書

火工裝置工作過程性能分析

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ

ｉｎｔｈｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ

黃敏超 編著

國防科技大學(xué)出版社

·長沙·

圖書在版編目（ＣＩＰ）數(shù)據(jù)

火工裝置工作過程性能分析／黃敏超編著 —長沙：國防科技

大學(xué)出版社，２０１６１０

ＩＳＢＮ９７８－７－５６７３－０４５５－０

Ⅰ①火… Ⅱ①黃… Ⅲ①航天器—點火裝置—性能分析

Ⅳ①Ｖ４７

中國版本圖書館 ＣＩＰ數(shù)據(jù)核字（２０１６）第 ２１２１０５號

國防科技大學(xué)出版社出版發(fā)行

電話：（０７３１）８４５７２６４０　郵政編碼：４１００７３

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｆｋｄｃｂｓ．ｃｏｍ

責(zé)任編輯：石少平　　責(zé)任校對：熊立桃

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國防科技大學(xué)印刷廠印裝



開本：８５０×１１６８?。保常病∮垼海椽保怠∽?jǐn)?shù)：１１７千

２０１６年 １０月第 １版第 １次印刷 印數(shù)：１－１５０冊

ＩＳＢＮ９７８－７－５６７３－０４５５－０

定價：１８．００元

內(nèi) 容 簡 介

本書以空間飛行器中火工裝置作為研究對象，建立和闡述了

火工裝置工作過程的理論和模型。主要內(nèi)容包括：將火工裝置的

各個子系統(tǒng)作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體，對其各層次的功能、結(jié)構(gòu)、

聯(lián)系、能量及做功關(guān)系等方面進行了分析；建立火工分離裝置工作

過程性能模型，對航天聚能切割分離裝置工作過程進行分析，對膨

脹管分離裝置工作過程進行分析，對氣體發(fā)生式推進系統(tǒng)點火過

程進行分析；探索火工分離裝置的可靠性設(shè)計方法。上述理論或

模型反映了當(dāng)前火工裝置工作過程的最新研究成果。

本書可作為航天、航空和動力等領(lǐng)域和專業(yè)的師生和科技人

員從事火工裝置工作過程性能分析的教材或參考書。

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前 言

火工品具有能量質(zhì)量比高、體積小、貯存性好、起爆及輸出能

量可控等優(yōu)點，能夠在相當(dāng)短的時間內(nèi)釋放出相當(dāng)大的能量來做

機械功，完成預(yù)定動作，因此被廣泛應(yīng)用于運載火箭、載人飛船、衛(wèi)

星、導(dǎo)彈及航天飛機等各種航天器上。航天、航空和動力系統(tǒng)等應(yīng)

用領(lǐng)域的日益拓展，客觀上要求人們更深入地研究和認(rèn)識火工品

工作特性，而火工裝置工作過程性能分析是這類研究中的一個重

要方向。

本書共分為 ６章：第 １章介紹了火工裝置的研究背景和發(fā)展

概況，第 ２章討論了火工分離裝置及其模型，第 ３章研究了聚能切

割分離裝置工作性能，第 ４章討論了分離板式膨脹管分離裝置工

作性能，第 ５章討論了氣體發(fā)生式推進系統(tǒng)點火過程工作性能，第

６章討論了火工分離裝置的可靠性設(shè)計方法。

本書既是作者長期從事火工裝置工作過程性能分析工作的總

結(jié)，也參考了國內(nèi)外著名書籍和有關(guān)研究生論文的部分內(nèi)容，在此

表示衷心的感謝。此外，由于火工裝置工作過程性能分析是一個

非常復(fù)雜的研究領(lǐng)域，許多工作過程機理仍不明晰，火工裝置工作

過程性能研究仍處于不斷的發(fā)展變化當(dāng)中，本書必然還存在許多

疏漏之處，懇請讀者批評指正。

編著者

２０１６年 １月

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目 錄

第一章 緒 論

１１　火工品研究工作的背景及意義!!!!!!! （ １ ）

１２　國內(nèi)外相關(guān)研究及綜述!!!!!!!!!! （ ３ ）

１３　火工分離裝置性能研究中存在的問題 （ !!!! ６ ）

１４　本書的主要工作!!!!!!!!!!!!! （ ８ ）

第二章 火工分離裝置及其模型

２１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （１０）

２２　火工分離裝置系統(tǒng)組成與工作過程!!!!! （１１）

２２１　概述!!!!!!!!!!!!!!! （１１）

２２２　點火起爆系統(tǒng)!!!!!!!!!!! （１１）

２２３　非電傳爆系統(tǒng)!!!!!!!!!!! （１３）

２２４　終端功能裝置!!!!!!!!!!! （１５）

２２５　能量及做功關(guān)系!!!!!!!!!! （１５）

２３　火工分離裝置性能模型!!!!!!!!!! （１７）

２３１　概述!!!!!!!!!!!!!!! （１７）

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２３２　起爆裝置性能模型!!!!!!!!! （１８）

２３３　爆轟波在不同介質(zhì)中傳播性能模型!! （２５）

２３４　裝藥爆轟控制方程!!!!!!!!! （２９）

２４　軟件仿真算法!!!!!!!!!!!!!! （３２）

２４１　有限元計算方程!!!!!!!!!! （３２）

２４２?。蹋营玻模伲危淋浖惴?!!!!!!!! （３３）

２４３　爆炸模擬的幾種方法!!!!!!!! （３５）

２５　小 結(jié)!!!!!!!!!!!!!!!!! （３５）

第三章 聚能切割分離裝置性能分析

３１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （３７）

３２　結(jié)構(gòu)形狀與材料模型!!!!!!!!!!! （３８）

３２１　結(jié)構(gòu)形狀!!!!!!!!!!!!! （３８）

３２２　材料模型及參數(shù)!!!!!!!!!! （３９）

３２３　單元網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置!!!!!! （４１）

３３　仿真結(jié)果分析!!!!!!!!!!!!!! （４２）

３３１　爆轟波傳遞及射流形狀!!!!!!! （４２）

３３２　鋼板的切割分離過程!!!!!!!! （４３）

３３３　射流分析!!!!!!!!!!!!! （４５）

３３４　鋼板斷裂情況分析!!!!!!!!! （４８）

３３５　能量分析!!!!!!!!!!!!! （４９）

３４　設(shè)計參數(shù)對分離效果的影響!!!!!!!! （５１）

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３４１　藥型罩頂錐角大小對分離的影響!!! （５１）

３４２　藥型罩壁厚對分離的影響!!!!!! （５６）

３４３　其他因素對分離的影響!!!!!!! （６２）

３５　小 結(jié)!!!!!!!!!!!!!!!!! （６４）

第四章 分離板式膨脹管分離裝置性能分析

４１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （６６）

４２　結(jié)構(gòu)形狀及材料模型!!!!!!!!!!! （６７）

４２１　結(jié)構(gòu)形狀!!!!!!!!!!!!! （６７）

４２２　材料模型及參數(shù)!!!!!!!!!! （６８）

４２３　單元網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置!!!!!! （６９）

４３　仿真結(jié)果分析!!!!!!!!!!!!!! （７０）

４３１　爆轟產(chǎn)物的膨脹過程!!!!!!!! （７０）

４３２　金屬管的膨脹與分離板的斷裂!!!! （７３）

４３３　金屬管與分離板性能分析!!!!!! （７５）

４４　設(shè)計參數(shù)對分離效果的影響!!!!!!!! （７９）

４４１　分離板開槽形式對分離的影響!!!! （７９）

４４２　膨脹管長短比對分離的影響!!!!! （８１）

４４３　其他因素對分離的影響!!!!!!! （８５）

４５　小 結(jié)!!!!!!!!!!!!!!!!! （８６）

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第五章 氣體發(fā)生式推進系統(tǒng)點火過程性能分析

５１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （８８）

５２　燃氣發(fā)生劑單元結(jié)構(gòu)設(shè)計!!!!!!!!! （８９）

　　５２１　點火過程!!!!!!!!!!!!! （８９）

　?。氮保勃保病∪細獍l(fā)生劑單元結(jié)構(gòu)!!!!!!!! （８９）

５３　燃氣發(fā)生劑的配方設(shè)計!!!!!!!!!! （９１）

　?。氮保唱保薄∪細獍l(fā)生劑的性質(zhì)!!!!!!!!! （９１）

　　５３２　燃氣發(fā)生劑的品種!!!!!!!!! （９２）

　?。氮保唱保场∪細獍l(fā)生劑的配方設(shè)計要求!!!!! （９３）

　?。氮保唱保础∪細獍l(fā)生劑的熱力計算!!!!!!! （９５）

５４　點火方式研究!!!!!!!!!!!!!! （９９）

　?。氮保椽保薄↑c火技術(shù)!!!!!!!!!!!!! （９９）

　?。氮保椽保病∪細獍l(fā)生劑點火方式的選擇!!!!! （１０２）

５５　點火過程數(shù)值仿真!!!!!!!!!!!! （１０３）

　?。氮保氮保薄〗Y(jié)構(gòu)形狀及材料模型!!!!!!!! （１０３）

　?。氮保氮保病卧W(wǎng)格劃分及求解設(shè)置!!!!!! （１０６）

　?。氮保氮保场》抡嬗嬎憬Y(jié)果!!!!!!!!!!! （１０７）

５６　小 結(jié)!!!!!!!!!!!!!!!!! （１１０）

第六章 火工分離裝置可靠性設(shè)計

６１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （１１２）

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６２　火工分離裝置可靠性設(shè)計方法!!!!!!! （１１３）

　　６２１　可靠性模型建立!!!!!!!!!! （１１３）

　?。丢保勃保病】煽啃灾笜?biāo)分配!!!!!!!!!! （１１４）

　　６２３　可靠性設(shè)計流程!!!!!!!!!! （１１６）

６３　火工分離裝置可靠性設(shè)計技術(shù)及失效分析 （ !! １１８）

　?。丢保唱保薄】煽啃栽O(shè)計技術(shù)!!!!!!!!!! （１１８）

　?。丢保唱保病∈б蛩胤治?!!!!!!!!!! （１２１）

６４　小 結(jié)!!!!!!!!!!!!!!!!! （１２２）

參考文獻 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! （１２４）

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書

第一章 緒 論

１１　火工品研究工作的背景及意義

在航天技術(shù)中，火工裝置［１－４，１３－１４］

是指通過裝有一種小型的，

內(nèi)含少量火藥、炸藥或煙火劑的元件在燃燒或爆炸的作用下，完成

釋放、拋放、切割破碎、驅(qū)動開關(guān)等機械功能的系列復(fù)雜裝置的總

稱，其英文名稱為 Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ。在航天設(shè)計中，還大量使用了由

多個火工元件及火工裝置聯(lián)成一體的、能完成一定功能的火工系

統(tǒng)。所以廣義地講，火工元件、火工裝置和火工系統(tǒng)都可稱之為火

工品。

航天器上使用的火工品大多通過裝藥爆炸釋放出的高溫高壓

氣體和爆轟波來做機械功，從而完成衛(wèi)星釋放、級間和有效載荷分

離，天線和太陽帆板展開，降落傘展開和釋放，艙蓋彈射，液及氣管

道通斷，繩纜切割等功能，它們都要求在很短的時間內(nèi)提供相當(dāng)大

的能量來完成。傳統(tǒng)的彈簧式和電磁式機構(gòu)的能量有限，而且體

積和質(zhì)量都相當(dāng)大，不適合這種應(yīng)用，因此通常都是選用火工裝置

來執(zhí)行。與其他類型的執(zhí)行機構(gòu)相比，采用火工裝置除了體積小、

能量足夠大之外，它還可以通過非電傳爆序列完成一系列同步性

動作?；鸸ぱb置的應(yīng)用范圍很廣，本書主要研究的是航天技術(shù)上

用于連接與分離的火工裝置（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）。

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火工品具有能量質(zhì)量比高、體積小、貯存性好、起爆及輸出能

量可控等優(yōu)點，能夠在相當(dāng)短的時間內(nèi)釋放出相當(dāng)大的能量來做

機械功，完成預(yù)定動作，因此被廣泛應(yīng)用于運載火箭、載人飛船、衛(wèi)

星、導(dǎo)彈及航天飛機等各種航天器上。例如美國“阿特拉斯 －人

馬座”火箭、“土星 Ｖ”號運載火箭的級間分離都是采用火工分離

裝置來完成動作。隨著空間飛行器越來越復(fù)雜，使用的火工品品

種和數(shù)量越來越多，在美國的“水星”號飛船上使用了 ４６件火工

品，“雙子星座”號飛船上使用了 １３９件，“阿波羅”號飛船上使用

了 ３１４件，航天飛機上使用了 ５００多件，我國的返回式衛(wèi)星上使用

了 ４０多件，載人飛船上使用了上百件［１－２］

。

在航天事業(yè)的發(fā)展中，火工裝置發(fā)揮了極其重要的作用，在每

一個航天飛行器上，從發(fā)射到回收的整個過程，火工裝置要完成大

大小小幾項到幾十項、甚至幾百項的各種程序動作或任務(wù)。近年

來，隨著各國在空天領(lǐng)域的競爭日益激烈，世界航天事業(yè)得到了迅

猛發(fā)展，相應(yīng)地推進了火工品技術(shù)的進步，火工裝置的設(shè)計思想、

測試技術(shù)及使用方法得到了飛速發(fā)展和提高［１７，４３，４７－４９］

。各國都

十分重視開發(fā)火工品技術(shù)在航天系統(tǒng)中的應(yīng)用，不斷投入人力財

力，研究小型化、高可靠性的火工裝置，加緊航天技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的

競爭。

在早些時候，由于技術(shù)條件的限制，火工裝置的研制主要是依

靠設(shè)計人員的經(jīng)驗來開展，并在試驗和應(yīng)用中不斷修改和完善。

隨著計算機硬件運算速度的提高，數(shù)值計算方法的發(fā)展，各種有限

元軟件的廣泛應(yīng)用，為火工裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了一條新的途徑。

通過對火工裝置的工作過程進行仿真分析，能減少試驗次數(shù)，縮短

研發(fā)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本，具有十分重要的意義。然而，值得注意

的是，理論研究是基礎(chǔ)，而數(shù)值計算只是一種輔助手段，并不能完

全替代試驗和應(yīng)用?；鸸ぱb置的研制開發(fā)，應(yīng)該基于試驗和應(yīng)用，

結(jié)合理論分析和計算機仿真分析進行輔助設(shè)計，才能具有較高的

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可行性和實際應(yīng)用價值。

１２　國內(nèi)外相關(guān)研究及綜述

２０世紀(jì) ５０年代以來，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美、俄等國在導(dǎo)

彈、火箭、衛(wèi)星及航天飛機上開始使用火工裝置。美國在這方面的

研究與實驗開展比較早，取得了一系列的研究成果，制定了一些基

礎(chǔ)性的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［２，３１－３３］

，例如 ＭＩＬ１２３６５９Ｃ《電起爆器設(shè)

計規(guī)范》、ＭＩＬＳＴＤ１５７６《航天系統(tǒng)用電爆分系統(tǒng)的安全性要求和

試驗方法》、ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８《航天飛行器爆炸系統(tǒng)和裝置》、

ＭＩＬＳＬＤ１３１６Ｄ《引信安全性設(shè)計準(zhǔn)則》等。這些標(biāo)準(zhǔn)對于統(tǒng)一產(chǎn)

品技術(shù)規(guī)范，保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性、安全性提供了重要的參考依

據(jù)。其中 ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８《航天飛行器爆炸系統(tǒng)和裝置》總結(jié)了

以往各種重大型號的研究成果和實踐經(jīng)驗，內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計、

性能要求、試驗和質(zhì)量控制等方面。該專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工程應(yīng)用性強，它

的許多設(shè)計原則、性能控制要求和試驗驗證方法，成為了國際通用

要求。

在一些手冊的制訂上，Ｓｃｈｉｍｍｅｌ和 Ｂｅｍｅｎｔ出版了《火工裝置

設(shè)計、研制和鑒定手冊》［３９］

，該手冊系統(tǒng)地涵蓋了火工裝置從原

理、設(shè)計、試驗到性能評估的各個方面，提出了設(shè)計和研制的工程

方法與程序，突出了驗證性能裕度的重要性，提出了成敗性計數(shù)試

驗和最大最小裝藥量法，推薦了驗證點火能力和能量裕度的試驗

方法，是 一 篇 重 要 的 火 工 裝 置 技 術(shù) 指 導(dǎo) 性 文 獻。此 外，Ｋａｒｌ

ＯＢｒａｕｅｒ主編的《火工裝置手冊》［３４］幾乎涉及了當(dāng)時所有在航空

航天上研制和使用的火工裝置，介紹了大量航天火工裝置的設(shè)計

原理、材料結(jié)構(gòu)、研制情況和使用狀況，提出了一些經(jīng)驗計算公式

和圖表數(shù)據(jù)。

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第一章 緒 論

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俄羅斯對于火工裝置的研究開展得也比較早，在“聯(lián)盟”號宇

宙飛船上大量使用火工裝置，歐、日、印等在這方面的研究也各有

所長。由于保密的原因，這些國家和地區(qū)火工裝置研究公開可查

閱的資料比較少。我國的航天火工裝置的研究大都是在參照美俄

的技術(shù)基礎(chǔ)之上進行的，至今已有四十多年的應(yīng)用歷史，制定了一

些基礎(chǔ)性的標(biāo)準(zhǔn)［１５－１６］

，例如 ＱＪ１０７５Ａ《航天火工裝置通用規(guī)范》、

ＧＪＢ２０３４《航天系統(tǒng)電爆分系統(tǒng)安全要求和試驗方法》、ＧＪＢ３４７－

１９８７《火工品分類和命名規(guī)則》規(guī)定了火工品分類、命名的原理和

方法，ＧＪＢ３７６－１９８７《火工品可靠性評估方法》規(guī)定了評估火工

品可靠性的統(tǒng)一方法及統(tǒng)一的報告格式，適用于有可靠度指標(biāo)的

火工品設(shè)計定型可靠性評估。此外，產(chǎn)品研制各單位也有一些相

應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和經(jīng)驗總結(jié)。

早期的解鎖類分離裝置主要有爆炸螺栓、易碎螺母等，它們結(jié)

構(gòu)簡單，作用可靠且有效，但是產(chǎn)生的分離沖擊相對較大，對安裝

點的精密儀器有較大危害。為避免沖擊過大，提出了“強連接、弱

解鎖”的設(shè)計思路，基于這種思路的分離裝置有鋼球連接式的解

鎖螺栓和楔塊連接式的解鎖螺栓。由于航天火工分離裝置是利用

猛炸藥的爆炸或煙火藥的燃燒產(chǎn)生的高壓氣體做功，不可避免地

會產(chǎn)生爆炸碎片和氣體產(chǎn)物，因此污染控制已經(jīng)成了火工分離裝

置設(shè)計的一個重要指標(biāo)，現(xiàn)在許多分離裝置都采用密封性設(shè)計，或

者在功能裝置外面加上保護罩。例如美國麥道公司于 １９６９年申

請專利的“超級拉鏈”膨脹管分離裝置，不是將導(dǎo)爆索的爆炸能量

直接作用于分離連接件上，而是通過轉(zhuǎn)化為氣體膨脹做功的形式

達到解鎖分離的目的。整個作用系統(tǒng)受力均勻，沖擊載荷低，爆炸

產(chǎn)物始終密封于金屬管內(nèi)，達到了低沖擊、無污染的目的，已在多

種型號空間飛行器中獲得了應(yīng)用。

在性能研究和數(shù)值仿真上，國外的學(xué)者已經(jīng)開展了這方面的

工作。例如 ＫＡＧｏｎｔｈｉｅｒ等分析了 ＮＡＳＡ標(biāo)準(zhǔn)電起爆器驅(qū)動的

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拔銷器的火藥燃燒和活塞運動過程［３５］

，應(yīng)用了熱力學(xué)方法和多相

流理論建立了一組微分方程組，采用 ＬＳＯＤＥ標(biāo)準(zhǔn)程序計算得到壓

力與時間的關(guān)系曲線，壓力計算的數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果基本吻合，同時

對燃速、導(dǎo)熱系數(shù)等參變量進行了敏感度分析；美國航天公司的

ＳＧｏｌｄｓｔｅｉｎ等則采用了 ＭＥＳＡ２Ｄ和 ＤＹＮＡ３Ｄ軟件模擬了拔銷器

和電爆閥門的動力學(xué)過程［３６］

，提供了結(jié)構(gòu)受力和變形的信息。

我國的研究人員在這方面的研究也取得了一定的成果。國防

科技大學(xué)高濱通過研究火工分離裝置的作用機理，建立了火工分

離裝置仿真計算模型和可靠性模型，提出了用于火工分離裝置工

程設(shè)計與分析的基本技術(shù)和方法［２，１３］

，他在經(jīng)典內(nèi)彈道理論基礎(chǔ)

上建立的性能模型方程組能夠較準(zhǔn)確地描述火工分離裝置的輸出

性能，通過對火工分離裝置設(shè)計參數(shù)的敏感度分析，揭示了工程設(shè)

計中影響性能變化的主要因素，并且對火箭整流罩分離裝置以及

一種彈射分離裝置的仿真計算與實測結(jié)果進行一致性分析；北京

宇航系統(tǒng)工程研究所孫瞡、陽志光利用 ＡＮＳＹＳ／ＬＳＤＹＮＡ對膨脹

管分離裝置進行建模計算和仿真分析［６９］

，利用響應(yīng)面法優(yōu)化算法

的原理，借助于 Ｍａｔｌａｂ中的線性規(guī)劃函數(shù)，以系統(tǒng)分離可靠性為

目標(biāo)進行了優(yōu)化設(shè)計；北京工業(yè)大學(xué)陽志光對航天運載器線式火

工分離裝置的材料動態(tài)性能、保護罩結(jié)構(gòu)動態(tài)失效機理、分離結(jié)構(gòu)

的動態(tài)斷裂、數(shù)值計算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法等方面開展了探

索性研究［６８］

；北京工業(yè)大學(xué)陳敏等人借助于非線性有限元程序

ＡＮＳＹＳ／ＬＳＤＹＮＡ中的 ＡＬＥ算法，對宇航線式火工分離裝置在條

形凝聚態(tài)炸藥接觸爆炸荷載作用下的非線性動態(tài)響應(yīng)過程進行了

數(shù)值模擬［６７］

，描述了爆轟物質(zhì)的流動以及金屬圓柱殼的破口形

狀、塑性區(qū)域隨時間增加的變化情況，得出了沖擊加速度與爆炸中

心距離為近似線性關(guān)系的結(jié)論；北京強度環(huán)境研究所吳艷紅等人

采用 ＬＳＤＹＮＡ模擬剪切式爆炸螺栓中炸藥爆炸沖擊波對爆炸螺

栓盒中的沖擊破壞作用［１９］

，校核盒的動強度，計算結(jié)果表明，盒蓋

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第一章 緒 論

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變形、破壞形式、壓力峰值和脈寬都與試驗結(jié)果吻合較好，根據(jù)對

計算結(jié)果的分析，提出爆炸螺栓盒的三種改進辦法，并通過分析計

算確定了最佳方案。

１３　火工分離裝置性能研究中存在的問題

火工分離裝置具有特定的使用環(huán)境和條件，功能性比較強，同

種類型的火工裝置，在不同型號和不同用途上，其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計

參數(shù)也存在差異。此外，由于作用過程的瞬時性和一次性，使得對

它的工作過程和性能分析存在較大的難度。而火工分離裝置長期

以來主要采用的是經(jīng)驗設(shè)計 －試驗獲取數(shù)據(jù) －修改設(shè)計 －再試驗

的研制模式。仿真方法作為一種研究手段，能夠較好地模擬火工

分離裝置的工作過程，并可通過后處理器直觀地觀察結(jié)構(gòu)的分離

情況，獲取瞬時速度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等信息。本書首先從理論上

闡述和分析了火工分離裝置的系統(tǒng)組成和作用機理，然后利用有

限元動力分析軟件，對火工分離裝置的工作過程進行仿真，并與已

有可查閱的試驗數(shù)據(jù)和參考文獻上的結(jié)論進行對比研究。

然而從理論到工程技術(shù)的應(yīng)用是有一定難度的，需要尋找一

個合適的“橋梁”來把兩者連接起來，才能從“此岸”到達“彼岸”，

對于火工分離裝置工作過程的性能研究也是如此，存在的技術(shù)難

題主要有：

（１）航天火工分離裝置爆炸分離過程數(shù)值計算不僅涉及到很

多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，部分基礎(chǔ)理論還沒有達到工程應(yīng)用水平，而且爆

炸分離過程是一個高度非線性過程，其仿真分析模型需要的參數(shù)

非常缺乏試驗數(shù)據(jù)支撐。

（２）作為一個整體，終端功能裝置、起爆系統(tǒng)、傳爆序列構(gòu)成

火工分離裝置不可分割的三個部分，需要將它們聯(lián)系起來進行研

·６·

火工裝置工作過程性能分析

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究，既要從整體上研究火工分離裝置的工作性能，也要有所區(qū)分，

突出重點。

（３）火工分離裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要想建立起完整的仿真模型比

較困難。在建模過程中，需要抓住重點建立簡化模型，既能充分體

現(xiàn)其性能特點、獲得接近真實的仿真結(jié)論，又不保證研究結(jié)果不會

出現(xiàn)大的偏差。

（４）在使用有限元軟件對分離過程進行仿真時，由于涉及到

的材料種類多，且爆炸使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形導(dǎo)致單元畸變，需要將任

意拉格朗日 －歐拉方法（ＡＬＥ）和拉格朗日方法、歐拉方法相結(jié)合

使用，這三種方法各有所長，如何在具體問題中設(shè)計和運用合適的

方法，需要一定的技巧和經(jīng)驗。

（５）材料模型的選擇和材料參數(shù)的準(zhǔn)確度直接影響仿真結(jié)果

的可信度，錯誤的材料模型和不準(zhǔn)確的材料參數(shù)可能導(dǎo)致錯誤的

結(jié)論。完整的材料參數(shù)包括物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)方程參數(shù)

等，通常不容易全部獲得，因此仿真結(jié)果需要通過與試驗結(jié)論和文

獻資料進行對比以進行校正。

（６）仿真參數(shù)的設(shè)置對結(jié)果存在影響，有的算法對仿真參數(shù)

比較敏感，不正確的參數(shù)設(shè)置將導(dǎo)致仿真結(jié)果與現(xiàn)有結(jié)論和試驗

數(shù)據(jù)存在較大偏差，需要不斷調(diào)試和修改，使仿真結(jié)果接近真實

情況。

（７）目前航天火工分離裝置研制中缺乏成熟和可靠的參數(shù)統(tǒng)

計方法和分離可靠性評估方法，其原因是火工分離裝置可靠性要

求高，利用成敗型可靠性試驗成本太高，不具備現(xiàn)實性，因此這方

面的研究意義重大。

上述問題涉及的范圍和領(lǐng)域較廣，前人曾經(jīng)做過一些研究，取

得了一些成果。本書對這 ７個方面均有涉及，對火工分離裝置的

工作過程進行了仿真，對它的工作性能進行了分析，對設(shè)計參數(shù)進

行了優(yōu)化，對系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法提出了一些改進和創(chuàng)新。

·７·

第一章 緒 論

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１４　本書的主要工作

針對上節(jié)提出的問題，本書主要完成了以下幾項工作：

（１）將火工分離裝置作為一個系統(tǒng)來進行研究。對起爆機

理、傳爆規(guī)律、爆轟過程、以及具體終端功能裝置的工作性能都進

行了研究，注重各個環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，側(cè)重于對具體功能裝置工作

過程的仿真。建立起了起爆、傳爆的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了相關(guān)公式，

編寫了計算程序。通過理論研究，更好地描述了火工分離裝置作

為一個整體其性能特征，使得研究的思路更加清晰。

（２）綜合運用了三種仿真算法對火工分離裝置的工作過程進

行了數(shù)值模擬：①拉格朗日方法，網(wǎng)格隨物質(zhì)流動，可得到清晰的

物質(zhì)界面，便于觀察變形和流動情況，然而不適宜處理大變形物

質(zhì)；②歐拉方法，網(wǎng)格不動，物質(zhì)在網(wǎng)格里流動，適宜于處理流體變

形問題，缺點是物質(zhì)界面不便觀察；③ＡＬＥ方法，對炸藥及其他流

體材料采用歐拉算法，對其余結(jié)構(gòu)采用歐拉算法，其優(yōu)點是炸藥和

流體材料在歐拉單元流動，不存在單元的畸變問題，并通過流固耦

合方式來處理相互作用，能方便地建立起爆炸模型。

（３）選擇了聚能切割分離裝置和膨脹管分離裝置兩種典型的

火工分離裝置作為研究對象，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)形式和功能特點，選

擇了合適的材料模型、狀態(tài)方程，獲取和設(shè)置了較為正確的材料參

數(shù)、仿真參數(shù)，建立起了它們的有限元模型。對它們的工作過程進

行了仿真，通過對仿真結(jié)果進行分析，不但可以直觀地觀察到火工

分離裝置工作性能的好壞，還能定量地獲取一些性能數(shù)據(jù)，為火工

分離裝置的設(shè)計提供了一種便捷的檢驗和優(yōu)化手段。

（４）改變上述火工分離裝置的設(shè)計參數(shù)進行仿真分析，比較

不同結(jié)構(gòu)或材料下的終端分離裝置的性能差異，得到了諸如結(jié)構(gòu)

·８·

火工裝置工作過程性能分析

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形狀、尺寸、材料、裝藥等因素對分離效果的影響，并與已有試驗數(shù)

據(jù)進行對比。通過比較，得到對分離有利的設(shè)計參數(shù)，從而達到通

過仿真進行輔助優(yōu)化設(shè)計的目的。

（５）以燃氣發(fā)生劑單元作為研究對象，對其點火過程進行了

數(shù)值模擬。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和功能特點，選擇了合適的材料模型、

狀態(tài)方程，設(shè)置了較為正確的材料參數(shù)、仿真參數(shù)，建立起了它們

的有限元模型；對燃氣發(fā)生劑單元的點火過程進行了數(shù)值仿真。

（６）對火工分離裝置的可靠性設(shè)計進行了探索。研究了可靠

性模型建立、失效分析、可靠性指標(biāo)分配、可靠性設(shè)計方法、技術(shù)、

流程等問題。

由于火工分離裝置設(shè)計技術(shù)的復(fù)雜性和實踐性，上述研究還

僅僅是初步的，有待結(jié)合工程實際開展更深入的研究。

·９·

第一章 緒 論

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第二章 火工分離裝置

　　及其模型

２１　引 言

火工分離裝置盡管形式各異，其作用機理卻大致相似，主要是

通過炸藥的爆轟作用，將炸藥蘊含的化學(xué)能釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)

的機械能或其他形式的能量，完成破碎、切割、推沖等功能，從而達

到分離的目的。它不是孤立的一個元件。從裝藥的起爆開始，到

爆轟波的傳遞、衰減、終端功能裝置的做功、爆炸產(chǎn)生的沖擊、碎片

對結(jié)構(gòu)的影響等都屬于本書的研究范疇。因此要將火工分離裝置

工作過程作為一個整體來分析，才能更好地掌握它的作用機理、工

作性能和設(shè)計方法。

本章首先將對火工分離裝置的系統(tǒng)組成作一個概述，闡述了

各個子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和作用原理，分析了火工分離裝置工作過

程中能量轉(zhuǎn)換和做功之間的關(guān)系；然后，對各個子系統(tǒng)建立了相應(yīng)

的性能模型，包括點火與起爆、沖擊波的傳遞與衰減、裝藥的爆轟

等過程，建立了上述過程的控制方程，探討了計算方法和程序。本

章最后介紹了 ＡＬＥ算法的原理，以及爆炸模擬的三種方法各自的

特點。

本章既是全書的理論部分，兼有部分仿真和計算，也是后面部

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分內(nèi)容對終端功能裝置工作過程進行仿真的理論基礎(chǔ)。

２２　火工分離裝置系統(tǒng)組成與工作過程

２２１　概述

美軍標(biāo) ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８、美國宇航局 ＮＡＳＡ和 ＩＳＯ１４３０３對

火工系統(tǒng)的組成層次均有較為全面的定義，將起爆系統(tǒng)、傳爆序列

和終端功能裝置列為火工分離裝置的基本組成［２，３３］

。此外，在火

工分離裝置的作用過程中，它以爆炸沖擊、震動等方式對周圍環(huán)境

產(chǎn)生影響，并向周圍環(huán)境溢出氣體和碎片，而周圍環(huán)境的電磁輻

射、雜散電流、意外撞擊等因素也影響著火工分離裝置的工作。因

此，可將火工分離裝置的組成分為以下層次：起爆（點火）系統(tǒng)、非

電傳爆系統(tǒng)、終端功能裝置、與外部環(huán)境結(jié)構(gòu)的相互作用［１－３］

，如

圖 ２１所示。

２２２　點火起爆系統(tǒng)

點火起爆系統(tǒng)包括點火能源、起爆器、指令控制、電子安保、檢

測裝置等。其中起爆器是點火起爆系統(tǒng)的核心，它是通過將電能

轉(zhuǎn)化為電熱橋絲的熱能或者激光的光能，點燃引爆藥或直接起爆

主裝藥，從而獲得爆轟輸入的裝置。

起爆器是火工分離裝置中使用最為廣泛的首發(fā)火工品，當(dāng)前

使用的大多為電起爆器，它是通過電流的輸入使裝藥發(fā)火，并以

熱、壓力及沖擊波等形式轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或動能的元件，根據(jù)電能引

爆藥劑的方式不同可分為橋絲式、火花式和間隙式，最為常用的是

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第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２１　火工分離裝置系統(tǒng)組成圖

圖 ２２　電起爆器與激光起爆器結(jié)構(gòu)簡圖

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火工裝置工作過程性能分析

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橋絲式電起爆器，它通常由外殼、金屬腳、電極塞、橋絲和裝藥組

成。圖 ２２（ａ）為 ＮＡＳＡ標(biāo)準(zhǔn)起爆器示意圖，它采用了不銹鋼殼

體，為了提高插座的氣密性和耐壓能力，兩根插針與外殼封接為一

體；圖 ２２（ｂ）為激光起爆器示意圖，它采用激光二極管作為激光

源，利用密封的光纖腳來傳遞能量，光纖腳接頭直接與裝藥接觸。

由于激光二極管功率較小，不能直接引爆猛炸藥，因此采用了

ＤＤＴ點火藥來實現(xiàn)爆燃轉(zhuǎn)爆轟，再通過輸出裝藥將爆轟波傳遞

出去。

２２３　非電傳爆系統(tǒng)

非電傳爆系統(tǒng)是指通過使用岐管、導(dǎo)爆索等中間裝置將起爆

器和終端火工裝置連接起來而組成的一類火工系統(tǒng)，它一般由鈍

感起爆器、傳爆元件、隔板起爆器等組成，能完成電起爆分系統(tǒng)所

能完成的起爆、傳爆等功能。它具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、可

靠性高、安全性高、組裝簡單、應(yīng)用靈活等優(yōu)點。此外，使用非電傳

爆系統(tǒng)能極大地減少電起爆裝置的數(shù)量，減小了受到電磁射頻干

擾而誤發(fā)火的可能性，極大地提高了火工分離裝置的安全水平。

這樣，它不但減輕了電源負(fù)擔(dān)及結(jié)構(gòu)重量，還能做到多個火工分離

裝置的同步起爆。

典型的非電傳爆系統(tǒng)［１］

結(jié)構(gòu)如圖 ２３所示，它主要由 ３部分

組成：（１）首發(fā)元件，如鈍感電起爆器、激光起爆器等；（２）傳爆元

件，如岐管、限制性導(dǎo)爆索（ＣＤＦ）等；（３）終端元件，如隔板起爆

器等。

隔板起爆器是一種常用的輸出終端，它是通過金屬隔板來傳

遞沖擊波能量的火工品。通過隔板起爆器，來完成各種終端功能

裝置的點火起爆。隔板起爆器主要由施主裝藥、受主裝藥和帶有

隔板的殼體組成。如圖 ２４所示。

· ３１·

第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２３　非電傳爆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 ２４　隔板起爆器結(jié)構(gòu)簡圖

當(dāng)金屬隔板一側(cè)的施主裝藥收到非電傳爆系統(tǒng)傳來的爆轟信

號后，施主裝藥爆炸，所產(chǎn)生的爆轟波透過金屬隔板，并產(chǎn)生衰減，

引爆另一側(cè)的受主裝藥，再通過內(nèi)部傳火傳爆系統(tǒng)來完成終端功

能裝置的點火起爆，沖擊波的衰減程度與隔板材料和隔板厚度有

關(guān)，隔板越厚，對沖擊波的衰減越大，受主裝藥越不容易被引爆；反

之，隔板越薄，對沖擊波的衰減越小，受主裝藥越容易被引爆。隔

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板起爆器的主要特點是能長時間耐高溫高壓而不穿孔，具有極好

的密封性能，能夠防止氣體的泄漏。它還具有便于檢查、更換，不

受靜電射頻影響的優(yōu)點。

２２４　終端功能裝置

終端功能裝置是通過裝藥的爆轟或燃燒，將裝藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)

換為機械功、熱能或者其他形式的能量，從而完成預(yù)定的動作，終

端功能裝置是火工分離裝置的主要部件，它通常是與非電傳爆系

統(tǒng)聯(lián)接在一起的。

終端功能裝置的工作方式有兩種，一種是密閉的容腔內(nèi)裝火

藥或煙火劑，火藥在點火后燃燒，容腔內(nèi)壓力升高，產(chǎn)生的大量氣

體推動活塞或者剪斷低強度銷釘，從而完成解鎖、拔銷、推沖的動

作。這類火工分離裝置主要有拔銷器、推沖器、解鎖螺栓等；另一

種終端功能裝置是裝有猛炸藥，利用炸藥起爆后的爆轟波和高溫

高壓氣體做功，瞬間炸斷外殼結(jié)構(gòu)處的薄弱環(huán)節(jié)，例如爆炸螺栓，

或者是利用炸藥的聚能穿甲效應(yīng)來切割結(jié)構(gòu)，例如聚能切割索等，

這種爆炸做功的火工分離裝置是本書仿真研究的主要對象。圖

２５是爆炸螺栓和膨脹管分離裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。

２２５　能量及做功關(guān)系

火工分離裝置的工作過程是一個伴隨著能量轉(zhuǎn)換和做功的過

程。首先將輸入能量（如電能）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖鸨鳂蚪z的熱能或者

激光起爆器二極管的光能，通過熱作用（或光化學(xué)作用）使起爆器

裝藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且將能量以爆轟或燃燒的形式輸出，非電傳

爆系統(tǒng)用于將爆轟傳遞到終端功能裝置，爆轟波在通過隔板起爆

器時會有一個衰減效應(yīng)，最終起爆終端功能裝置內(nèi)的主裝藥，使之

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第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２５　分離板式膨脹管和爆炸螺栓結(jié)構(gòu)簡圖

發(fā)生爆轟或爆燃，產(chǎn)生沖擊波和高溫高壓氣體，完成破碎、切割、推

沖、拔銷等預(yù)定動作，并以機械能和爆炸沖擊等形式與外界環(huán)境發(fā)

生關(guān)系，對周圍的設(shè)備器材產(chǎn)生影響?；鸸し蛛x裝置工作過程中

的能量及做功關(guān)系如圖 ２６所示。

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圖 ２６　火工分離裝置能量及做功關(guān)系

２３　火工分離裝置性能模型

２３１　概述

火工分離裝置的工作過程是一個高度非線性的瞬態(tài)動力過

程，壓力和溫度等參量急劇變化，分離過程通常用流體動力學(xué)和彈

塑性動力學(xué)模型來描述，涉及三重非線性，即材料大變形產(chǎn)生的幾

何非線性，材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的物理非線性，以及界面上發(fā)生滑

動、摩擦和分離的接觸非線性，涉及的理論包括燃燒與爆轟理論、

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈塑性理論、塑性動力學(xué)、流體動力學(xué)、斷裂力學(xué)、爆

炸力學(xué)、流 －固耦合、統(tǒng)計與可靠性、材料與炸藥等領(lǐng)域。要想全

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面地對這些過程建立數(shù)學(xué)模型并進行分析是非常困難的，因為當(dāng)

中一些過程難以單純地用解析的辦法進行描述，并且一些公式的

準(zhǔn)確性和參數(shù)的設(shè)置直接影響到數(shù)值模擬的準(zhǔn)確與否。

為了解決這些問題，本節(jié)從火工分離裝置的幾個層次出發(fā)，采

取了一些簡化和假設(shè)，建立起了裝藥的點火起爆模型、爆轟波在不

同介質(zhì)中的傳播模型，以及裝藥爆轟的控制方程，同時做了一些計

算分析。

２３２　起爆裝置性能模型

２３２１　電熱橋絲起爆［１２，２３］

先來研究經(jīng)典的熱傳導(dǎo)問題。在定壓比熱容為 ｃ，密度為 ρ，熱

傳導(dǎo)系數(shù) λ是常數(shù)時，物體內(nèi)沒有熱源的情況下，熱傳導(dǎo)方程為

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ （２－１）

當(dāng)存在熱源時，則等式右邊還要加上熱源項 Ｑ，其物理意義是

單位時間、單位體積內(nèi)釋放的熱量?？梢缘玫揭韵碌臒岜ǚ匠蹋?/p>

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ＋ＱΛ

ｔ （２－２）

其中 Ｑ為含能材料單位體積內(nèi)的分解反應(yīng)熱，Λ為含能材料

已經(jīng)反應(yīng)掉的百分?jǐn)?shù)。式（２－２）的物理意義為：左邊是單位體積炸

藥在單位時間內(nèi)升溫所需要的熱量，右邊第一項為由熱傳導(dǎo)流入或

流出的熱量，第二項為單位體積、單位時間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量。

式（２－２）中化學(xué)反應(yīng)速率可寫為

Λ

ｔ＝ｋ０ｅ－Ｅ

ＲＴφ（Λ） （２－３）

其中 ｋ０為指前常數(shù)，Ｒ為氣體常數(shù)，Ｅ為炸藥活化能，φ（Λ）表示

在等溫條件下反應(yīng)發(fā)生的規(guī)律。當(dāng) φ（Λ）＝１時為零級反應(yīng)，當(dāng) φ

· ８１·

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（Λ）＝（１－λ）ｍ 為 ｍ級反應(yīng)，當(dāng) φ（Λ）＝（Λ＋Λ０）（１－Λ）為一級

自催化反應(yīng)，其中 Λ０為臨界自催化反應(yīng)率（初始反應(yīng)速度和自催

化反應(yīng)常數(shù)之比）。

電熱橋絲的起爆屬于熱起爆范疇，當(dāng)電流通入電起爆器后，在

橋絲上按照焦耳 －楞次定律產(chǎn)生熱能，橋絲升溫，熱量傳給藥劑，

使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。炸藥化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量使藥劑繼續(xù)升溫，

加速反應(yīng)直至自動發(fā)火。根據(jù)熱起爆原理，可推導(dǎo)出電熱橋絲起

爆的方程：

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ＋Ｐ（ｔ）＋ρＱＡｅ－Ｅ

ＲＴω （２－４）

式中 Ｐ（ｔ）為輸入的電功率，Ａ為頻率因子，ω為藥劑的反應(yīng)分?jǐn)?shù)，

其余參數(shù)含義同熱起爆方程。

假設(shè)電起爆器采用的電源為恒定電流，則輸入的電功率 Ｐ（ｔ）為

Ｐ（ｔ）＝Ｉ２

Ｒ０（１＋αＴ） （２－５）

其中 Ｉ為通入電流，Ｒ０ 為環(huán)境溫度下橋絲電阻，α為橋絲溫度系

數(shù)，Ｔ為橋絲溫度。

當(dāng)電起爆器采用電容器放電起爆時，由于電容器放電時，隨著

放電時間增長而電流逐漸減小。設(shè)電容器電容為 Ｃ，充電電壓為

Ｕ０，則有：

Ｕ（ｔ）＝Ｕ０ｅ－ ｔ

Ｒ０Ｃ （２－６）

Ｉ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）

Ｒ０

ｅ－ ｔ

Ｒ０Ｃ （２－７）

Ｐ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）２

Ｒ０ （２－８）

２３２２　激光起爆性能［２４－２６，４０］

激光起爆以光纖來傳輸激光能量，由于光纖本身是絕緣體，因

此可以實現(xiàn)炸藥和電源裝置的有效隔離及鈍感點火，它的抗干擾

能力強，不受靜電、射頻等影響，且安全性高、貯存壽命長、效費比

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高，是一種新型的起爆方式。

可以根據(jù)熱起爆的方程加上藥劑吸收的激光光能來推導(dǎo)出激

光起爆的方程。按照激光起爆炸藥的熱機理，激光照射到炸藥上

以后，一部分被反射，一部分通過藥層透射，剩余部分被一定深度

的藥層吸收而轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生熱擊穿或形成熱點引爆炸藥。

根據(jù)能量守恒定律有：Ｅ＝Ｅ反 ＋Ｅ吸 ＋Ｅ透。由于實驗用火工品藥

劑均不透明，透射光亦被吸收，即 Ｅ透 ＝０，則有：反射比 ＋吸收比 ＝１。

激光在炸藥內(nèi)部傳播過程中，激光強度按指數(shù)規(guī)律衰減，激光

入射到距表面 ｘ處的激光強度為：

（１－ｆ）βＩ０ｅ－βｘ （２－９）

式中，Ｉ０為入射激光功率密度（Ｗ·ｍ－２）；β為炸藥對激光的吸收

系數(shù)（ｍ－１）；ｆ為藥劑的激光反射率。一般說來，炸藥對激光的吸

收系數(shù)，取決于炸藥的種類和激光的波長。

綜合可得出激光起爆的基本方程為：

ρｃＴ

ｔ＝Ｋ

２

Ｔ

ｘ２ ＋（１－ｆ）βＩ０ｅ－βｘ＋ρＱＡｅ－Ｅ／ＲＴ （２－１０）

式中右邊第二項為炸藥微元吸收的光能。

初始條件為

Ｔ（ｘ，ｔ）ｔ＝０＝Ｔ０ （２－１１）

其中 Ｔ０為藥劑初始溫度。

若吸收系數(shù)足夠大，可簡化為表面吸收，則激光照射區(qū)域沿法

線方向的溫度梯度為：

－λＴ

ｘｘ＝０

＝（１－ｆ）Ｉ０ （２－１２）

此式也是激光起爆的邊界條件。

通過對 Ｂ／ＫＮＯ３／酚醛樹脂藥劑（３８％Ｂ＋５７％ＫＮＯ３ ＋５％酚

醛樹脂）的激光起爆過程進行數(shù)值仿真來研究激光起爆的特性。

在數(shù)值模擬過程中所用到的參數(shù)見表 ２１。

· ０２·

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表 ２１　激光起爆數(shù)值模擬參數(shù)

ρ（ｋｇ·ｍ－３） ｃ（Ｊｋｇ－１·Ｋ－１） β（ｍ－１） Ｅ（Ｊ·ｍｏｌ－１） Ｔ０（Ｋ）

１４６８ １０２３ １２×１０５ ６９６×１０４ ２９３

ｆ Ｋ（Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１） Ａ（ｓ－１） Ｑ（Ｊ·ｋｇ－１） Ｒ（Ｊ·Ｋ－１·ｍｏｌ－１）

０１４ ２４４５ ３×１０１０ ７７３２×１０６ ８３１４

仿真結(jié)果如圖 ２７所示。

· １２·

第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２７　入射激光與藥劑的特性對起爆的影響

　　圖 ２７（ａ）表示入射激光能量水平越高，藥劑表面溫度上升得

越快，點火延遲時間越短。當(dāng)入射激光能量低于某一值時，點火便

不能發(fā) 生。當(dāng) 給 出 的 激 光 脈 沖 寬 度 為 １２００μｓ、光 束 半 徑 為

０５８ｍｍ、藥劑的激光吸收系數(shù)為 １２×１０５

ｍ－１時，能使點火發(fā)生

的入射激光能量水平的臨界值約為 １１４ｍＪ。

圖 ２７（ｂ）表示入射激光脈沖寬度增加，藥劑表面溫度上升得

· ２２·

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越慢，點火延遲時間變長。當(dāng)入射激光脈沖寬度大于某一值時，點

火便不能發(fā)生。當(dāng)入射激光能量水平為 １８ｍＪ、激光吸收系數(shù)為

１２×１０５

ｍ－１、光束半徑為 ０５８ｍｍ的條件下，能使點火發(fā)生的入

射激光脈沖寬度的臨界值約為 １９００μｓ。

圖 ２７（ｃ）表示入射激光光束半徑增加，藥劑表面溫度上升變

慢，點火延遲時間變長。當(dāng)入射激光光束半徑大于某一值時，點火

便不能發(fā)生。當(dāng)入射激光能量水平為 ３０ｍＪ、脈沖寬度為 １２００μｓ、

藥劑的激光吸收系數(shù)為 １２×１０５

ｍ－１條件下，能使點火發(fā)生的入

射激光能量光束半徑的臨界值約為 ０９４ｍｍ。

圖 ２７（ｄ）表示藥劑的激光吸收系數(shù)降低，藥劑表面溫度上升

變慢，點火延遲時間變長。當(dāng)激光吸收系數(shù)低于某一值時，點火便

不能發(fā)生。當(dāng)給出的入射激光能量水平為 １８ｍＪ、脈沖寬度為

１２００μｓ、光束半徑為 ０５８ｍｍ條件下，能使點火發(fā)生的藥劑的激光

吸收系數(shù)的臨界值約為 ０６×１０３

ｍ－１。

圖 ２８所示為激光脈沖寬度分別為 ６００μｓ、１２００μｓ、１８００μｓ

時，激光光束半徑與點火功率閾值曲線。

點火功率閾值 ＝臨界點火能量

激光脈沖寬度

由圖 ２８可以看出，點火功率閾值隨激光光束半徑的增大而

增大，但隨著激光脈沖寬度的增大而減小。表 ２２列出了在相應(yīng)

光束半徑和激光脈寬下的點火功率閾值。

· ３２·

第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２８　激光脈寬、光束半徑與點火功率閾值的關(guān)系

表 ２２　不同激光光束半徑、不同脈沖寬度下點火功率閾值

ｍｋ

Ｐ

ｒ

６００ １２００ １８００

０５ ８３３３３ ７５０００ ７２２２２

０６ １１６６６７ １０８３３３ １０５５５６

０７ １５００００ １４１６６７ １３８８８９

　　注：ｍｋ為入射激光脈沖寬度（μｓ）；Ｐ為點火功率閾值（Ｗ）；ｒ為光束半

徑（ｍｍ）

· ４２·

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綜上所述，入射激光能量水平、激光光束半徑、激光脈沖寬度、

激光吸收系數(shù)是影響藥劑點火延遲時間的主要因素。其中，入射

激光能量水平越高，點火延遲時間越短；激光光束半徑越小，點火

延遲時間越短；點火延遲時間隨脈沖寬度的增大而增大，隨激光吸

收系數(shù)的增大而減小。此外，對于同一種藥劑，在一定激光脈沖寬

度下，藥劑起爆所需的臨界能量密度是一定的。

２３３　爆轟波在不同介質(zhì)中傳播性能模型

爆轟波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律如圖 ２９所示。

圖 ２９　爆轟波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律

根據(jù)爆轟理論，爆轟產(chǎn)物在傳播時，在介質(zhì)中產(chǎn)生爆炸沖擊

波，同時在爆轟產(chǎn)物中反射壓縮波，或者反射稀疏波。這種反射波

的性質(zhì)取決于炸藥及介質(zhì)的物理特性。設(shè)炸藥的初始密度為 ρ，

空氣中爆速為 Ｄ，介質(zhì)的原始密度為 ρｍ，介質(zhì)中沖擊波傳播速度

為 Ｄｍ。如果炸藥的沖擊阻抗 ρＤ小于介質(zhì)的沖擊阻抗 ρｍＤｍ，則反

射時界面上的壓力 ｐｘ高于爆轟波的 Ｃ－Ｊ壓力 ｐＨ，反射中的產(chǎn)物

為沖擊波；如果炸藥的沖擊阻抗 ρＤ大于介質(zhì)的沖擊阻抗 ρｍＤｍ，則

· ５２·

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反射時界面上的壓力 ｐｘ低于 ｐＨ，反射中的產(chǎn)物為稀疏波。如果兩

者沖擊阻抗相等，則界面處不發(fā)生反射現(xiàn)象，入射波強度不變地傳

入介質(zhì)中去。這就是沖擊波在介質(zhì)中傳播的界面效應(yīng)［１，３，１０－１２］

。

２３３１　隔板入射沖擊波的計算［１０－１２，２８］

設(shè)爆轟波的爆壓、密度、質(zhì)點速度和聲速分別為 ｐＨ、ρＨ、ｕＨ 和

ｃＨ。根據(jù)爆轟理論，有：

ｐＨ ＝ １

γ＋１ρＤ２

，ρＨ ＝γ＋１

γ ρ，ｕＨ ＝ １

γ＋１Ｄ，ｃＨ ＝ γ

γ＋１Ｄ

（２－１３）

施主炸藥爆轟后產(chǎn)生爆轟波作用于隔板，在隔板中透射沖擊

波，對于航天隔板起爆器，一般采用金屬隔板，隔板的沖擊阻抗大

于施主裝藥的沖擊阻抗，在爆轟產(chǎn)物中反射壓縮波。由于反射回

產(chǎn)物中的波為一沖擊波，而反射波傳過后使得產(chǎn)物的質(zhì)點速度由

ｕ＝ｕＨ 減低為分界面的運動速度 ｕｘ，即反射波傳過后產(chǎn)物也獲得

一個附加速度 ｕｒ，這一速度等于 ｕｘ與 ｕＨ 之差，即

ｕｒ＝ｕｘ－ｕＨ ＝－槡（ｐｘ－ｐＨ）（ｖＨ －ｖｘ） （２－１４）

式中 ｖＨ ＝１

ρＨ

，ｖｘ＝１

ρｘ

為比體積。

利用爆轟產(chǎn)物的多方方程 ｐ＝Ａργ（γ為等熵指數(shù)），可將反射

沖擊波的雨果尼奧方程寫成

ｖｘ

ｖＨ

＝（γ＋１）ｐＨ ＋（γ－１）ｐｘ

（γ＋１）ｐｘ＋（γ－１）ｐＨ

（２－１５）

將其代入式（２－１４），得到

ｕｘ＝ｕＨ － ｐＨｖＨ

ｐｘ

( ) ｐＨ

１－ｖｘ

槡 ( ) ｖＨ

（２－１６）

而其中

ｕＨ ＝ １

γ＋１Ｄ （２－１７）

· ６２·

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ｐＨｖＨ ＝ １

γ＋１ρＤ２

· γ

γ＋１ｖ （２－１８）

代入后得到

ｕｘ＝ Ｄ

γ＋１１－ 槡２γ（ｐｘ／ｐＨ －１）

[ 槡（γ＋１）ｐｘ／ｐＨ ＋（γ－１）] （２－１９）

由于分界面處產(chǎn)物和介質(zhì)中所形成的沖擊波初始壓力和質(zhì)點

速度相同，因此介質(zhì)中初始沖擊波的壓力和質(zhì)點速度為

ｐ０＝ｐｘ （２－２０）

ｕ０＝ｕｘ （２－２１）

在固體介質(zhì)中，引入介質(zhì)的雨果尼奧方程和動量方程

Ｄｍ ＝ａｍ ＋ｂｍｕ０ （２－２２）

ｐ０＝ρｍＤｍｕ０ （２－２３）

由以上式子導(dǎo)出

ｕ０＝ｕｘ＝ Ｄ

γ＋１１－ 槡２γ（ｐｘ／ｐＨ －１）

[ 槡（γ＋１）ｐｘ／ｐＨ ＋（γ－１）] （２－２４）

取 γ＝３，則有

ｕ０＝ｕｘ＝Ｄ

４ １－槡６（ｐｘ／ｐＨ －１）

槡４ｐｘ／ｐＨ

[ ＋２] （２－２５）

ｐＨ ＝ρＤ２／４ （２－２６）

ｐ０＝ｐｘ＝ρｍ（ａｍ ＋ｂｍｕｘ）ｕｘ （２－２７）

其中 ａｍ、ｂｍ 為介質(zhì)的雨果尼奧常數(shù)。

聯(lián)立上面 ３式，即可求出炸藥爆炸后進入隔板介質(zhì)的初始沖

擊波壓力 ｐ０和質(zhì)點速度 ｕ０。

本書利用 ＬａｂＶＩＥＷ軟件編寫了如圖 ２１０所示程序，只需輸

入裝藥密度 ρ，爆速 Ｄ，隔板介質(zhì)密度 ρｍ，以及 ａｍ 和 ｂｍ 等相應(yīng)參

數(shù)，即可計算出初始沖擊波壓 ｐ０與質(zhì)點速度 ｕ０的值。

· ７２·

第二章 火工分離裝置及其模型

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圖 ２１０　計算初始沖擊波壓及質(zhì)點速度程序前面板

　　例如，對于某聚奧施主裝藥，ρ＝１７０５ｇ／ｃｍ３

，Ｄ＝８３ｋｍ／ｓ，金

屬隔板 ρｍ ＝７８ｇ／ｃｍ３

，ａｍ ＝２５７２ｋｍ／ｓ，ｂｍ ＝１５３６。將以上參數(shù)輸

入程序，計算得 ｐ０ ＝４２９９ＧＰａ，ｕ０ ＝１２３３ｍ／ｓ。又由 Ｄｍ ＝ａｍ ＋ｂｍｕ０

計算得出 Ｄｍ ＝４４６７ｋｍ／ｓ，則 ρｍＤｍ ＝３４８４×１０７

ｋｇ·ｍ／ｍ３·ｓ，

ρＤ＝１４１５×１０７

ｋｇ·ｍ／ｍ３

·ｓ，所以 ρｍＤｍ ＞ρＤ，而由 ｐＨ ＝ρＤ２／４計

算出 ｐＨ ＝２９３６ＧＰａ，可見 ｐｘ＝ｐ０ ＞ｐＨ，與實際情況相符合，證明了

上述理論和求解程序的正確性。

２３３２　沖擊波透過隔板衰減［３］

沖擊波在介質(zhì)中的衰減過程相當(dāng)復(fù)雜，很難從理論上得到精

確的解析表達式，為此，一般采用經(jīng)驗表達式，即沖擊波在介質(zhì)中

衰減規(guī)律近似符合指數(shù)衰減規(guī)律：

ｐ１＝αｐ０ｅ－βｔ （２－２８）

式中 α、β為常數(shù)，與隔板材料有關(guān)，通常由實驗測定，ｔ為沖擊波

透過的隔板厚度。此外，由于受主裝藥阻抗小于隔板阻抗。當(dāng)沖

· ８２·

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擊波由隔板進入受主裝藥時，輸出壓力變?yōu)椋?/p>

ｐ２＝ｐ１

２ρ２Ｄ２

ρ２Ｄ２＋ρｍＤｍ

（２－２９）

其中，ρｍＤｍ 和 ρ２Ｄ２分別為隔板介質(zhì)和受主裝藥的沖擊阻抗。

２３３３　受主裝藥的起爆［１０－１２］

受主裝藥的起爆屬于沖擊起爆機理，航天火工分離裝置使用

的裝藥為非均相炸藥，即具有密度不連續(xù)性和不均勻性的炸藥，實

際應(yīng)用的固體炸藥一般都是非均相炸藥。它的起爆判據(jù)是臨界起

爆能量，對于近似矩形的短脈沖沖擊波，它的定義為：

Ｅ＝μｐ２

τ （２－３０）

式中 μ為和炸藥有關(guān)的常數(shù)，ｐ為沖擊波壓力，τ為沖擊波持續(xù)

時間。

對于隔板傳爆裝置，施主裝藥起爆后，爆轟波通過隔板介質(zhì)衰

減，提供給受主裝藥的是一個衰減壓力脈沖，其輸出壓力峰值為

ｐ２。受主裝藥能否被起爆主要決定于隔板輸出的沖擊波大小，也

即 ｐ２必須大于受主裝藥的臨界沖擊起爆壓力。對于不同的受主

裝藥，有不同的臨界起爆壓力，例如 ＰＥＴＮ的臨界起爆壓力為

０９１ＧＰａ，ＴＮＴ的臨界起爆壓力為 １０４ＧＰａ，ＰＢＸ９４０４的臨界起爆

壓力為 ６４５ＧＰａ。

２３４　裝藥爆轟控制方程

２３４１　守恒方程

爆炸問題屬于彈塑性流體動力學(xué)范疇，其基本方程包括動量

守恒、質(zhì)量守恒和能量守恒三個方程［１０－１２，２９－３０］

。以一維空間的情

況為例，它們可寫成

· ９２·

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ｖ／ｖ０＝ｕ

ｒ （２－３１）

ｕ

· ＝－ｖ０

ｐ

ｈ （２－３２）

Ｅ

·

＝－ｐｖ

· （２－３３）

式中 ｒ為拉格朗日坐標(biāo)，ｖ＝１

ρ

為比體積，ｕ為質(zhì)點速度?？蓪⑸厦?/p>

三個方程寫為以下形式：

ｖ＝Ｒ

ｍ （２－３４）

ｕ

ｔ＝－σｒ

ｍ （２－３５）

Ｅ

ｔ＝－（σｒｕ）

ｍ ＋



ｍ λＴ ( ) Ｒ （２－３６）

式中 λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ｅ為總能量，它等于內(nèi)能 Ｉ與 １

２ｕ２ 之和；ｍ

為單位表面或單位立體角內(nèi)的質(zhì)量，有

ｄｍ＝ρ０ｄｒ （２－３７）

Ｒ為歐拉坐標(biāo)，有

Ｒ

ｔ＝ｕ （２－３８）

σｒ為徑向應(yīng)力，有

σｒ＝ｐ＋ｑ＋Ｓ （２－３９）

其中 ｐ和 ｑ分別為壓力和人為粘性項，Ｓ為應(yīng)力偏量，約定應(yīng)力偏

量與壓力同號。

Ｓ＝２με－１ ( ) ３ｖ／ｖ （２－４０）

式中 μ為剪切模量，ε為徑向應(yīng)變的應(yīng)變率，其表達式為：

ε＝ｕ

Ｒ （２－４１）

· ０３·

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人為粘性項的選取，采用 ＶｏｎＮｅｕｍａｎｎ提出的形式

ｑ＝ρｃ２

１ Δｕ２ （２－４２）

式中 ｃ１為常數(shù)。

２３４２　炸藥及產(chǎn)物的狀態(tài)方程［１１－１２］

炸藥的狀態(tài)方程用來求解壓力，通常采用 ＪＷＬ狀態(tài)方程，其

形式為：

Ｐｓ＝Ａｓ １－

Ｗｓ

( ) Ｒ１ｓｖｓ

ｅｘｐ（－Ｒ１ｓｖｓ）＋Ｂｓ １－

Ｗｓ

( ) Ｒ２ｓｖｓ

ｅｘｐ（－Ｒ２ｓｖｓ）＋

ＷｓＥｓ

ｖｓ

（２－４３）

式中下標(biāo)“ｓ”表示炸藥，ｖｓ＝ｖｓ／ｖ０為相對比體積，Ａｓ、Ｂｓ、Ｒ１ｓ、Ｒ２ｓ、Ｗｓ

為常數(shù)。Ｂｓ為負(fù)值，允許炸藥受拉伸，Ｗｓ為格林愛森參數(shù)。方程中

的常數(shù)是這樣來確定的：既擬合實驗的雨果尼奧數(shù)據(jù)，又?jǐn)M合初始

聲速。通過下面關(guān)系來調(diào)整初始內(nèi)能：當(dāng) ｖｓ＝１，Ｔ＝２９８Ｋ時，Ｐｓ＝０。

爆轟產(chǎn)物采用 ＪＷＬ狀態(tài)方程，形式與炸藥的 ＪＷＬ狀態(tài)方程相

同：

Ｐｇ＝Ａｇ １－

Ｗｇ

( ) Ｒ１ｇｖｇ

ｅｘｐ（－Ｒ１ｇｖｇ）＋Ｂｇ １－

Ｗｇ

( ) Ｒ２ｇｖｇ

ｅｘｐ（－Ｒ２ｇｖｇ）＋

ＷｇＥｇ

ｖｇ

（２－４４）

式中下標(biāo)“ｇ”表示爆轟產(chǎn)物，其余參數(shù)含義同上。

２３４３　反應(yīng)速率方程與平衡方程［１１－１２］

炸藥爆轟是一個釋放化學(xué)能的化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)速率表示

反應(yīng)進行的快慢，可用來計算反應(yīng)進行的程度。設(shè) λ為反應(yīng)產(chǎn)物

的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其定義為

λ＝ Ｍｇ

Ｍｇ＋Ｍｓ

（２－４５）

點火與增長模型假設(shè)炸藥的反應(yīng)率受壓力及表面積所控制，

· １３·

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微小球形燃燒區(qū)增長，使熱點間的炸藥在１０－６ｓ內(nèi)耗盡?；诖?/p>

模型假設(shè)的反應(yīng)率方程可寫為

λ＝Ｉ（１－λ）２／９

η４＋Ｇ（１－λ）２／９

λ２／９

ｐｚ （２－４６）

式中 Ｉ、Ｇ、ｚ為常數(shù)。

炸藥及爆轟產(chǎn)物混合系統(tǒng)的比內(nèi)能 Ｉ、比容 ｖ可寫為

Ｉ＝λＩｇ＋（１－λ）Ｉｓ （２－４７）

ｖ＝λｖｇ＋（１－λ）ｖｓ （２－４８）

若混合系統(tǒng)既達到力學(xué)平衡又達到熱平衡，則有如下兩個

方程：

ｐｓ（ｖｓ，Ｉｓ）－ｐｇ（ｖｇ，Ｉｇ）＝０ （２－４９）

Ｔｓ（ｖｓ，Ｉｓ）－Ｔｇ（ｖｇ，Ｉｇ）＝０ （２－５０）

根據(jù)以上守恒方程、炸藥及產(chǎn)物的狀態(tài)方程、反應(yīng)速率方程、

平衡方程，就可對炸藥的爆炸過程進行數(shù)值模擬。

２４　軟件仿真算法

２４１　有限元計算方程

爆炸對物體的作用是復(fù)雜的力學(xué)問題，難以得到精確的解析

解。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，可以采用數(shù)值模擬方法對爆炸力學(xué)問

題進行分析。在爆炸沖擊環(huán)境中，通常把結(jié)構(gòu)用有限元離散化，其

有限元方程表示為

Ｍ¨ｘ（ｔ）＋Ｃｘ（ｔ）＋Ｆ（ｘ，ｘ）＝Ｐ（ｘ，ｔ）＋Ｈ （２－５１）

式中，Ｍ為總質(zhì)量矩陣，Ｐ為總體載荷矢量，Ｆ為單元應(yīng)力場等效

節(jié)點力矢量組，Ｈ為總體結(jié)構(gòu)沙漏粘性阻尼力，Ｃ為結(jié)構(gòu)阻尼系

數(shù)，¨ｘ（ｔ）為總體節(jié)點加速度矢量，ｘ（ｔ）為總體節(jié)點速度矢量。

· ２３·

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動力平衡方程的數(shù)值解法采用直接積分法，時間積分采用顯

式中心插分法。

２４２?。蹋营玻模伲危淋浖惴?/p>

對爆炸力學(xué)的數(shù)值模擬［５－８，４１－４２，７０－７６］

，可以采用三種算法。

拉格朗日算法是指用拉格朗日坐標(biāo)系來描述物體變形的方法，點

的坐標(biāo)固結(jié)在變形體的內(nèi)部，跟蹤質(zhì)點的運動。當(dāng)物體變形時，坐

標(biāo)網(wǎng)格也隨著變形，它的質(zhì)量自動守恒，能夠清晰地顯示求解區(qū)域

內(nèi)部多種物質(zhì)的界面和自由界面，也可以明確地定義及直觀地處

理邊界條件，然而一旦空間網(wǎng)格變形，材料也跟著變形，所以對于

大變形情況，網(wǎng)格可能發(fā)生嚴(yán)重畸變，使計算終止；歐拉算法是指

用歐拉坐標(biāo)系描述物體運動的方法，歐拉坐標(biāo)系固定在空間里，當(dāng)

物體運動變形時，這個坐標(biāo)系不變，只是研究在指定時刻，某一已

給定坐標(biāo)網(wǎng)格中的介質(zhì)運動。由于有限元網(wǎng)格固定在空間里不隨

材料運動變形，允許材料發(fā)散，因而適用于描述材料有大扭曲變形

的問題。然而它不顯式描述接觸面和材料邊界，因此對各類固體

邊界和接觸面的定義很不方便，而且也不便于描述復(fù)雜的材料本

構(gòu)關(guān)系。

ＡＬＥ方法是在吸收拉格朗日算法和歐拉算法基礎(chǔ)上，發(fā)展起

來的一種混合算法。它最早是為了解決流體問題而引入的，可以

克服單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計算困難，很好地處理整個物體發(fā)

生空間位移及本身發(fā)生大變形的問題，并實現(xiàn)流 －固耦合的動態(tài)

分析。ＡＬＥ算法分為 ３步：（１）顯式 ＬＡＧＲＡＮＧＥ計算，即只考慮

壓力梯度分布對速度和能量改變的影響，在動量方程中壓力取前

一時刻的量，因此是顯式格式；（２）用隱式格式解動量方程，而把

步驟 １求得的速度分量作為迭代求解的初始值；（３）重新劃分網(wǎng)

格和網(wǎng)格之間輸運量的計算。ＡＬＥ將連續(xù)體在初始時刻 ｔ０ 的構(gòu)

· ３３·

第二章 火工分離裝置及其模型

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形記為 ΩＸ，將 ｔ時刻的構(gòu)形記為 Ωｘ，ＡＬＥ描述引入了一個可以獨

立于初始變形和現(xiàn)時構(gòu)形的參考構(gòu)形，記為 Ωε。為了確定參考構(gòu)

形中各參考點的位置，引入?yún)⒖甲鴺?biāo) Ｏε１ε２ε３，參考構(gòu)形中各點的

位置由其在參考坐標(biāo)中的位置矢量 ε確定。ＡＬＥ描述下的隨體

導(dǎo)數(shù)可寫為

Ｆ

ｔＸ

＝Ｆ（ε，ｔ）

ｔ ε

＋ｃｉ

Ｆ

ｘｉ

（２－５２）

式中，Ｆ為某一物理量，ｃｉ＝ｕｉ－ωｉ為 ＡＬＥ描述下的對流速度，ｕｉ

為質(zhì)點 Ｘ的物質(zhì)速度，ωｉ為參考點 ε的物質(zhì)速度，亦即網(wǎng)格速度。

通過上式將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本方程轉(zhuǎn)化為 ＡＬＥ描述的現(xiàn)時

構(gòu)形中的控制方程有：

（１）質(zhì)量守恒方程

ρ

ｔε

＋ｃｉ

ρ

ｘｉ

＋ρ

ｖｉ

ｘｉ

＝０ （２－５３）

（２）動量守恒方程

ρ

ｖｉ

ｔε

＋ρｃｊ

ｖｉ

ｘｊ

＝σｉｊ

ｘｊ

＋ρｆｉ （２－５４）

（３）能量守恒方程

ρ

ｅ

ｔε

＋ρｃｉ

ｅ

ｘｉ

＝σｉｊ

ｖｉ

ｘｊ

－ｑｉ

ｘｉ

（２－５５）

式中，ρ為密度，ｆｉ為單位質(zhì)量的張力，σｉｊ為柯西應(yīng)力張量，ｅ

為單位質(zhì)量的內(nèi)能，ｑｉ為熱通量。

在爆炸分析過程中，炸藥可視為流體，采用 ＡＬＥ網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)采

用 Ｌａｇｒａｎｇｅ網(wǎng)格，便于觀察受力變形及破壞情況。

· ４３·

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２４３　爆炸模擬的幾種方法

在采用有限元軟件進行計算的時候，有三種方法可以用來模

擬炸藥爆炸對結(jié)構(gòu)的作用［５－８，４４－４６，５０－５１］

。它們分別是共用節(jié)點

法、接觸耦合法、流固耦合法。

共用節(jié)點方法是將炸藥與結(jié)構(gòu)均采用 ８節(jié)點實體單元模擬，

炸藥單元與結(jié)構(gòu)單元之間在作用面上具有相同的節(jié)點，炸藥的爆

炸作用通過共用節(jié)點傳遞給結(jié)構(gòu)。

接觸耦合方法中，炸藥單元與結(jié)構(gòu)單元之間是相互獨立的，在

作用面上通過定義接觸來使二者發(fā)生關(guān)聯(lián)，炸藥的爆炸作用通過

接觸傳遞給結(jié)構(gòu)。

流固耦合方法中，炸藥單元與結(jié)構(gòu)單元之間是相互獨立的，此

外在炸藥可能的膨脹空間定義流固耦合空間，炸藥空間與流固耦

合空間共節(jié)點，流固耦合空間的大小應(yīng)能包含結(jié)構(gòu)在內(nèi)。炸藥與

流固耦合空間采用 ＡＬＥ單元，結(jié)構(gòu)采用拉格朗日單元，此外需要

定義耦合算法，炸藥的爆炸作用通過耦合空間傳遞給結(jié)構(gòu)。

在后面的終端功能裝置工作過程的仿真中，應(yīng)根據(jù)模型選擇

合適的模擬方法或它們的組合，結(jié)合現(xiàn)有的實驗結(jié)論與文獻資料

進行校正，以得到更為合理的結(jié)果。

２５　小 結(jié)

本章定義并研究了組成火工分離裝置的幾個層次：起爆系統(tǒng)、

非電傳爆系統(tǒng)、終端功能裝置以及火工分離裝置與外部環(huán)境的作

用。通過能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系以及爆轟波在各個子系統(tǒng)之間的傳遞衰

減規(guī)律，建立起了它們之間的聯(lián)系；對各個子系統(tǒng)的工作過程建立

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第二章 火工分離裝置及其模型

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了性能模型；最后，研究了仿真算法及不同的爆炸模擬方法。本章

主要討論以下內(nèi)容：

（１）對起爆系統(tǒng)進行了研究，建立了熱起爆和電熱橋絲起爆

的數(shù)學(xué)模型，通過對激光起爆的數(shù)值模擬和結(jié)果分析，研究了影響

激光起爆的因素。

（２）對爆轟波在不同介質(zhì)中的傳遞規(guī)律進行了研究。推導(dǎo)了

施主裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達隔板介質(zhì)后的大小。利用 Ｌａｂ

ＶＩＥＷ軟件編制程序計算了入射沖擊波峰值壓力和質(zhì)點初始速

度，并以某聚奧施主裝藥和金屬隔板的參數(shù)代入計算進行驗證，計

算結(jié)果符合理論和實際，驗證了推導(dǎo)公式和程序的正確性。本章

的研究有助于更好地了解傳爆序列的工作原理和過程。

（３）建立了炸藥爆轟的一系列方程，包括守恒方程、狀態(tài)方

程、反應(yīng)速率方程、平衡方程，通過這些方程聯(lián)立求解，可以對炸藥

爆轟過程進行數(shù)值模擬。

（４）給出了軟件的控制方程，對爆炸仿真的拉格朗日法、歐拉

法和 ＡＬＥ算法原理進行了介紹，比較了各自的優(yōu)缺點，本書主要

采用的 ＡＬＥ算法比較適合于解決爆炸作用的大變形問題，能較好

地處理多種流固物質(zhì)耦合的情況，然而它的缺點是對于參數(shù)的設(shè)

置十分敏感，需要結(jié)合試驗進行修正。

（５）對于爆炸模擬的三種方法：共用節(jié)點法、接觸耦合法、流

固耦合方法分別進行了介紹。具體選用哪種仿真方法或者它們的

組合，需要結(jié)合實際情況靈活選用。

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第三章 聚能切割分離

　　　　裝置性能分析

３１　引 言

聚能切割分離裝置［５２－６３］

是航空航天上應(yīng)用較廣的一類火工

裝置，其基本形狀是由內(nèi)裝有猛炸藥的金屬管被拉制成截面呈倒

Ｖ字形的細長條。當(dāng)起爆器起爆裝藥后，因聚能穿甲效應(yīng)，金屬罩

在爆炸作用下被壓垮，爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體和金屬氣化后的

氣體形成高速“刀片”狀射流，具有較強的切割能力。聚能火工裝

置具有能量大、能切割多種結(jié)構(gòu)及材料等特點，是應(yīng)用較早較多的

火工分離裝置。

由于聚能切割分離的研究涉及材料在高溫、高壓及高應(yīng)變率

下的大變形等復(fù)雜力學(xué)問題，難以用傳統(tǒng)的力學(xué)公式來描述，解析

方法所涉及的范圍非常有限，目前尚無實用有效的解析方法，因此

人們對聚能切割分離的研究以經(jīng)驗設(shè)計和試驗驗證為主。隨著計

算機技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了一種重要

研究手段。本章運用非線性有限元分析軟件，采用任意拉格朗日

－歐拉（ＡＬＥ）算法和拉格朗日法相結(jié)合，以某方案聚能爆破打開

裝置為研究對象進行建模，對其工作過程進行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)有

試驗結(jié)論和文獻資料進行對比分析，驗證了模型的合理性和算法

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的可行性。本章還針對影響聚能分離效果的幾個因素：錐角、壁

厚、炸藥特性、炸高分別進行了仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果進行了優(yōu)

化設(shè)計。

３２　結(jié)構(gòu)形狀與材料模型

３２１　結(jié)構(gòu)形狀

本節(jié)的研究對象為某環(huán)形聚能切割分離裝置，切割對象為鋼

板，設(shè)計要求應(yīng)能可靠切割大于 ５ｍｍ厚的鋼板，根據(jù)實驗得知，該

設(shè)計方案能滿足設(shè)計要求，能將 ５ｍｍ鋼板完全分離。該環(huán)形聚能

切割裝置形狀如圖 ３１所示。

圖 ３１　環(huán)形聚能切割分離裝置

聚能切割裝置主要由炸藥、藥型罩、橡膠組成，它的結(jié)構(gòu)組成

如圖 ３２（ａ）所示。

炸藥一般采用具有較高密度、較高爆速和爆壓的高能炸藥，常

用的裝藥有泰安、黑索今、聚奧等；藥型罩的作用是在爆炸作用產(chǎn)

生的高溫高壓下氣化從而形成金屬射流，通常采用紫銅、鉛銻合

金、鉛、銀等金屬制作而成；橡膠主要起支撐和調(diào)節(jié)炸高的作用，同

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時對爆炸產(chǎn)生的沖擊波有一定的緩沖和吸收作用，減少爆炸沖擊

的危害。

圖 ３２　聚能切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖及有限元模型

３２２　材料模型及參數(shù)

炸藥為某塑性炸藥，密度為 １６６ｇ／ｃｍ３

，爆速為 ８２０４ｍ／ｓ，爆壓

２７ＧＰａ。選用高能炸藥模型 ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ，該模

型通過式（３－１）定義在任意時刻炸藥材料單元上的壓力。

Ｐ＝ＦＰｅｏｓ（ｖ，Ｅ） （３－１）

式中 Ｆ為炸藥反應(yīng)的部分，ｖ為比體積，Ｅ為每單位初始體積的內(nèi)

能。該模型需要定義一個狀態(tài)方程來求解 Ｐｅｏｓ（ｖ，Ｅ）。選用 ＪＷＬ

狀態(tài)方程來描述在爆炸驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能

量特性。

Ｐｅｏｓ（ｖ，Ｅ）＝Ａ１－Ｗ

Ｒ１ ( ) ｖｅｘｐ（－Ｒ１ｖ）＋Ｂ １－Ｗ

Ｒ２ ( ) ｖｅｘｐ（－Ｒ２ｖ）＋

ＷＥ

ｖ

（３－２）

藥型罩材料為紫銅，密度為 ８９３ｇ／ｃｍ３

，剪切模量為 ４７７ＧＰａ。

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第三章 聚能切割分離裝置性能分析

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采用 ＭＡＴ＿ＪＯＨＮＳＯＮ＿ＣＯＯＫ材料模型，該模型適用于材料具有較

大范圍應(yīng)變率的情況，需要定義一個狀態(tài)方程來求解壓力。選用

ＧＲＵＮＥＩＳＥＮ狀態(tài)方程來描述藥型罩在爆轟波作用下的動力響應(yīng)

行為，它可用來模擬高應(yīng)變（＞１０５

）條件下的材料變形問題，其在

壓縮狀態(tài)時的表達式為：

Ｐ＝

ρ０Ｃ２

μ１＋ １－γ０

( ) ２ μ－ａ

２ [ μ] ２

１－（Ｓ１－１）μ－Ｓ２

μ２

μ＋１－Ｓ３

μ３

[ （μ＋１）２]

２＋（γ０＋ａμ）Ｅ０

（３－３）

在拉伸狀態(tài)時的表達式為：

Ｐ＝ρ０Ｃ２

ｕ＋（γ０＋αμ）Ｅ （３－４）

其中 Ｃ是 ｖｓ－ｖｐ（剪切 －壓縮波速）曲線的截距；Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３是 ｖｓ－ｖｐ

曲線的斜率系數(shù)，γ０ 是 ＧＲＵＮＥＩＳＥＮ常數(shù)，ρ０ 為正常狀態(tài)下介質(zhì)

的密度，ａ是 γ０和 μ＝ρ

ρ０

－１的一階修正量。

橡膠 密 度 為 １１５ｇ／ｃｍ３

，泊 松 比 為 ０４９９。 采 用 ＭＡＴ＿

ＭＯＯＮＥＹ－ＲＩＶＬＩＮ＿ＲＵＢＢＥＲ材料模型，該模型的應(yīng)變能密度通

過式（３－５）定義。

Ｗ＝Ａ（Ⅰ －３）＋Ｂ（Ⅱ －３）＋Ｃ（Ⅲ －２－１）＋Ｄ（Ⅲ －１）２

（３－５）

Ｃ＝０５Ａ＋Ｂ （３－６）

Ｄ＝Ａ（５ｖ－２）＋Ｂ（１１ｖ－５）

２（１－２ｖ） （３－７）

其中 ｖ為泊松比，２（Ａ＋Ｂ）等于線彈性剪切模量，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為柯西 －格

林張量 Ｃ的不變量。該模型材料不需要定義狀態(tài)方程。

被切割材料為 ５ｍｍ厚鋼板，密度為 ７８３ｇ／ｃｍ３

，泊松比為

０３，抗拉強度為 ６００ＭＰａ，屈服點為 ３５５ＭＰａ，彈性模量為 ２０７ＧＰａ，

失效應(yīng)變?yōu)?０７５％。采用帶失效模式的塑性隨動模型 ＭＡＴ＿

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