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低冲击分离装置工作过程的数学建模与性能研究

张雪原  
【摘要】: 分离装置作为飞行器的关键部件,其性能直接影响到飞行任务能否顺利完成。传统的爆炸螺栓等分离装置冲击载荷大,对设备有潜在的不利影响。分离螺母式低冲击分离装置是一种新型的分离装置,其分离冲量小于2N?s,具有连接承载能力大且所需所需要的分离能量小等优点。该类型分离装置虽然在国内外已经投入使用,但对该装置的相关介绍和研究却鲜有报道,本文针对分离螺母式低冲击分离装置进行了以下研究: 通过对分离螺母式低冲击分离装置冷试分离过程的分析,以空气动力学和热力学第一定律为基础,以冷试过程中工作区气压变化为对象,建立了分离装置冷试分离过程的数学模型,由模型计算得到的理论曲线与冷试试验结果具有一致性,证明该模型有效。借助该模型,以分离过程中峰值气压和分离时间为特征参数,通过数值方法分析了分离装置结构参数和供气气压对冷试分离过程的影响。 针对分离装置基于火工方式的实际工作情况,本文以冷试分离过程的模型为基础,结合内弹道原理,推导出了分离螺母式低冲击分离装置火工分离的数学模型,在此基础上对分离装置结构参数在火工分离过程中的影响进行了分析,找出了可能造成分离失败的潜在因素。由模型计算得到的理论曲线与高压冷气驱动试验结果具有一致性,证明该模型有效。 由于分离螺母式低冲击分离装置的螺栓预紧力存在离散性,本文对冷试和火工分离过程中预紧力离散性的影响进行了理论分析,分析结果表明:预紧力的增大会导致分离过程中分离环的启动时间延迟,峰值气压上升,在火工分离过程中,这种变化可能造成分离动作的失败。为了保证分离装置的可靠性,本文对螺栓预紧力的分布特性进行了研究,即对其概率密度进行估计。由于预紧力实测样本数较少,故采用基于支持向量机的密度估计方法。利用改进后的密度估计方法对预紧力的分布进行了估计,估计值和实测值吻合,为分离装置的可靠性设计提供了数据支持。针对预紧力离散可能造成分离失败的情况,对分离装置结构参数与预紧力在火工分离过程中的综合影响进行了分析,分析结果表明,增加分离环底面积、减小扇形块与基座滑垫间的支撑角可降低装置对预紧力波动的敏感性,提高装置的可靠性。 为验证对分离装置分离过程所建模型的有效性,实现对分离装置性能的测试,本文研制了一套低冲击分离装置测控系统。通过该系统可对低冲击分离装置分离过程中的预紧力、分离冲量和峰值气压进行远程测试,提高分离试验的效率和安全性。试验结果表明,该系统可以实现对分离过程的多参数测试,验证了对分离过程所建模型的有效性。


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