時(shí)，電點(diǎn)火器發(fā)火并點(diǎn)燃藥筒中的火藥，火藥燃燒生成的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)藥筒、滑筒運(yùn)動(dòng)對(duì)外做功。其中脈沖電流為爆燃動(dòng)力裝置的輸入信號(hào)，藥筒、滑筒位移為輸出信號(hào)。爆燃動(dòng)力裝置起爆信號(hào)流圖如圖5所示。

4組爆燃動(dòng)力裝置的輸入信號(hào)由同一起爆電路發(fā)出，4組爆燃動(dòng)力裝置同時(shí)接收輸入信號(hào)。各電點(diǎn)火器接收到輸入信號(hào)后，經(jīng)點(diǎn)火延遲時(shí)間△t1后發(fā)火，噴射的高溫高壓火焰?zhèn)鞑ブ了幫不鹚幈砻妫换鹚幗?jīng)延遲時(shí)間△t2后完全燃燒；最后火藥在燃燒速度v下，經(jīng)時(shí)間△t3后，全部燃燒完畢。

設(shè)各組爆燃動(dòng)力裝置加工精度、裝配精度及配合間隙均達(dá)到理想狀況。由爆燃動(dòng)力裝置起爆信號(hào)流圖及爆燃過程分析可知，影響爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度的影響因素有：（1）△t1與電點(diǎn)火器的點(diǎn)火性能密切相關(guān)。同一型號(hào)的電點(diǎn)火器，其點(diǎn)火延遲時(shí)間存在程度不同的誤差。（2）△t2與電點(diǎn)火器火焰射流所攜帶的能量及火藥自身性能有關(guān)。同一型號(hào)的不同電點(diǎn)火器火焰射流所攜帶的能量存在不同程度的差別，同時(shí)，火藥的點(diǎn)燃性能隨其密度和使用環(huán)境條件等的變化而發(fā)生不同程度的變化。（3）△t3與裝藥密度及藥量密切相關(guān)。火藥壓藥工藝（包括壓藥壓力、壓藥速率、保壓時(shí)間等因素）對(duì)裝藥密度及裝藥量有顯著影響。

設(shè)Δ為爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作不同步誤差，則有：

式（1）中：1Δ、2Δ、3Δ分別為由△t1、△t2、△t3引起的不同步誤差。

4 動(dòng)作同步性能優(yōu)化技術(shù)

針對(duì)影響爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度的影響因素，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施：（1）研制適用于航空領(lǐng)域的高精度電點(diǎn)火器，降低電點(diǎn)火器不同步誤差；（2）改進(jìn)火藥壓藥工藝，提高裝藥密度均勻一致性；（3）改善火藥安定性，減少由于飛行環(huán)境的多變而造成的火藥變性、失效及火藥反應(yīng)延遲時(shí)間誤差。

4.1 提高點(diǎn)火精度

由于飛機(jī)飛行過程中可能遇到雷擊、電磁干擾、高頻振動(dòng)、高低溫環(huán)境沖擊，同時(shí)為確保爆燃動(dòng)力裝置的動(dòng)作同步性，電點(diǎn)火器作為爆燃動(dòng)力裝置的觸發(fā)元件，除需具有高精度特性外，還需具有鈍感、可靠、安全等特點(diǎn)。

半導(dǎo)體橋火工品是采用半導(dǎo)體元件、集成電路技術(shù)與火工藥劑一體的新一代火工品，具有瞬發(fā)性高、可靠性高、安全性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體橋火工品利用半導(dǎo)體橋做發(fā)火元件，當(dāng)半導(dǎo)體橋通以脈沖電流時(shí)，半導(dǎo)體橋受熱迅速汽化形成高溫等離子體，高溫等離子體迅速擴(kuò)散使敏感火藥受熱發(fā)火[3-4]。研制的高精度鈍感電點(diǎn)火器如圖6所示。為確定電點(diǎn)火器的點(diǎn)火同步精度，對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)火同步性能考核試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖6 電點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of the electric ignitor structure

圖7 電點(diǎn)火器同步性能試驗(yàn)裝置Fig.7 The electric ignitor synchronization performance test device

壓力傳感器與電點(diǎn)火器相對(duì)位置與爆燃動(dòng)力裝置中藥筒與電點(diǎn)火器的相對(duì)位置相同。電容器充電完畢后，打開起爆器開關(guān)，通過電容放電的方式為電點(diǎn)火器中的半導(dǎo)體橋輸入能量，半導(dǎo)體橋迅速汽化生成高溫等離子體，依次點(diǎn)燃起爆藥LTNR、Pb(N3)2、火藥D、火藥C、火藥B、火藥A，不斷增強(qiáng)點(diǎn)火能量。使用數(shù)字存貯示波器記錄電點(diǎn)火器兩端的電壓信號(hào)，即脈沖電流輸入信號(hào)；應(yīng)用光電二極管采集電點(diǎn)火器發(fā)火瞬間產(chǎn)生的光信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)解器傳遞至數(shù)字存貯示波器；同時(shí)，應(yīng)用壓電式壓力傳感器記錄電點(diǎn)火器發(fā)火引起的密閉室氣壓變化，經(jīng)電荷放大器傳遞至數(shù)字存貯示波器。因此，從數(shù)字存貯示波器接收到電壓信號(hào)，到光電二極管接收到光信號(hào)的時(shí)間間隔為電點(diǎn)火器發(fā)火延遲時(shí)間從光電二極管接收到光信號(hào)到壓電式壓力傳感器接收到壓力信號(hào)的時(shí)間間隔為電點(diǎn)火器火焰?zhèn)鞑r(shí)間從數(shù)字存貯示波器接收到電壓信號(hào)到壓電式壓力傳感器接收到壓力信號(hào)的時(shí)間間隔為電點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間1tΔ，則：

示波器曲線如圖8所示，圖8中A為電點(diǎn)火器作用時(shí)的光信號(hào)；B為電點(diǎn)火器兩端的電壓信號(hào)；C為電點(diǎn)火器產(chǎn)生的燃?xì)鈿鈮?。

圖8 示波器曲線Fig. 8 The oscilloscope trace

應(yīng)用高速攝影儀記錄電點(diǎn)火器發(fā)火過程，如圖9所示，表明電點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間小于166μs。多組電點(diǎn)火器點(diǎn)火性能考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。高速攝影結(jié)果與電點(diǎn)火器同步性能考核試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)基本吻合，證明了電點(diǎn)火器同步性能考核試驗(yàn)的合理性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 電點(diǎn)火器同步性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The electric ignitor synchronization performance test data

表1試驗(yàn)結(jié)果表明，電點(diǎn)火器的點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火延遲時(shí)間誤差、點(diǎn)火壓力、點(diǎn)火壓力誤差等性能指標(biāo)符合預(yù)期效果。

圖9 電點(diǎn)火器發(fā)火過程高速攝影結(jié)果Fig. 9 High-speed photography results of electric ignitor

應(yīng)用小樣本法檢驗(yàn)電點(diǎn)火器的點(diǎn)火可靠性，結(jié)果表明，在置信度不小于95%的前提下，電點(diǎn)火器發(fā)火可靠度大于0.999。

4.2 改進(jìn)壓藥工藝

火藥裝藥是爆燃動(dòng)力裝置的核心組成部分，直接影響爆燃動(dòng)力裝置的輸出性能。壓藥工藝是影響裝藥質(zhì)量的關(guān)鍵因素，有效而精確地控制壓藥壓力、加壓速率、保壓時(shí)間是保證火藥密度一致性、燃燒速度穩(wěn)定性的重要工藝手段。

針對(duì)壓藥過程中強(qiáng)烈的非線性和緩慢的時(shí)變特性，以及傳統(tǒng)控制方法難以滿足壓藥壓力的實(shí)時(shí)控制要求，采用仿人智能控制技術(shù)，以提高火藥密度均勻一致性及爆燃動(dòng)力裝置輸出性能的一致性[6-7]。HZY-600A型自動(dòng)壓藥機(jī)與應(yīng)用仿人智能控制技術(shù)的壓藥機(jī)裝藥密度對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示，由表2可見裝藥密度均勻一致性有了顯著提高。

表2 裝藥密度結(jié)果對(duì)比Tab.2 The contrast between different charge density

4.3 改善火藥安定性

客機(jī)試飛過程中，飛行環(huán)境復(fù)雜多變，可能使得爆燃動(dòng)力裝置裝藥因吸濕受腐蝕而造成點(diǎn)燃性降低、燃速衰減、能量減低，甚至失去燃燒性。因此，爆燃動(dòng)力裝置裝藥除需具有適當(dāng)?shù)母卸群屯Α⒆銐虻陌踩酝?，還需具有極好的安定性。

某型耐水高能點(diǎn)火藥具有良好的防潮防水性能，且火焰感度高、燃燒輸出猛烈、點(diǎn)火能力強(qiáng)。爆燃動(dòng)力裝置藥筒內(nèi)火藥采用某型耐水藥和主裝藥相結(jié)合的裝藥方式，既提高了主裝藥的燃燒敏感度，又防止主裝藥因受潮而變質(zhì)、失效，提高了火藥的安定性，保證了爆燃動(dòng)力裝置起爆的可靠性。依次對(duì)某型耐水藥開展吸潮試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高低溫低氣壓試驗(yàn)，應(yīng)用電點(diǎn)火器對(duì)某型耐水藥進(jìn)行點(diǎn)火可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，某型耐水藥點(diǎn)火可靠性指標(biāo)，滿足飛機(jī)國際適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步性試驗(yàn)驗(yàn)證

為考核多組爆燃動(dòng)力裝置的動(dòng)作同步性，檢驗(yàn)服務(wù)艙門被多組爆燃動(dòng)力裝置作用后的飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，需開展爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步性試驗(yàn)驗(yàn)證。

以模擬艙門飛行過程中的偏轉(zhuǎn)角度和艙門飛行距離為驗(yàn)證指標(biāo)，開展服務(wù)艙門推門模擬試驗(yàn)。服務(wù)艙門推門模擬試驗(yàn)原理框圖如圖10所示，包括密閉艙、模擬艙門、模擬門框、調(diào)壓裝置、壓力測試儀、試驗(yàn)觀測設(shè)備等。模擬門框、模擬艙門與飛機(jī)原型艙門、門框結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，不影響艙門的飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖10 推門模擬試驗(yàn)原理框圖Fig.10 Diagram of the simulating pushing airliner door experimental

密閉艙、模擬艙門、模擬門框組成密封性能良好的密封室，利用調(diào)壓裝置和壓力測試儀調(diào)整密閉艙內(nèi)的氣壓值，以使艙門所受到的內(nèi)外壓差與飛機(jī)實(shí)際飛行過程中機(jī)艙內(nèi)外所受壓差相等。爆燃動(dòng)力裝置安裝于模擬門框與服務(wù)艙門之間的適當(dāng)位置，起爆爆燃動(dòng)力裝置后，高速攝影儀等觀測儀一起記錄了模擬艙門的飛行姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖11所示。

圖11 爆燃動(dòng)力裝置推門模擬試驗(yàn)Fig.11 The simulating pushing airliner door experiment

反復(fù)多次推門模擬試驗(yàn)表明，模擬艙門飛行過程中的偏轉(zhuǎn)角均小于8.3°，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

（1）通過服務(wù)艙門運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定了爆燃動(dòng)力裝置最小動(dòng)作同步精度；（2）電點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間、裝藥密度均勻一致性、火藥反應(yīng)延時(shí)誤差是影響爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度的主要影響因素；（3）研制的半導(dǎo)體橋電點(diǎn)火器點(diǎn)火可靠，點(diǎn)火精度滿足爆燃動(dòng)力裝置最小動(dòng)作同步精度的要求；（4）應(yīng)用仿人智能控制技術(shù)改進(jìn)了壓藥工藝，提高了火藥藥劑質(zhì)量，保證了爆燃動(dòng)力裝置火藥裝藥密度的均勻一致性；（5）采用新型耐水藥提高了爆燃動(dòng)力裝置火藥的安定性，有利于爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度的提高；（6）爆燃動(dòng)力裝置推門模擬試驗(yàn)證明，爆燃動(dòng)力裝置動(dòng)作同步精度符合某國產(chǎn)支線客機(jī)應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

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