【航空航天】航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

一、研究背景

火工分离装置是航天器完成连接与释放、切割与破碎、阀门打开与关闭等动作的关键部件，在分离过程中会产生高量级、宽频带、短时间的复杂爆炸冲击环境。这种火工冲击可能对航天器电子仪器、脆性材料、轻薄结构造成损伤，影响航天器可靠性和任务成功率。

二、火工分离螺母简介

2.1 工作原理

火工分离螺母用于卫星与运载火箭上面级的连接：

• 解锁前：承受飞行载荷，连接卫星和火箭
• 火工激励：点火器引爆，产生冲击载荷
• 解锁：剪切销被切断，螺母释放
• 分离：卫星与火箭分离

2.2 冲击环境特性

火工冲击的特点：

• 高频分量丰富：可达10kHz以上
• 峰值加速度高：可达数千g
• 作用时间短：毫秒量级

三、TrueGrid-LS-DYNA联合仿真

3.1 仿真方法

采用LS-DYNA非线性有限元程序：

• Lagrange算法：描述结构变形
• Euler/ALE算法：处理爆炸产物流动
• 流固耦合：爆炸产物与结构的相互作用

3.2 有限元建模

应用TrueGrid生成高质量六面体网格：

• 分离螺母结构：精细网格
• 连接结构：整体模型
• 爆炸产物区域：Euler网格

四、仿真结果分析

4.1 应力波传播

数值模拟再现应力波在结构中的传播：

• 初始阶段：冲击载荷作用于螺母
• 传播阶段：应力波沿结构传播
• 衰减阶段：应力波逐渐衰减

4.2 关键参数

分析典型响应：

• 加速度响应：关键测点的加速度时程
• 界面载荷：星箭界面的实际载荷
• 时序验证：解锁时序的正确性

五、结论

数值仿真为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件，可作为提高火工分离螺母可靠性和开展优化设计等工作的参考，缩短设计周期、提高分离方案有效性。

六、涉及图片

• 图1：火工分离螺母结构剖面图 — 分离槽、传爆药、剪切销等关键结构标注
• 图2：Lagrange与Euler/ALE算法原理对比示意 — 两种算法适用性
• 图3：应力波传播过程序列图 — t=0.1ms、0.5ms、1ms、2ms时刻的应力场
• 图4：典型响应点加速度时程曲线 — 星箭界面关键测点的加速度
• 图5：星箭界面载荷曲线 — 一体化仿真的界面载荷输出