微爆索線性切割技術(shù)在航空彈射救護中的應(yīng)用

微爆索線性切割技術(shù)在航空彈射救護中的應(yīng)用

爆炸切割是近年來發(fā)展起來的一種重要的爆炸方法。它在宇宙、軍事和民用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，它在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。如國外建立了計算機模擬程序LSCAP(LinearShapedChargeA-nalysisProgram),用以研究聚能線性切割過程。國內(nèi)科技工作者在研究巖石爆炸切割、爆炸切割拆船、油井井下設(shè)施切割等方面做了大量的工作。段卓平等研制開發(fā)了耐高溫的新型柔性切割索,以滿足特殊工況的要求。但對航空有機玻璃的爆炸切割方面的研究,在國內(nèi)外研究較少現(xiàn)有的航空彈射救生系統(tǒng),在遇到緊急情況時,飛行員啟動彈射程序、座椅彈射穿艙、人椅自動分離直至救生傘張滿安全救生。在這個過程中,時間非常短暫,穿透艙蓋主要靠座椅旁的兩把刀來完成,如果穿艙失敗,就要靠人體完成,艙蓋對人體造成的減加速度,往往是致命的。鑒于此,提出在座椅穿艙前利用微爆索切割座艙有機玻璃,然后再進行座椅彈射,確保安全救生。現(xiàn)有的聚能切割主要應(yīng)用于破壞性切割方面,主要研制高切割能力的聚能切割器。但是微爆索線性切割航空有機玻璃在航空彈射救生系統(tǒng)中的應(yīng)用具有特殊的應(yīng)用要求,即要求切割深度精確可控,并且要求切割形成的破壞部分應(yīng)盡量在附著微爆索的反面這樣可確保切割效果并避免對飛行人員造成傷害。航空有機玻璃是一種高分子材料,其強度遠比金屬材料、巖石等低,經(jīng)定向處理后,具有層裂的特性。適當(dāng)裝藥量的微爆索在爆炸時形成的爆轟波作用于有機玻璃表面,由于壓應(yīng)力波在自由表面反射后形成拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力波達到材料的破壞強度時可引起層裂。這樣就可達到在附著微爆索的背面產(chǎn)生破壞,且深度精確可控的切割效果。為了改善現(xiàn)有的航空彈射救生系統(tǒng),本文提出了微爆索線性切割技術(shù)在彈射救生系統(tǒng)中的應(yīng)用,對微爆索線性切割航空有機玻璃的特性進行了研究。所得結(jié)果滿足航空彈射救生系統(tǒng)的特殊要求,從而為更加合理地設(shè)計航空救生系統(tǒng)提供了有力依據(jù)。1微爆索線性爆破切割實驗(1)微爆索的有關(guān)參數(shù)為了得到能夠滿足有機玻璃切割效果特殊要求的微型爆破索采用的炸藥類型、外殼材料和裝藥量等參數(shù),研制了一系列的微爆索。在一般的爆炸切割中,為了提高切割效果,炸藥切割力愈大愈好。切割航空有機玻璃這種高分子材料并不需要太大的切割力,且為了易于控制切割深度,選擇了3種鈍化炸藥,分別為六硝基砥、奧克托金和黑索金,暫定名為A型、B型和C型。由理論和經(jīng)驗公式估算,對每種炸藥給出多種填裝線密度對于A型炸藥共填裝了9種規(guī)格。采用鉛外殼的為5種規(guī)格,炸藥的線密度分別為0.68g/m,0.83g/m,1.07g/m,1.22g/m和1.41g/m。采用鋁外殼的為4種規(guī)格,炸藥的線密度分別為1.01g/m,1.23g/m,1.39g/m和1.51g/m。B型炸藥共填裝了3種規(guī)格,均為鉛外殼,炸藥的線密度分別為0.83g/m,1.02g/m,1.39g/m。C型炸藥也共為3種規(guī)格,均為鉛外殼,炸藥的線密度分別為0.80g/m,1.03g/m,1.26g/m。(2)有機玻璃微爆索線性爆破切割實驗試件為3#定向航空有機玻璃,尺寸為140mm×180mm×7mm。采用邊緣壓緊方式固定玻璃板試件。實驗裝置如圖2(a)所示。采用XM-23膠粘劑將微型爆破索、微爆索保護體和有機玻璃試件粘接成一體,并進行硫化。微型爆破索放置于板中央對稱位置,如圖2(b),(c)所示。微爆索保護體采用XM-23密封膠材料成形制成,截面尺寸如圖2(d)示。實驗中采用端部起爆方式。對2種外殼、3種炸藥、不同的線密度(從小到大)逐次進行實驗,每次實驗重復(fù)進行3次,數(shù)據(jù)取其平均值,共完成45次實驗。故實驗工作量很大。實驗中的難點是裝藥量不易精確控制,因此不易得到相同裝藥量下的結(jié)果。(3)實驗結(jié)果分析微爆索在爆炸時形成爆轟波,直接作用于有機玻璃表面,由于壓應(yīng)力波在自由表面反射后形成拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力波在達到破壞應(yīng)力時試件引起層裂,所以層裂是微爆索線性切割定向有機玻璃的一種主要破壞形式。實驗中采用高速攝像機對起爆過程進行記錄,圖3為高速攝像圖,圖4為實驗后試件照片可以明顯地看出層裂現(xiàn)象為了確定微爆索不同金屬外殼對切割效果的影響,分別對具有鉛外殼和鋁外殼的、不同裝藥量(A型炸藥)的微爆索進行了有機玻璃爆破切割實驗,其結(jié)果示于圖5,切割效果主要由有機玻璃試件的破壞深度(試件被切割深度)和破壞影響區(qū)域(試件表面破壞區(qū)寬度)確定。當(dāng)試件被穿透時,破壞深度記為7mm(有機玻璃試件厚度)。由圖5(a)可以看出,對于同一種炸藥,鉛外殼的微型爆破索與鋁外殼的微型爆破索相比破壞深度要大的多。由圖5(b)可以看出,鉛外殼的微型爆破索比鋁外殼的微型爆破索破壞影響區(qū)域小,即試件表面破壞區(qū)較窄,能量集中作用,試件更容易被切割。因此,在其他參數(shù)相同的情況下,采用鉛外殼的微型爆破索比采用鋁外殼的微型爆破索可得到更好的切割效果。由此可確定鉛為較佳的藥形罩材料。為了確定不同炸藥類型和裝藥量對切割效果的影響,用3種炸藥類型的鉛外殼微爆索進行了有機玻璃爆破切割實驗,結(jié)果示于圖6。由圖6可看出,3種類型的炸藥相比較,A型炸藥實驗結(jié)果破壞深度最大,而破壞影響區(qū)域最小,所以A型炸藥具有較大的破壞能力。而且,盡管所研制的微型爆破索的裝藥量密度在0.68g/m到1.51g/m之間,但當(dāng)裝藥量的密度超過0.83g/m時,有機玻璃試件完全破壞,試件被切割為兩半。顯然原估算設(shè)計裝藥量過大。由此可確定,A型炸藥為較佳的炸藥類型,裝藥量密度在0.60g/m到0.9g/m之間為最佳范圍。2接觸的模擬結(jié)果由實驗結(jié)果,初步確定了微型爆破索應(yīng)采用的外殼材料、炸藥類型和裝藥量范圍等參數(shù)。然而由于客觀條件所限,只能得到有限的實驗數(shù)據(jù)。為了使微型爆破索能夠滿足航空彈射救生系統(tǒng)對有機玻璃切割效果的特殊要求,必須找到各參數(shù)與切割效果的準(zhǔn)確關(guān)系,這就需要大量的數(shù)據(jù)。因此,采用數(shù)值模擬方法對微爆索切割航空有機玻璃的問題進行研究。(1)有限元模型對航空有機玻璃板和微爆索炸藥以及金屬外殼進行了單元劃分,并用固支邊界條件來模擬邊緣壓緊。圖7給出了有限元模型。在有限元模型中,共劃分80640個單元,89063個節(jié)點,為了模擬航空有機玻璃的層裂現(xiàn)象,沿玻璃7mm厚度方向,考慮到計算機硬件的限制,共劃分16層單元,這樣基本可以清晰地看到層裂現(xiàn)象。計算所用單位制:cm,g,μs。LS-DYNA提供高能炸藥材料模型和各種炸藥的狀態(tài)方程,能夠準(zhǔn)確地模擬整個沖擊波的傳播過程和結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)過程。PMMA采用考慮粘性效應(yīng)的彈塑性損傷模型。在整個模擬過程中,共選用了兩種類型的接觸面。在爆炸模擬中常選用滑動接觸類型,這種接觸類型采用的算法為分配參數(shù)法。由于微爆索金屬外殼是粘貼在航空有機玻璃的上表面,所以選用固連接觸類型,這種接觸類型采用的算法為罰函數(shù)法。(2)數(shù)值模擬結(jié)果以下是外殼為鉛的A型炸藥,裝藥量為0.68g/m的微爆索切割有機玻璃的計算結(jié)果。圖8給出了微爆索對有機玻璃板的切割作用過程,從圖中可以看出微爆索切割有機玻璃的過程,并能觀察到微爆索對有機玻璃的影響區(qū)域。圖9給出了不同時刻有機玻璃板的層裂過程,微爆索在爆炸時形成的爆轟波作用于有機玻璃表面,由于壓應(yīng)力波在自由表面反射后形成拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力波達到材料的破壞強度時可引起層裂,從此圖中可以清晰地看出有機玻璃的層裂現(xiàn)象。有機玻璃最終破壞深度為4.70mm,與實驗結(jié)果(4.75mm)基本一致。另外,還對裝藥量為0.83g/m的情況進行了計算,有機玻璃最終完全破壞,與實驗結(jié)果一致。數(shù)值模擬和實驗結(jié)果吻合很好,說明了有限元模型和數(shù)值分析的正確性。進一步對不同裝藥量的微爆索對有機玻璃板的切割作用進行數(shù)值模擬分析,得到了不同裝藥量下的有機玻璃破壞深度,如圖10所示。由數(shù)據(jù)擬合,可得有機玻璃破壞深度與裝藥量基本呈線性關(guān)系,關(guān)系如式(1),擬合相關(guān)系數(shù)R=0.97985,說明擬合效果很好。式中:h為有機玻璃破壞深度;a為裝藥量(炸藥填裝線密度)。由式(1)可得到不同破壞深度所對應(yīng)的裝藥量,實現(xiàn)破壞深度精確可控的切割效果,可直接用于微型爆破索切割在航空彈射救生系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計。3微爆索的裝藥量和破壞深度的計算分析為了改善現(xiàn)有的航空彈射救生系統(tǒng),提出了微爆索線性切割技術(shù)在彈射救生系統(tǒng)中的應(yīng)用,對微爆索線性切割航空有機玻璃的特性進行了研究。通過一系列微型爆破索切割航空有機玻璃的實驗,觀測了有機玻璃層裂現(xiàn)象,得到了不同參數(shù)對有機玻璃破壞深度和破壞影響區(qū)的影響,從而確定了微爆索應(yīng)采用的外殼材料、炸藥類型、裝藥量的范圍等參數(shù)。結(jié)果表明,鉛為較佳的藥形罩材料;在3種類型的炸藥中,A型炸藥相對具有較大的切割能力,故確定A型炸藥為微爆索首選材料。當(dāng)裝藥量超過0.83g/m時,無論哪種情況試件皆被切割為兩半。所以,選用0.6g/m～0.9g/m為適當(dāng)?shù)难b藥量范圍。由于試驗設(shè)計的裝藥量過大,A型炸藥沒有得到最小可用的切割藥量。因此運用大型非線性有限元程序LS-DYNA3D對微爆索切割航空有機玻璃進行了數(shù)值模擬分析,首先得到了與實驗結(jié)果吻合的計算結(jié)果,說明數(shù)值模擬分析的可靠性,進一步由數(shù)值模擬分析得到實驗選定的裝藥量范圍內(nèi),微爆索裝藥量與有機玻璃破壞深度的關(guān)系式,可得到不同破壞深度所對應(yīng)的裝藥量,實現(xiàn)破壞深度精確可控的切割效果,可直接用于微型爆破索切割在航空彈射救生系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計。所得結(jié)果為使微爆索線性切割飛機座艙航空有機玻璃滿足航空彈射救生系統(tǒng)的特殊要求,從