一种航天线性分离装置装药量可靠性设计及可靠性评定方法

２０１３年第５期　导弹与航天运载技术　Ｎｏ．５　２０１３　总第３２８期　，【ＩＳＳＩＬＥＳ　ＡＮＤ　ＳＰＡＣＥ　ＶＥＨＩＣＬＥＳ　Ｓｕｍ　ＮＯ．３２８　文章编号：１００４・７１８２（２０１３）０５－００６３・０３　ＤＯＩ：１０．７６５４０．ｉｓｓｎ．１００４－７１８２．２０１３０５１５　一种航天线性分离装置装药量可靠性设计及　可靠性评定方法　范新中，苏　晗，杨小龙，朱广生　（北京宇航系统工程研究所，北京，１０００７６）　摘要：针对线性分离装置设计药量的确定及其可靠性评定，提出一种工程方法，可以简便地确定分离装置在指定可　靠性指标下的设计装药量及装置的可靠性评定，大大节省试验件数量，节约成本和研制周期，在工程研制中具有很好的　应用前景。　关键词：线性分离装置；药量设计；可靠性评定　中图分类号：Ｖ４２１．７　文献标识码：Ａ　Ａ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｆａｎ　Ｘｉｎｚｈｏｎｇ，Ｓｕ　Ｈａｎ，Ｙａｎｇ　Ｘｉａｏｌｏｎｇ，Ｚｈｕ　Ｇｕａｎｇｓｈｅｎｇ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００７６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃｈａｒｇｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｅａｓｉｌｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｍｏｕｎｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｏｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｅａｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ；Ｃｈａｒｇｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｏ　引　言　针对航天线性分离装置在飞行过程中需要确保其　航天线性分离装置是通过切割索的作用，将连接　高可靠性的特点，借鉴６　的理念，在前期多个型号的　的结构切割开，实现分离的一种装置，已广泛用于级　研制经验基础上，提出一种基于Ｋａ的设计药量确定及　间分离、火箭整流罩分离等部位，其可靠性直接影响　装置分离可靠性的评估方法。　到飞行试验的成败。分离装置的装药量设计是确保其　可靠性的关键环节，装药量既要保证其分离具有足够　１可靠性设计理论模型　的裕度，还要确保结构强度及刚度能够适应工作过程　根据前期型号研制经验表明：只要是产品正常生　中的爆炸冲击。工程研制中，药量的确定一般按国军　产，处于受控状态，经过统计检验的分离装置的临界　标ＧＪＢ１３０７Ａ．２００４《航天火工装置通用规范》或相关　装药量服从正态分布。因此分离装置的可靠性设计采　设计规范，通过简易的平板试验件获得装置的临界装　用应力．强度模型，如图１所示。　药量，然后通过可靠性计算评定出可靠性０．９９９的药量　ｙ　（小药量），按设计药量与小药量的关系（６７％）确定　出设计药量。这种方法确定的设计药量从分离可靠性　角度没有直接与相应的可靠性指标对应。虽然药量上　是１．５倍的关系，但从可靠性上并不是１．５倍可靠性的　关系。　Ｄ　图１　分离装置应力．强度分布示意　收稿日期：２０１２．１２．２９　作者简介：范新中（１９７３．），男，研究员，研究方向为结构及分离装置设计　导弹与航天运载技术　２０１３笠　根据应力．强度干涉理论，可得应力与强度联系方　程：　ｔＲ－　（１）　、／　＋　式中　和　分别为强度与应力母体均值；　和　分别为强度与应力母体方差；　为可靠性系数或概率　安全余量。　．　由式（１）可得到：　＝　＋　√　＋　（２）　从分离装置的分离过程进行分析可知：当分离能　量（切割索的输出能量，即切割索工作时在待分离结　构上输出的压力‰）大于分离抗力（结构断裂所需要　接受到的切割索产生的最小压力Ｆｍ．ｍ）时，分离装置具　有一定的分离可靠性；分离能量等于分离抗力时，装　置处于临界分离状态；分离能量小于分离抗力时，装　置不能分离。从图１可知，分离能量对应　，分离抗　力对应　，则分离条件可简单表述为：　ａ）ｇｓ（￣ａｓ）＞　，（￣ａＬ），分离装置具有一定的　分离可靠性；　ｂ）ｇｓ（￣ａｓ）＝　，（￣ａＬ），分离装置处于临界分　离状态；　ｃ）ｇｓ（￣ａｓ）＜　（￣ａＬ），分离装置不能分离。　针对本文所讨论的分离装置，式（２）中，广义应　力　为分离抗力，其主要影响因素有结构分离厚度偏　差、材料性能偏差和装配偏差等；广义强度　为分离　能量，其主要影响因素有分离切割索的装药量、爆炸　威力等。　从目前多型号的研制试验结果分析，在目前的设　计要求下，分离装置正常生产、状态受控下，结构分　离厚度偏差、材料性能偏差、装配偏差等因素控制一　定范围内，则对所需分离能量的影响很小，即对分离　药量的影响很小；另一方面，用于输出分离能量的切　割索在品种规格确定、生产工艺稳定的情况下，爆炸　威力是稳定的，输出分离能量的主要影响因素是装药　密度，装药密度控制在０．２　ｇ／ｍ以内时，对输出能量影　响较小。因此，在分离结构设计状态确定，产品生产　状态稳定且受控，切割索品种确定且生产工艺稳定的　情况下，影响分离装置固有分离可靠性（不考虑分离　装置受力、热、温度等环境的影响）的因素只有切割　索的装药量，即装药线密度。　综上分析，分离抗力　，离散很小，从工程研制角　度考虑，结合目前的产品生产水平，可设　０，即不　考虑分离装置材料及装配的影响（但实际的产品生产　过程中，要将分离装置材料及装配的偏差严格控制在　设计要求内且处于稳定的生产水平）。对于　０的情　况，则图１所示分离装置应力．强度分布变为图２所示。　强度　（主要影响因素：装药量、　ｙ　ｌ　应　力　炸威力等）　＼／／　、、　一　０　图２　０时分离装置应力－强度分布示意　式（２）简化为　＝　＋　（３）　式中　和　为切割索的装药线密度母体均值；　为　切割索的装药线密度母体方差。　由分离条件ｂ）可知，当ｇｓ＝　￡，时，分离装置处　于临界分离状态。因此，式（３）中　：实际表示为装置　临界分离的装药线密度（以下称为临界药量）的母体　均值，而　表示为分离装置具有ｔＲ分离可靠性的装药　线密度的母体均值。　通过大量试验子样，式（３）中的各母体参数可用　相应的样本估计值代替，则公式可转化为　耳＝ｆｉ＋ｕｐ　（４）　式中　应为临界药量　￡的估计值；　为临界药量标准　偏差　的估计值；“　为分位数。　理论上，式（４）中的　和　需要大量子样才能获　得，为简化试验量，降低研制成本及周期，采用有限　的小子样进行试验，求得小子样下分离装置临界分离　药量的平均值　及其标准差仃，然后直接用此样本的　和０分别代替　和　。但采用有限样本代替母体必然　带来计算误差，从工程上，可通过一个Ｋ系数，确保　下式成立：　Ｐ（　＋　应＋”ｐ　）＝　（５）　式中　为置信度；　通过非中心ｆ分布分位数求得。　这样式（４）转化为　Ｘｐ＝露＋　（６）　式中　为有限子样的临界药量均值；口为　的标准　差；Ｘｐ为具有Ｐ可靠度的药量。　为确保式（５）成立，工程上需达到以下两点条件：　ａ）临界药量万的确定。　采用一个高于实际临界值的量作为计算临界药　第５期　范新中等　一种航天线性分离装置装药量可靠性设计及可靠性评定方法　６５　量。工程上可通过一定数量试验确定一个接近于临界　表１　ｒ为０．９５的不同　系数与可靠性对照表　药量的值，然后在此基础上增加一定的药量作为临界　可靠度Ｐ　系数　药量（以下称工程临界药量　），确保此药量高于实　子样数３０＊　设计取值　０．９７　６．６９５０７　７　际　。这样处理从工程上是偏保守的。例如：通过几　Ｏ．９６　６．１２８１６　６　０．９５　５发的摸索试验，发现在药量均值为０．８　ｇ／ｍ的情况下分　．５０７９１　５．５　０．９４　４．８１６２５　５　离装置有全分开，也有部分分开的，然后增加一个装　０．９　４．０２２２　４　药等级（０．２　ｇ／ｍ）后，试验一定数量后如果全开，则　０．９２　３．０６３９　３　可将１．０　作为计算用临界药量。以此值作为临界药　注：“子样数３０＊”所列数据为按ｒ为Ｏ．９５，查ＧＢ／Ｔ４８８５，在ｎ＝３０时对应　量在特定声响应点处的计算药量会比采用真实临界药　不同可靠度下的可靠度系数值　量得到的值偏大。这样从工程上是可接受的。　３线性分离装置可靠性评定　ｂ）临界药量标准差ｔ７的确定。　分离装置的可靠性评定是在一定有效试验子样基　参考已有的试验数据，目前所用的线性分离装置　临界药量标准差一般在０．０６．－０．０８　ｇ／ｍ，最大不超过　础上进行的，评定的依据是式（６），但需做如下转化：　Ｋ＝（　一露）／　（８）　０．１５　ｇ／ｍ。因此可取０．１５　ｇ／ｍ或取切割索生产装药量最　大偏差０．２　ｇ／ｍ作为临界药量的标准差（以下称工程临　可靠性评定是通过有效的试验子样　，计算样本的　界药量标准差Ｏ＂ｍ）。这样计算特定概率下的药量会比　均值　和标准差　，然后通过式（８）得到Ｋ，按给定　真实值偏大，同样这从工程上也是偏保守的，即计算　的置信度　，查ＧＢ／Ｔ４８８５，得到可靠性系数Ｋ对应的　出的药量会获得更高的分离可靠性。　可靠度Ｐ。表２列出”分别为１０，２０，３０时，不同　对应的可靠度Ｐ。　基于上述分析，采用式（６）确定分离装置在指定　分离可靠性Ｐ下的设计装药量从工程角度讲是可行的。　表２不同试验子样下　系数对应的可靠度对照表（　０．９５）　式（６）转化为如下公式：　可靠度Ｐ　系数　Ｘｐ＝　＋　（７）　ｎ＝ｌ０　ｎ＝２０　ｎ＝３０　分位数ＵＰＮ　０．９９　５．９９７　Ｏ．９８　５．６１２　２线性分离装置设计装药量的可靠性设计　０．９７　８．６２６７５　７．１７６２６　６．６９５０７　５．１９９　根据ＧＪＢ１３０７Ａ规定，分离装置设计药量的确定　Ｏ．９６　７．８９９７３　６．５６９７７　６．１２８１６　４．６８　０．９５　７．１Ｏ４７１　５．９０６３５　５．５０７９１　４．２７　是根据试验得到的临界药量计算出小药量，然后根据　０．９４　６．２ｌ８８７　５．１６６７８　４．８１６２５　３．７１９０　小药量与设计药量间的关系（６７％），间接得出装置的　０．９３　５．２０３３　４＿３１８ｌ９　４．０２２２　３．０９０２　０．９２　３．９８ｌ１２　３．２９５１６　３．０６３９　２．３２６３　设计装药量。这种设计方法导致分离装置药量设计过　Ｏ．５　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　程中，获得小药量是关键，因此按目前研制经验，大　量的研制试验集中在小药量的试验上。　４结束语　本文提出的线性分离装置设计药量的确定方法是　针对工程研制中分离装置设计装药量的确定方法　基于可靠度指标（分配或直接指定），采用应力．强度　与可靠性指标无对应关系的缺陷，本文提出的基于正　模型。根据式（７），采用在临界药量基础上增加Ｋｏ＇ｍ的　态分布模型的设计装药量的确定方法，可方便的确定　药量，从而得到　系数所对应可靠度的药量。根据式　特定可靠度下的装药量，同时提出的分离装置可靠性　（７），确定　，Ｋ和　３个参数后即可得到设计药量。　评定方法，可给出特定试验子样下分离装置对应的可　其中，临界药量　的确定方法参照前述；　可取０．２　靠性数据。　ｇ／ｍ；Ｋ根据可靠性需要进行选取（见表１）。　设计值的取值原则为：ａ）运载火箭：建议　取６，　参考文献　按６　确定设计药量，这样分离装置的分离可靠性可　［１】１　周正伐．可靠性工程基础【Ｍ】．北京：中国宇航出版社，２００９．　评估为不低于０．９。；ｂ）其它运载器：建议　取５，即　【２】何国伟．可靠性工程【Ｍ】．北京：宇航出版社，１９９５．　按５　确定设计药量。　【３】胡昌寿．可靠性工程一设计、试验、分析、管理Ｄ　．北京：宇航出版社，　ｌ９８８．　也可根据实际情况选择其它的　设计值。需要说　【４】周正伐．火工品可靠性设计【ｃ】．北京．北京第－－Ｎ　ＲＭＳ国际会议，　明的是，上述　设计取值是用于设计药量可靠性设计　１９９４．　的，不是用于可靠性评定。　【５】胡昌寿．航天可靠性设计手册［Ｉ哪．北京：机械工业出版社，１９９９．