張東 任東鴻 張登宇 張志峰 吳會(huì)強(qiáng)

航天器非火工分離裝置的設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

張東 任東鴻 張登宇 張志峰 吳會(huì)強(qiáng)

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076）

在航天領(lǐng)域，執(zhí)行分離任務(wù)的裝置根據(jù)觸發(fā)方式可分為火工和非火工兩大類，其中非火工分離裝置由于其可控、低沖擊、可重復(fù)測試和使用等特點(diǎn)，是未來航天分離設(shè)計(jì)的趨勢。本文介紹了一種新型非火工分離原理樣機(jī)，詳述了該裝置的工作原理，并對(duì)其主要性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的表征和分析。

解鎖裝置；非火工；航天器；分離設(shè)計(jì)

0 引言

近年來各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展促使運(yùn)載火箭技術(shù)日益成熟，國際前沿研究熱點(diǎn)逐漸由傳統(tǒng)課題轉(zhuǎn)向低成本運(yùn)載技術(shù)[1]。在當(dāng)今基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)已得到良好發(fā)展的背景下，復(fù)雜航天系統(tǒng)的時(shí)序控制精度和可靠性大幅提高，為可回收運(yùn)載工具的發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)[2]；可以預(yù)見，可重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)作為一種可行性已得到理論和實(shí)踐證明的低成本運(yùn)載技術(shù)發(fā)展路徑，將掀起航天領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)迭代、引發(fā)新一輪航天科技發(fā)展競賽[1,2]。鑒于目前航天器回收技術(shù)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，與可復(fù)用火箭相匹配的各類功能裝置的開發(fā)逐漸成為航天領(lǐng)域的重點(diǎn)[1-3]。作為航天工程中的關(guān)鍵部件，可復(fù)用火箭中分離裝置的性能和穩(wěn)定性將在較大程度上影響其運(yùn)載能力及發(fā)射任務(wù)的成功率，值得引起重視[4]。為執(zhí)行有效載荷、助推器、整流罩等部件的分離任務(wù)，執(zhí)行裝置所需具備的基本能力包括可靠地鎖緊被連接部件、按預(yù)設(shè)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)釋放[4]；要將分離裝置應(yīng)用于低成本的可回收運(yùn)載火箭，還應(yīng)著眼于釋放沖擊可控、便于回收復(fù)用等特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，及發(fā)展根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求調(diào)整裝置現(xiàn)有性能和結(jié)構(gòu)的能力[5]。

在航天領(lǐng)域中，使用最早、最廣泛的分離裝置主要利用火工品作為驅(qū)動(dòng)能量來源，以爆炸產(chǎn)生的沖擊切斷、拉斷或脹破連接部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。然而，火工品的固有特點(diǎn)導(dǎo)致其工作時(shí)沖擊大，因此對(duì)航天器內(nèi)的脆性材料和器件影響較大，歷史上曾多次引起航天器失事等嚴(yán)重事故，而且不可重復(fù)測試和使用[4,6]。隨著航天任務(wù)對(duì)航天器內(nèi)元件的靈敏度要求的不斷提高，發(fā)展非火工裝置以完成分離、彈射等動(dòng)作逐漸成為趨勢，可復(fù)用火箭技術(shù)的快速發(fā)展也對(duì)非火工分離裝置的研發(fā)提出了迫切的需求[7]。以可控、高功率的執(zhí)行裝置代替火工品，即可確保有效載荷獨(dú)立、不受干擾地進(jìn)入軌道并執(zhí)行任務(wù)[8]。此外，以電能為統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)能源發(fā)展各類小型化裝置，也將服務(wù)于新型航天器非火工分離裝置的發(fā)展構(gòu)想，為未來載人飛船、航天站等裝備的設(shè)計(jì)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

本文詳細(xì)描述了一種新型非火工分離裝置的設(shè)計(jì)過程，并對(duì)該裝置的性能參數(shù)和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析；基于該裝置的設(shè)計(jì)和表征工作，本文建立了以能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換為核心的執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)思路和評(píng)價(jià)方法，以連接能力、功率密度、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)為依據(jù)對(duì)各類現(xiàn)有非火工分離裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。文中所提思路適用于高功率、快響應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)工作，在航天器配套執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有一定的普適性。

1 分離裝置設(shè)計(jì)和裝配

在航天任務(wù)中，連接-分離裝置主要用于實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：在發(fā)射和入軌過程中通過螺栓、捆扎等方式為運(yùn)載工具和各類載荷提供足夠強(qiáng)度的可靠連接，及到達(dá)指定位置后按任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)釋放功能。排除火工品的使用，分離時(shí)可利用如固-液相變體積膨脹、低熔點(diǎn)材料受熱熔斷、記憶合金受熱變形、電機(jī)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)釋放裝置等多種方式將連接材斷開，這些種類的裝置都可以實(shí)現(xiàn)低沖擊的解鎖過程，其中記憶合金解鎖分離方案已成功應(yīng)用于微型衛(wèi)星的發(fā)射。總體而言，基于上述各種原理設(shè)計(jì)的分離裝置都可以實(shí)現(xiàn)微沖擊的解鎖過程，但由于其能量輸出能力顯著低于火工分離，因此尚未達(dá)到取代火工分離裝置所需的承載性能指標(biāo)。

業(yè)界對(duì)應(yīng)用于空間運(yùn)載工具的分離裝置所提要求已早有共識(shí)，即在保證可靠、快響應(yīng)、微沖擊前提下提供足夠的承載能力，同時(shí)盡可能地實(shí)現(xiàn)小尺寸和輕質(zhì)量[4]。目前，相關(guān)工作的主要局限性在于設(shè)計(jì)時(shí)僅將其執(zhí)行部分視為孤立系統(tǒng)，而未對(duì)分離裝置整體的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析和有效規(guī)劃，進(jìn)而導(dǎo)致難以對(duì)特定方案的輸出能力進(jìn)行定量預(yù)估、難以在裝置驅(qū)動(dòng)原理方面做實(shí)質(zhì)創(chuàng)新，也不利于各類連接材料性能的充分發(fā)揮。為了促進(jìn)新型非火工分離裝置的開發(fā)和應(yīng)用，可首先對(duì)關(guān)鍵性能或指標(biāo)角度提出要求，然后根據(jù)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的基本原理估算所需能量、根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)。下文即以一種高功率電力驅(qū)動(dòng)分離裝置的設(shè)計(jì)和裝配工作為例對(duì)該思路進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 分離裝置簡化示意圖 a)火工分離；b)螺栓緩釋分離

連接-分離裝置的承載能力由連接件提供，而分離過程可簡要概括為以執(zhí)行器向連接件施加足夠的力或力矩、斷開連接而實(shí)現(xiàn)分離。如果執(zhí)行器以火工能量驅(qū)動(dòng)，由化學(xué)能轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的機(jī)械能足以直接沖斷高強(qiáng)度合金，實(shí)現(xiàn)高承載連接件的瞬時(shí)斷開，如圖1(a)所示；非火工分離裝置以遠(yuǎn)低于火工品的能量觸發(fā)解鎖裝置，對(duì)裝置局部施加能量使其破壞，如圖1(b)所示。無論以火工或非火工能量驅(qū)動(dòng)，分離動(dòng)作的執(zhí)行過程都可由包含連接件和執(zhí)行器兩個(gè)關(guān)鍵要素的模型描述，在這一模型中對(duì)各類解鎖裝置的各類設(shè)計(jì)可統(tǒng)一簡化為對(duì)連接件各向異性的利用?；谀Ｐ?，為促進(jìn)非火工裝置性能提升、同時(shí)盡可能滿足航天應(yīng)用的小型化要求，需發(fā)展的關(guān)鍵能力可歸納為兩個(gè)方面：其一，提供高功率機(jī)械能輸出（力或力矩）的能力；其二，對(duì)連接材料或組件進(jìn)行各向異性設(shè)計(jì)的能力。

航天系統(tǒng)中缺乏動(dòng)能的直接來源和有效存儲(chǔ)手段，分離所需能量來源于儲(chǔ)能裝置提供的化學(xué)能、電能、勢能等，通過與能源相匹配的執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程。限于常規(guī)電能儲(chǔ)存裝置及執(zhí)行器的較低功率密度，傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)方式難以滿足分離裝置的小型化要求，其成功應(yīng)用于航天分離裝置仍有待于高性能電容器技術(shù)的成熟和新型電動(dòng)執(zhí)行器的開發(fā)。本文所述工作主要采用已成熟的勢能存儲(chǔ)技術(shù)，以氣瓶為儲(chǔ)能裝置、氣動(dòng)剪刃為執(zhí)行器裝配原理樣機(jī)驗(yàn)證模型在分離裝置設(shè)計(jì)中的有效性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該原理樣機(jī)展示的分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，具體應(yīng)用時(shí)僅需布置儲(chǔ)能裝置、執(zhí)行器及必要的固定措施，氣動(dòng)剪刃即可以受控方式在短時(shí)間將存儲(chǔ)的勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，切斷連接材料。

圖2 非火工分離裝置原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)

考慮到連接件在不同溫度環(huán)境下的機(jī)械性質(zhì)變化，本工作所制非火工分離裝置也提供以高頻線圈感應(yīng)加熱方式進(jìn)行熱控管理的可選方案，將連接材料局部迅速加熱以降低剪切所需動(dòng)能。該方案僅在航天器穩(wěn)定運(yùn)行后、分離動(dòng)作執(zhí)行時(shí)短暫地導(dǎo)致材料性能變化，而不對(duì)加速過載時(shí)的承載能力造成影響。附加了感應(yīng)線圈的裝置簡化示意見圖2，其能源由40節(jié)碳基電容電池串聯(lián)組成，輸出功率20kW、容量約0.4kWh，總重量約10 kg。由外置電源供能的感應(yīng)線圈于剪切動(dòng)作執(zhí)行前數(shù)秒啟動(dòng)，并在2-3秒內(nèi)將連接材加熱至1000 °C，隨后執(zhí)行剪切。為了進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在樣機(jī)中模擬連接材料經(jīng)加熱和激光測溫后由自動(dòng)送料裝置精確控制剪切位置，而在實(shí)際應(yīng)用中可僅將線圈固定布置于連接件而省去冗雜的附加結(jié)構(gòu)。

圖3 樣機(jī)感應(yīng)線圈布置及運(yùn)行情況

2 分離裝置的性能評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證樣機(jī)的機(jī)械能輸出能力，所述分離裝置樣機(jī)裝配完成后首先以不同直徑的結(jié)構(gòu)鋼棒材為模擬連接件，對(duì)剪切力和時(shí)間分別進(jìn)行了測試。為實(shí)現(xiàn)低成本、簡化設(shè)計(jì)和裝配工作、同時(shí)保證性能評(píng)估結(jié)果的精確性，樣機(jī)所用模擬連接件由均質(zhì)材料制成，對(duì)連接件的各向異性設(shè)計(jì)及其效果可通過理論計(jì)算得出。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該非火工分離裝置對(duì)直徑22 mm模擬連接材的切斷成功率達(dá)100 %，且每次分離動(dòng)作時(shí)長基本相同。設(shè)計(jì)裝置在采用未經(jīng)任何加工強(qiáng)化的普通鋼棒材為連接件時(shí)承載能力即可超過10T，解鎖沖擊約500g，執(zhí)行分離動(dòng)作的全程由高速攝像機(jī)精確記錄。為詳細(xì)分析該連接件的切斷過程，圖4列出了每隔16毫秒裝置的運(yùn)行截圖，并以百分比形式標(biāo)出剪刃行程、分別以紅色和黑色正圓標(biāo)識(shí)剪刃外緣；圖5以時(shí)間為橫坐標(biāo)、分別以剪刃的相對(duì)位移（移動(dòng)距離與剪刃外緣直徑之比）和相對(duì)速率（相對(duì)位移的變化率）為縱坐標(biāo)做曲線。通過對(duì)切斷過程的觀察可知，由于壓縮氣體作用力、連接材料反作用力的共同作用，剪刃在短時(shí)間內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)、做功于連接件，其整體行程表現(xiàn)出明顯的非線性；樣機(jī)剪斷模擬連接件的總時(shí)長不超過176毫秒、剪刃行程81.40 %時(shí)連接件已完全斷開。

圖4 模擬連接件剪斷過程（記時(shí)單位：毫秒）

圖5 分離過程分析

不同于位移測定結(jié)果的高精確性和可重復(fù)性，剪切過程中對(duì)連接件受力的直接測量結(jié)果無法準(zhǔn)確反應(yīng)沖擊力隨時(shí)間變化情況，且單次測試中所得沖擊力最大值相較于多次重復(fù)測試的平均值的浮動(dòng)可接近10%。為了對(duì)分離過程進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析，本工作多次測試并記錄了連接件受力的最大值，通過高斯分布（Gaussian distribution）利用概率值推斷沖擊力的分布參數(shù)，再根據(jù)所得均數(shù)和剪切過程中的加速度變化情況反推出分離過程中沖擊力的實(shí)時(shí)變化情況，計(jì)算過程和結(jié)果分別示于圖6(a)和(b)。隨圖附表中x為根據(jù)高斯方程擬合所得的位置參數(shù)，即最大沖擊力的均數(shù)；為尺度參數(shù)。根據(jù)該結(jié)果，剪刃行程和速率的急劇增大是沖擊力增高的主要原因，由壓縮氣體做功、預(yù)緊力釋放等原因產(chǎn)生的能量隨剪斷進(jìn)程釋放，導(dǎo)致連接件橫向受力的增加。

圖6 連接件受力情況

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在已知剪切件尺寸、材料等條件時(shí)，剪切機(jī)所施加的最大剪力可通過如下公式計(jì)算得出[9]：max=maxmax，式中max為被剪連接件的最大原始斷面面積，通過圓形面積公式確定；max為被剪連接件在剪切溫度下的單位剪切阻力（根據(jù)鋼種依照?qǐng)D表確定）；為考慮磨損、間隙增大等使剪切力提高的系數(shù)，對(duì)本工作所制分離裝置所屬的小型剪切機(jī)取=1.3。連接件強(qiáng)度極限、公稱剪切能力、行程總機(jī)械能（根據(jù)剪切力和行程估算）及功率等表征分離裝置能力的主要指標(biāo)通過計(jì)算得出并列于表中，如表1所示。

表1 分離裝置能力

本工作所制分離裝置以壓縮氣體為能量來源，所用鋼制氣瓶體積約3000 cm3。根據(jù)表1中對(duì)剪切過程的能量和功率估算，分離過程輸出能量密度約0.18 J/cm3、功率密度不足1 W/cm3；即使以低至30 %的能量轉(zhuǎn)換效率反推，該儲(chǔ)能裝置也僅有約0.6 J/cm3的能量密度和3.3 W/cm3的功率密度，這一數(shù)據(jù)不僅遠(yuǎn)低于市售電池、電容器等電能存儲(chǔ)裝置，也低于工業(yè)常用的高壓氣瓶。即使在儲(chǔ)能裝置性能較差的情況下，該樣機(jī)仍以主要工作部分約10 kg的重量實(shí)現(xiàn)了較高的承載能力和快響應(yīng)、低沖擊的分離，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。連接件在分離動(dòng)作執(zhí)行前被加熱至高溫的舉措有效降低了測試時(shí)剪力和裝置的工作功率、在一定程度上起到了降沖擊的作用，但同時(shí)導(dǎo)致了總能耗極大程度的增加（約40 kJ），即需要更大、更重的儲(chǔ)能裝置。無論采用何種材料制備連接件，加熱所需能耗均與升溫幅度成正比，斜率與材料的密度和比熱容直接相關(guān)；據(jù)此推斷，額外設(shè)置加熱裝置的方案適用于高抗拉、低密度、低比熱的連接材料，此外還應(yīng)注意充分利用部分材料在特定溫度區(qū)間的性質(zhì)突變（即相變）。即使在不降低裝置性能的前提下舍棄加熱方案，所需公稱剪切能力177.9 kN、平均功率約22 kW、總能耗僅不足4 kJ，仍屬于小型剪切機(jī)范疇，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開展改進(jìn)工作的可行性仍較高。

如前所述，本工作中非火工分離裝置的原理樣機(jī)測試所用模擬連接件為均質(zhì)，僅以圓柱形棒材和圓弧外緣剪刃完成參數(shù)測試工作。在儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)原理不變的前提下，對(duì)連接件進(jìn)行各向異性設(shè)計(jì)可進(jìn)一步降低分離過程所需的剪切力和功率，以達(dá)到更高程度的小型化和輕量化。具體的方法包括采用抗拉性能突出的材料（如纖維增強(qiáng)合金），通過合理的處理工藝達(dá)到取向強(qiáng)化效果，同時(shí)借鑒廣泛應(yīng)用的斜刃剪、滾切剪、鋸切等軋鋼機(jī)械的設(shè)計(jì)思路，通過合理調(diào)節(jié)參數(shù)以達(dá)到良好的剪切效果。如果以廣泛應(yīng)用的冷軋板為基礎(chǔ)材料制備連接件，估計(jì)其抗拉強(qiáng)度可得到約20 ～ 50 %的提升，同時(shí)保證剪切抗力的增加幅度低于抗拉強(qiáng)度；采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也可取得相近的效果。在與上述連接件匹配的剪刃設(shè)計(jì)中，斜刃剪是最為簡單易行的方案之一。如圖8所示，鋼鐵工業(yè)廣泛應(yīng)用的斜刃剪切機(jī)傾角通常不超過15°，而本工作所涉分離任務(wù)不必考慮鋼板的質(zhì)量問題，可采取較大的剪切角、甚至通過采用弧形剪刃以改變剪切行程，以改善圖6(b)中剪切最后階段沖擊力顯著增高的情況。

圖7 各向異性連接件的剪刃匹配設(shè)計(jì)示例a)線型剪刃；b)弧形剪刃

進(jìn)一步地，為追求更高程度的輕量化和小型化，突破由氣體勢能轉(zhuǎn)化提供分離所需機(jī)械能量方式能量密度、功率密度和效率極限，需對(duì)高功率機(jī)械裝置設(shè)計(jì)技術(shù)和高性能儲(chǔ)能裝置的集成技術(shù)開展攻關(guān)。在各種形式的能量中，電能存儲(chǔ)技術(shù)和裝置相對(duì)成熟，根據(jù)能量形式的不同分為電池、介質(zhì)電容器、超級(jí)電容器三類，如圖6所示。根據(jù)應(yīng)用從其中需求選擇恰當(dāng)?shù)难b置，以受控的方式（即適于目標(biāo)裝置的能量密度和功率密度范圍，如圖7所示）釋放所存儲(chǔ)的能量，完全滿足分離裝置的設(shè)計(jì)需求。在現(xiàn)階段航天分離裝置設(shè)計(jì)工作中，對(duì)電能利用的主要限制在于缺乏以電能為源提供高功率、快響應(yīng)機(jī)械能量的小型直線電機(jī)。短期內(nèi)，將電力儲(chǔ)能應(yīng)用于以直接剪切為原理的分離裝置需借助飛輪等輔助機(jī)械儲(chǔ)能裝置或?qū)憫?yīng)時(shí)間要求做一定程度妥協(xié)；長期來看，針對(duì)新型電機(jī)開展專項(xiàng)研發(fā)工作是高能電驅(qū)裝置取得突破性進(jìn)展的必要條件。

圖8 電能儲(chǔ)存裝置 a)超級(jí)電容器；b)介質(zhì)電容器；c)電池

圖9 各類電能存儲(chǔ)裝置功率密度與能量密度概況

3 結(jié)論

本文所述為一種以剪斷連接件為基本原理的新型非火工分離裝置原理樣機(jī)的裝配，在采用低成本材料和部件的前提下以總重約10kg的主要工作部件（包括氣瓶和氣動(dòng)剪刃）完成了22mm均質(zhì)連接棒材的剪斷，承載能力達(dá)到10T、解鎖沖擊約500g、分離時(shí)間不超過176ms，實(shí)現(xiàn)了高承載、低沖擊、快響應(yīng)的分離過程。通過對(duì)新型非火工分離裝置的裝配過程和性能參數(shù)進(jìn)行分析，本文建立了以能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換為核心的裝置設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，提出了在航天分離裝置發(fā)展的中“提供高功率機(jī)械能輸出能力”和“對(duì)連接材料或組件進(jìn)行各向異性設(shè)計(jì)能力”兩個(gè)關(guān)鍵要素，并指出了非火工分離裝置發(fā)展方向。

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Design and Performance Evaluation of Non-Pyrotechnic Separation Mechanism for Spacecraft

ZHANG Dong REN Dong-hong ZHANG Deng-yu ZHANG Zhi-feng WU Hui-qiang

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing, 100076, China)

In the aerospace field, the mechanisms that perform separation tasks can be divided into two categories,the pyrotechnics and non-pyrotechnics,according to triggering method. among them,the non-pyrotechnic separation mechanisms are the future trends in aerospace separation design, due to their characteristics of controllability ,low impact ,repeatable testing and using,etc, in this paper, a new type of non-fire separation mechanism principle protype was introduced, and details the working principle of the mechanism, and systematically characterizes and analyzes its main performance.

Separation mechanism; Non-pyrotechnic;Spacecraft;Separation design

V417+.4

A

1006-3919(2022)03-0014-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.03.003

2021-08-13；

2022-5-18

科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3801700）;重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（6142911180512）

張東（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（100076）北京9200信箱10分箱13號(hào).