微爆索线性切割技术在航空弹射救护中的应用

微爆索线性切割技术在航空弹射救护中的应用

爆炸切割是近年来发展起来的一种重要的爆炸方法。它在宇宙、军事和民用等领域得到了广泛应用。因此，它在国内外得到了广泛的研究。如国外建立了计算机模拟程序LSCAP(LinearShapedChargeA-nalysisProgram),用以研究聚能线性切割过程。国内科技工作者在研究岩石爆炸切割、爆炸切割拆船、油井井下设施切割等方面做了大量的工作。段卓平等研制开发了耐高温的新型柔性切割索,以满足特殊工况的要求。但对航空有机玻璃的爆炸切割方面的研究,在国内外研究较少现有的航空弹射救生系统,在遇到紧急情况时,飞行员启动弹射程序、座椅弹射穿舱、人椅自动分离直至救生伞张满安全救生。在这个过程中,时间非常短暂,穿透舱盖主要靠座椅旁的两把刀来完成,如果穿舱失败,就要靠人体完成,舱盖对人体造成的减加速度,往往是致命的。鉴于此,提出在座椅穿舱前利用微爆索切割座舱有机玻璃,然后再进行座椅弹射,确保安全救生。现有的聚能切割主要应用于破坏性切割方面,主要研制高切割能力的聚能切割器。但是微爆索线性切割航空有机玻璃在航空弹射救生系统中的应用具有特殊的应用要求,即要求切割深度精确可控,并且要求切割形成的破坏部分应尽量在附着微爆索的反面这样可确保切割效果并避免对飞行人员造成伤害。航空有机玻璃是一种高分子材料,其强度远比金属材料、岩石等低,经定向处理后,具有层裂的特性。适当装药量的微爆索在爆炸时形成的爆轰波作用于有机玻璃表面,由于压应力波在自由表面反射后形成拉应力,这种拉应力波达到材料的破坏强度时可引起层裂。这样就可达到在附着微爆索的背面产生破坏,且深度精确可控的切割效果。为了改善现有的航空弹射救生系统,本文提出了微爆索线性切割技术在弹射救生系统中的应用,对微爆索线性切割航空有机玻璃的特性进行了研究。所得结果满足航空弹射救生系统的特殊要求,从而为更加合理地设计航空救生系统提供了有力依据。1微爆索线性爆破切割实验(1)微爆索的有关参数为了得到能够满足有机玻璃切割效果特殊要求的微型爆破索采用的炸药类型、外壳材料和装药量等参数,研制了一系列的微爆索。在一般的爆炸切割中,为了提高切割效果,炸药切割力愈大愈好。切割航空有机玻璃这种高分子材料并不需要太大的切割力,且为了易于控制切割深度,选择了3种钝化炸药,分别为六硝基砥、奥克托金和黑索金,暂定名为A型、B型和C型。由理论和经验公式估算,对每种炸药给出多种填装线密度对于A型炸药共填装了9种规格。采用铅外壳的为5种规格,炸药的线密度分别为0.68g/m,0.83g/m,1.07g/m,1.22g/m和1.41g/m。采用铝外壳的为4种规格,炸药的线密度分别为1.01g/m,1.23g/m,1.39g/m和1.51g/m。B型炸药共填装了3种规格,均为铅外壳,炸药的线密度分别为0.83g/m,1.02g/m,1.39g/m。C型炸药也共为3种规格,均为铅外壳,炸药的线密度分别为0.80g/m,1.03g/m,1.26g/m。(2)有机玻璃微爆索线性爆破切割实验试件为3#定向航空有机玻璃,尺寸为140mm×180mm×7mm。采用边缘压紧方式固定玻璃板试件。实验装置如图2(a)所示。采用XM-23胶粘剂将微型爆破索、微爆索保护体和有机玻璃试件粘接成一体,并进行硫化。微型爆破索放置于板中央对称位置,如图2(b),(c)所示。微爆索保护体采用XM-23密封胶材料成形制成,截面尺寸如图2(d)示。实验中采用端部起爆方式。对2种外壳、3种炸药、不同的线密度(从小到大)逐次进行实验,每次实验重复进行3次,数据取其平均值,共完成45次实验。故实验工作量很大。实验中的难点是装药量不易精确控制,因此不易得到相同装药量下的结果。(3)实验结果分析微爆索在爆炸时形成爆轰波,直接作用于有机玻璃表面,由于压应力波在自由表面反射后形成拉应力,这种拉应力波在达到破坏应力时试件引起层裂,所以层裂是微爆索线性切割定向有机玻璃的一种主要破坏形式。实验中采用高速摄像机对起爆过程进行记录,图3为高速摄像图,图4为实验后试件照片可以明显地看出层裂现象为了确定微爆索不同金属外壳对切割效果的影响,分别对具有铅外壳和铝外壳的、不同装药量(A型炸药)的微爆索进行了有机玻璃爆破切割实验,其结果示于图5,切割效果主要由有机玻璃试件的破坏深度(试件被切割深度)和破坏影响区域(试件表面破坏区宽度)确定。当试件被穿透时,破坏深度记为7mm(有机玻璃试件厚度)。由图5(a)可以看出,对于同一种炸药,铅外壳的微型爆破索与铝外壳的微型爆破索相比破坏深度要大的多。由图5(b)可以看出,铅外壳的微型爆破索比铝外壳的微型爆破索破坏影响区域小,即试件表面破坏区较窄,能量集中作用,试件更容易被切割。因此,在其他参数相同的情况下,采用铅外壳的微型爆破索比采用铝外壳的微型爆破索可得到更好的切割效果。由此可确定铅为较佳的药形罩材料。为了确定不同炸药类型和装药量对切割效果的影响,用3种炸药类型的铅外壳微爆索进行了有机玻璃爆破切割实验,结果示于图6。由图6可看出,3种类型的炸药相比较,A型炸药实验结果破坏深度最大,而破坏影响区域最小,所以A型炸药具有较大的破坏能力。而且,尽管所研制的微型爆破索的装药量密度在0.68g/m到1.51g/m之间,但当装药量的密度超过0.83g/m时,有机玻璃试件完全破坏,试件被切割为两半。显然原估算设计装药量过大。由此可确定,A型炸药为较佳的炸药类型,装药量密度在0.60g/m到0.9g/m之间为最佳范围。2接触的模拟结果由实验结果,初步确定了微型爆破索应采用的外壳材料、炸药类型和装药量范围等参数。然而由于客观条件所限,只能得到有限的实验数据。为了使微型爆破索能够满足航空弹射救生系统对有机玻璃切割效果的特殊要求,必须找到各参数与切割效果的准确关系,这就需要大量的数据。因此,采用数值模拟方法对微爆索切割航空有机玻璃的问题进行研究。(1)有限元模型对航空有机玻璃板和微爆索炸药以及金属外壳进行了单元划分,并用固支边界条件来模拟边缘压紧。图7给出了有限元模型。在有限元模型中,共划分80640个单元,89063个节点,为了模拟航空有机玻璃的层裂现象,沿玻璃7mm厚度方向,考虑到计算机硬件的限制,共划分16层单元,这样基本可以清晰地看到层裂现象。计算所用单位制:cm,g,μs。LS-DYNA提供高能炸药材料模型和各种炸药的状态方程,能够准确地模拟整个冲击波的传播过程和结构的瞬态响应过程。PMMA采用考虑粘性效应的弹塑性损伤模型。在整个模拟过程中,共选用了两种类型的接触面。在爆炸模拟中常选用滑动接触类型,这种接触类型采用的算法为分配参数法。由于微爆索金属外壳是粘贴在航空有机玻璃的上表面,所以选用固连接触类型,这种接触类型采用的算法为罚函数法。(2)数值模拟结果以下是外壳为铅的A型炸药,装药量为0.68g/m的微爆索切割有机玻璃的计算结果。图8给出了微爆索对有机玻璃板的切割作用过程,从图中可以看出微爆索切割有机玻璃的过程,并能观察到微爆索对有机玻璃的影响区域。图9给出了不同时刻有机玻璃板的层裂过程,微爆索在爆炸时形成的爆轰波作用于有机玻璃表面,由于压应力波在自由表面反射后形成拉应力,这种拉应力波达到材料的破坏强度时可引起层裂,从此图中可以清晰地看出有机玻璃的层裂现象。有机玻璃最终破坏深度为4.70mm,与实验结果(4.75mm)基本一致。另外,还对装药量为0.83g/m的情况进行了计算,有机玻璃最终完全破坏,与实验结果一致。数值模拟和实验结果吻合很好,说明了有限元模型和数值分析的正确性。进一步对不同装药量的微爆索对有机玻璃板的切割作用进行数值模拟分析,得到了不同装药量下的有机玻璃破坏深度,如图10所示。由数据拟合,可得有机玻璃破坏深度与装药量基本呈线性关系,关系如式(1),拟合相关系数R=0.97985,说明拟合效果很好。式中:h为有机玻璃破坏深度;a为装药量(炸药填装线密度)。由式(1)可得到不同破坏深度所对应的装药量,实现破坏深度精确可控的切割效果,可直接用于微型爆破索切割在航空弹射救生系统应用的设计。3微爆索的装药量和破坏深度的计算分析为了改善现有的航空弹射救生系统,提出了微爆索线性切割技术在弹射救生系统中的应用,对微爆索线性切割航空有机玻璃的特性进行了研究。通过一系列微型爆破索切割航空有机玻璃的实验,观测了有机玻璃层裂现象,得到了不同参数对有机玻璃破坏深度和破坏影响区的影响,从而确定了微爆索应采用的外壳材料、炸药类型、装药量的范围等参数。结果表明,铅为较佳的药形罩材料;在3种类型的炸药中,A型炸药相对具有较大的切割能力,故确定A型炸药为微爆索首选材料。当装药量超过0.83g/m时,无论哪种情况试件皆被切割为两半。所以,选用0.6g/m～0.9g/m为适当的装药量范围。由于试验设计的装药量过大,A型炸药没有得到最小可用的切割药量。因此运用大型非线性有限元程序LS-DYNA3D对微爆索切割航空有机玻璃进行了数值模拟分析,首先得到了与实验结果吻合的计算结果,说明数值模拟分析的可靠性,进一步由数值模拟分析得到实验选定的装药量范围内,微爆索装药量与有机玻璃破坏深度的关系式,可得到不同破坏深度所对应的装药量,实现破坏深度精确可控的切割效果,可直接用于微型爆破索切割在航空弹射救生系统应用的设计。所得结果为使微爆索线性切割飞机座舱航空有机玻璃满足航空弹射救生系统的特殊要求,从