韓言勛 景莉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

某型彈射筒推力突變原因的分析

韓言勛 景莉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

彈射筒一般用于航天器結(jié)構(gòu)的連接與分離，將連接體以一定速度彈出，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的彈射分離。彈射筒在工作過程中推力過大會造成航天器結(jié)構(gòu)的損壞和精密元器件的失效，從而導(dǎo)致整個航天器飛行任務(wù)的失敗，是航天器的關(guān)鍵部件，因此對影響彈射筒推力的因素研究具有重要意義。文章通過與典型的彈射筒推力曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)某型兩種結(jié)構(gòu)相同的彈射筒推力曲線均多出一個突變峰值。針對該問題，采用對彈射筒試驗過程中的高速攝像圖片與推力、速度曲線進行對比分析，得出推力突變峰值出現(xiàn)的原因，從而為此類產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

彈射筒 推力曲線 燃?xì)鈮毫?突變峰值

0 引言

彈射筒廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船、運載火箭和無人機等領(lǐng)域[1-5]，主要為物體的可靠分離提供一定速度，如彈射艙蓋、天線蓋、展開降落傘，甚至可以直接將數(shù)據(jù)艙等大質(zhì)量物體從彈體上拋出[6-9]。彈射筒設(shè)計和使用的關(guān)鍵是控制工作過載，以保證在整個運動行程的推力要大于外界的阻力，而且推力曲線應(yīng)平緩，從而減小工作過載對結(jié)構(gòu)及元器件的影響[10-13]。

本文選取的兩種彈射筒用于某型航天器返回艙的回收。返回艙在返回過程中，速度非常高，利用降落傘系統(tǒng)對其進行減速從而實現(xiàn)軟著陸。航天器進入回收段時，彈射筒接到電信號，點火工作，將傘艙蓋彈出，同時將固定在傘艙蓋上的降落傘以一定速度拉出，實現(xiàn)降落傘順利開傘。

與典型的彈射筒推力曲線相比，本文的兩種彈射筒發(fā)火試驗的推力曲線多出一個突變峰值，通過理論分析和試驗結(jié)果進行對比分析，得出影響推力突變的因素，從而為降低彈射筒類產(chǎn)品的工作推力提供新的思路。

1 彈射筒結(jié)構(gòu)與工作原理

兩種彈射筒均由上螺帽、活塞、內(nèi)筒、外筒、藥筒、鋼球、防火罩和剪切銷等組成，如圖1所示。當(dāng)彈射筒工作時，點火器點燃主裝藥，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，推動活塞剪斷剪切銷向左移動，鋼球落入內(nèi)筒內(nèi)完成解鎖，進而上螺帽–外筒組件在燃?xì)馔苿酉乱砸欢ㄋ俣蕊w出，完成彈射功能。圖中，L為彈射筒的工作行程為；S1為燃?xì)鈮毫γ娣e，即為活塞右端截面面積；S2為當(dāng)活塞運動離開內(nèi)筒后燃?xì)獾膲毫γ娣e，即上螺帽的內(nèi)表面面積。

為了驗證彈射筒燃?xì)鈮毫γ娣e變化對推力的影響，兩種彈射筒的結(jié)構(gòu)相同，僅活塞的直徑不同，分別為21mm和20mm，上螺帽的內(nèi)徑均為28.5mm，兩種彈射筒燃?xì)馐芰γ娣e突變的比值S2/S1分別為1.84 和2.03。

2 彈射筒的內(nèi)彈道

2.1 內(nèi)彈道分析

在滿足剛度要求的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計上將彈射筒工作行程L盡量加長，從而提高火藥利用效率，降低火藥沖擊影響，工作過程中彈射筒的燃?xì)馊萸徊粩鄶U大，為了保證容腔內(nèi)部壓力均勻，推力穩(wěn)定，需要使用燃速較低的藥劑作為主裝藥。

由于彈射筒具有較大的膨脹比和大裝藥量，因此在裝藥和內(nèi)彈道設(shè)計上要重點考慮。彈射筒的設(shè)計目標(biāo)是在滿足速度指標(biāo)的情況下，有最小的推力峰值或沖擊過載，典型的推力曲線見圖2。推力或壓力曲線變化越平緩越好，理想的曲線是隨著活塞運動，使容腔增大的情況下壓力基本不變，即彈射過載接近于常值[14-16]。

2.2 內(nèi)彈道計算

彈射類火工裝置的基本假設(shè)為：1）點火藥瞬時燃燒完畢；2）火藥燃燒服從幾何燃燒定律；3）不考慮燃?xì)獾牧鲃樱紵覂?nèi)的各氣體參數(shù)近似認(rèn)為處處相等；4）燃?xì)夥臍怏w狀態(tài)方程；5）火藥燃燒產(chǎn)

物成分始終不變；6）工作過程中的熱損失和燃?xì)庑孤┖雎圆挥媅17]。

根據(jù)彈射筒輸出能量W和火藥能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得：

式中 ω為裝藥量；γ為火藥燃?xì)獾慕^熱指數(shù)，一般取1.23；m為分離體的質(zhì)量；v為分離體出口速度；f為火藥力；V1為彈射筒工作到位后的容腔體積，即彈射筒內(nèi)筒和外筒容腔體積之和；V0為彈射筒工作前初始容腔體積，即彈射筒內(nèi)筒容腔體積減去活塞體積；η為火藥能量利用系數(shù)。

則主裝藥量計算公式為：

根據(jù)彈射筒彈射質(zhì)量和彈射速度的要求，可以通過以上公式進行理論計算，確定彈射筒的理論點火藥和主裝藥量，并按計算的藥量進行試驗驗證。

3 試驗過程及結(jié)果分析

3.1 試驗過程

兩種彈射筒（彈射筒一和彈射筒二）發(fā)火試驗過程相同，如圖3所示。將推力傳感器與試驗臺通過轉(zhuǎn)接頭進行剛性連接，彈射筒通過試驗工裝與推力傳感器連接，用螺母將配重安裝到彈射筒的上螺帽，在試驗臺上設(shè)置標(biāo)尺。兩種彈射筒彈射的配重和速度指標(biāo)不同，彈射筒二裝藥量為彈射筒一的兩倍，因此兩種彈射筒的推力峰值和彈射速度不同。兩種彈射筒分別進行4次發(fā)火試驗，推力傳感器數(shù)據(jù)采集儀的采集頻率≥100kHz，采集時間＞1s，10kHz低通濾波，高速攝像正對彈射配重和標(biāo)尺的位置，拍攝的幀數(shù)為3 000幀/s。

3.2 試驗結(jié)果

兩種彈射筒分別按照圖3所示進行發(fā)火試驗，對推力傳感器和高速攝像得到的推力曲線和速度曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種彈射筒推力曲線和速度曲線的趨勢相同。選取彈射筒一和彈射筒二典型的推力曲線，如圖4所示。圖中推力曲線中A點為彈射筒開始啟動時的推力，B點為推力開始突變，C點為推力的峰值，D點為推力降為零點。選取彈射筒一和彈射筒二典型的速度曲線如圖5所示，其中A1、B1、C1、D1點分別對應(yīng)推力曲線中的A、B、C、D點。

兩種彈射筒推力曲線上B點和C點的推力如表1和表2所示。

表1 彈射筒一推力值Tab.1 The thrust of catapult 1

試驗序次 B點推力/kN C點推力/kN C點與B點的推力比值 燃?xì)馐芰γ娣e突變比值S2/S11 42.3 85.2 2.01 2 39.2 80.5 2.05 3 41.2 83.4 2.022.03 4 41.8 84.2 2.01平均值 41.1 83.3 2.02

圖6～圖8為A、B、C和D四點對應(yīng)時刻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)運動位置示意圖，其中B點和C點為推力發(fā)生突變的時刻，兩個點的時間基本為同一時刻。A點為高溫高壓燃?xì)馔苿踊钊魯嗉羟袖N的時刻，對應(yīng)A1點速度為零點的時刻，上螺帽和外筒組件開始進行加速運動。外筒運動一段時間后到達(dá)B點時，推力發(fā)生突變達(dá)到最大值C點，對應(yīng)B1（C1）點的速度曲線出現(xiàn)拐點，速度曲線B1（C1）到D1的斜率比A1到B1的斜率大，即B1（C1）到D1的加速度比A1到B1的加速度大。

根據(jù)A點和B點的時間差通過高速攝像計算出從A點到B（C）點上螺帽和外筒組件運動的距離約為30mm。當(dāng)運動到D點時，彈射筒上螺帽和外筒組件運動到位，行程L約為198mm，內(nèi)筒容腔燃?xì)鈨?nèi)壓迅速下降為 0，上螺帽和外筒組件加速運動結(jié)束，依靠慣性以一定的速度將配重彈出，實現(xiàn)了彈射筒的彈射功能。

3.3 試驗結(jié)果分析

對比圖4與圖2，圖4所示試驗的推力曲線從B點到C點出現(xiàn)了一個推力的突變峰值，而圖2對應(yīng)的位置處推力變化比較緩慢，沒有出現(xiàn)尖峰。彈射筒在工作過程中，在推力曲線 A點附近時主裝藥開始燃燒，產(chǎn)生高壓氣體剪斷剪切銷推動上螺帽和外筒組件開始進行加速運動，燃?xì)獾目涨恢饾u擴大。由于上螺帽和外筒組件剛開始運動時加速度較小，裝藥初始的裝填密度和燃燒面積又大，快速產(chǎn)生燃?xì)?，壓力上升速率大，壓力的升高又進一步增大裝藥燃速，燃?xì)獾漠a(chǎn)生更為迅猛，導(dǎo)致壓力的遞增，燃?xì)饪涨惑w積擴大的速度遠(yuǎn)小于火藥燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾乃俣?。?dāng)彈射筒運動到 C點時，燃?xì)獾目涨惑w積與燃?xì)猱a(chǎn)生速度達(dá)到平衡，內(nèi)筒燃?xì)獾膲毫_(dá)到最大，出現(xiàn)推力峰值。隨著彈射筒的繼續(xù)運動，上螺帽和外筒組件的速度繼續(xù)增大，燃?xì)饪涨惑w積擴大速度大于燃?xì)猱a(chǎn)生的速度，內(nèi)筒燃?xì)鈮毫χ饾u減小，推力和加速度也逐漸減小。當(dāng)彈射筒運動到D點時工作到位，燃?xì)馔屏ο陆抵亮泓c[18]。

由圖7可知，C點出現(xiàn)推力峰值時，彈射筒的燃?xì)馐芰γ娣e發(fā)生變化，由活塞的右端截面S1突變?yōu)樯下菝钡膬?nèi)表面S2。由表1和表2可知，B點和C點處的推力突變的倍數(shù)與燃?xì)馐芰γ娣e突變比值S2:S1一致。

通過以上分析，推力曲線在B點出現(xiàn)峰值是因為燃?xì)饪涨惑w積擴大的速度遠(yuǎn)小于火藥燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾乃俣?，在B點處燃?xì)獾膲毫_(dá)到峰值，且C點與B點推力突變的倍數(shù)與燃?xì)獾氖芰γ娣e突變比值S2:S1一致。因此，可以通過設(shè)計保證燃?xì)獾氖芰γ娣e不發(fā)生突變，同時通過增加彈射筒的初始容腔和內(nèi)腔的直徑來增加燃?xì)饪涨惑w積的擴大速度，或采用燃速更慢的主裝藥，使燃?xì)鈮毫徛黾樱瑥亩_(dá)到推力緩慢增加的目的，不會出現(xiàn)突變峰值，以減小彈射筒工作時對航天器結(jié)構(gòu)和精密元器件的沖擊損壞。

4 結(jié)束語

通過對兩種彈射筒發(fā)火過程的高速攝像圖片與推力、速度曲線的對比分析，可以得出：彈射筒試驗過程中，推力曲線對比典型的彈射筒推力曲線多出一個突變峰值的原因為燃?xì)饪涨惑w積擴大的速度遠(yuǎn)小于火藥燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾乃俣?，且推力曲線突變峰值的倍數(shù)與燃?xì)獾氖芰γ娣e突變比值一致。因此，在該類彈射筒的設(shè)計中為了減小推力曲線的峰值，可以通過設(shè)計保證燃?xì)獾氖芰γ娣e不發(fā)生突變，同時通過增加彈射筒的初始容腔和內(nèi)腔的直徑來增加燃?xì)饪涨惑w積的擴大速度，或采用燃速更慢的主裝藥，使燃?xì)鈮毫徛黾樱_(dá)到推力緩慢增加的目的，為該類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供新思路。

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Analysis of Factors Affecting Thrust Curve of Catapult

HAN Yanxun JING Li

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The catapult is used to eject a joint at a certain velocity, realizing joint and separation of some space structure. If the thrust of catapult is too large, it would destroy spacecraft structures and fail precise components, leading to the failure of a whole spacecraft. The catapult is a key component of the spacecraft. So it’s very important to research the factors which affecting the thrust the of catapult. By comparing with the typical thrust curve of a catapult, the catapult curves of two types of the same structure have more than one sudden peak. In order to solve this problem, the high-speed photograph is compared with the thrust-velocity curve in the experiment, and the cause of thrust peak is found out. All these above can provide reference for design optimization of this kind of product.

catapult; thrust curve; gas pressure; sudden peak

V414.1

: A

: 1009-8518(2017)01-0023-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.004

韓言勛，男，1988年生，2012年獲北京理工大學(xué)兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向為航天火工技術(shù)。E-mail: hanyanxun1988@126.com。

（編輯：陳艷霞）

2016-06-15

國家重大科技專項工程