一种火工分离螺母释放可靠性的试验方法

摘要

一种火工分离螺母释放可靠性的试验方法，基于火工分离螺母“点火器发火燃气做功推动执行机构动作”的工作原理，对反映火工分离螺母可靠性的主要性能参数，即点火器燃气压力和执行机构阻力进行测试，利用测试数据对火工分离螺母可靠性进行评测。与传统火工机构成败型可靠性试验方法相比，本发明方法所需要的试验件数量较少、试验成本低，更具有工程可实施性。通过本发明方法对火工分离螺母释放可靠性进行试验，便于掌握火工分离螺母释放可靠性的薄弱环节，为火工分离螺母改进以获得产品可靠性增长提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种火工分离螺母性能的测试方法。

背景技术

目前，航天器上常采用火工机构来实现航天器与运载之间、航天器舱段之 间、航天器附件(如天线、太阳翼等)与航天器本体之间的连接分离或压紧释 放。虽然火工机构在航天器整个寿命周期内仅动作一次，但往往涉及到航天器 飞行任务的成败。因此，在航天工程中对火工机构的可靠性通常具有很高的要 求。

为确保航天器飞行任务成功，对火工机构的可靠性进行充分、有效的地面 验证是非常必要的。中华人民共和国国家军用标准《火工品可靠性评估方法 GJB376-87》给出了火工品可靠性一般的评测方法，即基于成败型试验，用二 项分布或超几何分布来评测火工品的可靠度。这种成败型试验，所需要的试验 件数量和试验经费都非常巨大，使得火工机构的可靠性验证试验难以开展。例 如，为验证某火工机构0.9999的可靠性指标(按置信度γ＝0.9评估)，在失效 数为0的情况下需要23025个火工机构发火试验件。如何在有限的试验经费和 试验周期内有效地开展火工机构的可靠性试验验证，是实际工程中需要解决的 技术难题。

2009年第30卷第6期《宇航学报》上，由荣吉利等发表的《航天火工机 构可靠性的强化试验验证方法》一文，针对性能参数服从正态分布的一类航天 火工机构，参照“应力—强度”模型，提出了一种强化试验的小子样可靠性验 证方法。该方法将火工机构性能参数置于相对于额定条件来说更严酷的条件下， 用传统的成败型试验方法评测其可靠性，然后结合火工机构的力学特性推导出 额定条件下的可靠性。这种方法应用正态分布变差系数和加严系数来评定火工 机构的可靠性，所需要的试验件数量取决于变差系数和加严系数的具体数值， 且可靠性评测结果与变差系数和加严系数的精度密切相关。依据该方法，在开 展火工机构的可靠性试验前，应首先确定变差系数和加严系数，而变差系数的 确定往往需要一定数量的试验数据作为基础。因此，在实际工程应用中，该方 法对于减小试验件数量、降低试验费用作用有限。另外，该方法将火工机构阻 力作为已知定值。而根据工程经验，火工机构的阻力往往具有正态分布的特性。 因此，将火工机构阻力视为定值将影响可靠性评测的精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有采用成败型试验对火工机构进行可靠 性测试时存在试验件数量多、试验经费高，测量精度低的问题，提供了一种基 于特征量计量的火工分离螺母释放可靠性的试验方法，可以在提高测量精度的 同时，显著的降低试验件数量和试验费用，降低试验成本。

本发明的技术解决方案是：一种火工分离螺母释放可靠性的试验方法，包 括如下步骤：

(1)将火工分离螺母的点火器燃气压力及执行机构阻力两个参数确定为火 工分离螺母释放可靠性特征量；

(2)将点火器安装在火工分离螺母容腔模拟件上，并在火工分离螺母容腔 模拟件上能够真实反映火工分离螺母动作前执行机构燃气压力的部位处安装压 力传感器；所述的火工分离螺母容腔模拟件为一个具有内部容腔的可重复使用 器件，所述内部容腔的轮廓及体积均与被测火工分离螺母的实际容腔完全相同；

(3)使用m组点火器共发火m次，每组所使用的点火器数量与火工分离螺 母实际安装的点火器数量一致，采集并记录每次压力传感器获取的发火燃气压 力x_i，i＝1,2,3......,m；

(4)对m个发火燃气压力x_i进行正态分布检验，如果满足正态分布，则计 算m个数据的均值和标准差s_x，并进入下一步；如果不满足正态分布则结束；

(5)选取l个不安装点火器的火工分离螺母试验件，采用充气设备从点火 器的安装位置向火工分离螺母试验件的内腔充气进行气动解锁试验共l次，记录 每次火工分离螺母中的执行机构动作时刻充气设备的气压值作为执行机构的最 大阻力y_j，j＝1,2,3......,l；

(6)对l个执行机构的最大阻力y_j进行正态分布检验，如果满足正态分布， 则计算l个数据的均值和标准差s_y，并进入下一步；如果不满足正态分布则结 束；

(7)利用步骤(5)和步骤(6)的结果，通过公式计算得 到火工分离螺母的可靠性R，其中

(8)将步骤(7)计算得到的火工分离螺母的可靠性R与所要求的可靠性 标准R^B进行比较，如果R≥R^B，则判定火工分离螺母的可靠性满足要求；如果 R<R^B，则对火工分离螺母的结构进行改进并再次执行步骤(2)～(7)，直至 火工分离螺母的可靠性满足要求。

所述的对火工分离螺母的结构进行改进包括增加火工分离螺母的装药量， 增大火工分离螺母执行机构的燃气压力作用面积，或者降低执行机构摩擦面的 摩擦系数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明方法将火工分离螺母的点火器燃气压力及执行机构阻力确定为火 工分离螺母释放可靠性特征量，通过对特征量进行多次测试，其测试结果能够 真实反映火工分离螺母的性能，在此基础上对火工分离螺母的可靠性进行判断， 便于掌握火工螺母可靠性的薄弱环节，为火工螺母改进以获得产品可靠性增长 提供依据；

2)本发明基于计量法的可靠性验证思路，利用火工分离螺母的点火器燃气 压力和执行机构阻力性能测试数据对火工分离螺母释放可靠性进行评测，与成 败型试验相比，可有效较少试验样本数量、降低试验费用、缩短试验周期；

3)本发明通过火工分离螺母容腔模拟工装对点火器燃气压力测试，在测试 过程中可以不使用实际的火工分离螺母，因此可以有效的降低试验成本；

4)本发明方法对火工分离螺母通过气动解锁试验对执行机构阻力进行测 试，试验后对火工分离螺母进行恢复后即可重新使用，从而进一步降低了试验 的成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法中点火器燃气压力测试原理图；

图3为本发明方法中执行机构阻力测试原理图。

具体实施方式

火工分离螺母是航天器上广泛采用的一种火工机构，主要包括点火器和执 行机构，其工作原理是：火工分离螺母释放时，点火器发火产生高压燃气，在 高压燃气的推动下，火工分离螺母内部执行机构动作并完成连接螺栓的释放， 从而实现火工分离螺母的释放功能。本发明方法主要针对这种基于“点火器发 火燃气做功推动执行机构动作”工作原理的火工分离螺母。

如图1所示，为本发明方法的流程图，具体实施步骤如下：

1)根据火工分离螺母的工作原理，首先设定火工分离螺母释放可靠性，使 之与“点火器燃气压力大于执行机构阻力的概率”相一致。

2)确定火工分离螺母释放可靠性的评测特征量。依据火工分离螺母的工作 原理，本发明确定点火器燃气压力和执行机构阻力为火工分离螺母释放可靠性 评测的特征量。在此，记点火器燃气压力X、执行机构阻力Y。

3)火工分离螺母点火器燃气压力测试数据采集。采用火工分离螺母动作前 容腔模拟工装(可以准确模拟火工分离螺母动作前的容腔轮廓及容腔体积，且 模拟工装腔体应具有足够的强度并满足经清洗后可重复使用的要求。通常可选 用易于加工的钢材，根据实际批次火工分离螺母的容腔体积及强度指标进行制 作)进行点火器发火试验。首先，将点火器安装在动作前容腔模拟工装上，并 在动作前容腔模拟工装上能够真实反映火工分离螺母动作前执行机构燃气压力 的部位(如燃气压力作用的执行机构活塞端面)安装压力传感器；然后，将点 火器发火，采集并记录发火燃气压力，如图2所示。共发火m次，记在火工分 离螺母点火器m次燃气压力测试中，得到m个燃气压力测试数据x_i(i＝1，2，…， m)。

4)火工分离螺母执行机构阻力测试。不安装点火器，并按照实际使用载荷 对火工分离螺母加载，采用充气设备由点火器安装位置向火工分离螺母的内腔 充气进行气动解锁试验，记录执行机构动作时刻充气设备的气压值，该气压值 即执行机构的最大阻力，如图3所示。记在火工分离螺母l次气动解锁测试中， 得到l个气动解锁执行机构最大阻力测试数据y_j(j＝1，2，…，l)。

5)火工分离螺母释放可靠性评测。对点火器燃气压力和执行机构阻力测试 数据进行正态分布检验，并基于“应力—强度”干涉理论，对火工分离螺母释放 可靠性进行评测，具体过程如下：

①根据试验测试获得的m个燃气压力测试数据x_i(i＝1，2，…，m)和l个 火工分离螺母执行机构阻力测试数据y_j(j＝1，2，…，l)，按照国家标准 GB/T4882的方法对实测数据进行正态性检验，并可计算出燃气压力X和执行 机构阻力Y的样本均值标准差s_x，s_y分别为

$\bar{x}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{x}_i,\bar{y}=\frac{1}{l}\underset{j=1}{\overset{l}{\Sigma }}{y}_i,s_x=\sqrt{\frac{\underset{i}{\overset{m}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^2}{m-1}},s_y=\sqrt{\frac{\underset{j}{\overset{l}{\Sigma }}{(y_j-\bar{y})}^2}{l-1}}$

②若经检验，燃气压力X、执行机构阻力Y均不拒绝正态性假设，则令：

$t_R=\frac{\bar{x}-\bar{y}}{\sqrt{s_x^2+s_y^2}}$

③可靠性计算：

火工分离螺母释放可靠性R可通过下式计算获得

$R=\underset{{-t}_R}{\overset{+\infty }{\int }}\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{e}^{-\frac{u^2}{2}}\mathrm{du}=\Phi \left(t_R\right)$

根据t_R，查标准《GB4086.1-1983统计分布数值表正态分布》可获得Φ(t_R) 的值，即火工分离螺母释放可靠性评估值。

6)若火工分离螺母释放可靠性评估结果满足指标要求，则火工分离螺母释 放可靠性验证试验结束，否则，分析原因，对火工分离螺母进行改进设计，改 进措施主要包括以下几个方面：

①增加火工分离螺母装药量；

②增大火工分离螺母执行机构燃气压力作用面面积；

③降低执行机构摩擦面摩擦系数。

经改进后，按照3)～5)对火工分离螺母释放可靠性进行重新试验验证。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。