阅读说明：本技术 深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列 (Charging sequence of combustion-driven high-temperature-resistant fire separation device for deep space probe ) 是由 严楠 贺翔 叶耀坤 丁锋 姜晓斌 罗毅欣 黄金红 赵变玲 吕智星 毕文辉 穆慧娜 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列,包括点火器、桥丝、超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾、定位环、传火孔封口垫、双向压力药筒、作动装置壳体、燃气通道。所述超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾组成180℃至200℃耐高温装药序列,点火器与双向压力药筒间的距离为3.15毫米,四个传火孔直径1.5毫米。两组点火器为冗余设计,点火器、双向压力药筒、点火器三者呈轴线对准安装在具有“T”型三通燃烧室结构的作动装置壳体内,任意一个点火器正常工作,均可独立完成分离任务,可提高点火-作功的功能可靠性。(The invention discloses a charging sequence of a combustion-driven high-temperature-resistant fire separation device for a deep space probe, which comprises an igniter, a bridge wire, superfine particle magnesium ignition powder, fine particle magnesium ignition powder, potassium borate nitrate, a positioning ring, a fire transfer hole sealing pad, a bidirectional pressure cartridge, an actuating device shell and a gas channel. The superfine particle magnesium ignition powder, the fine particle magnesium ignition powder and the potassium boronitrate form a high-temperature resistant charging sequence at 180-200 ℃, the distance between an igniter and the bidirectional pressure cartridge is 3.15 mm, and the diameters of four fire transfer holes are 1.5 mm. The two sets of igniters are designed redundantly, the igniters, the bidirectional pressure cartridge and the igniters are arranged in the casing of the actuating device with a T-shaped three-way combustion chamber structure in an axis alignment manner, and any one igniter can independently complete a separation task when working normally, so that the functional reliability of ignition-work can be improved.)

深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列

技术领域

本发明涉及耐高温点式分离航天火工分离装置及装药技术。

背景技术

本发明专利所述点式分离火工分离装置是指用于各类航天器上各分离部件之间的连接-分离的火工分离装置，通常由电爆管和连接-分离机械装置两部分组成。

本发明专利所述装药技术是指在火工装置中所用各药剂组分特性、装药序列结构、能量输入结构、能量输出结构及其装药工艺等相关技术。

深空探测器用***驱动型火工分离装置是指用于飞行器上点式分离结构的连接与解锁的分离装置。通常它由火工品(点火器和双向压力药筒)和作动执行机构(连接与解锁机构)两部分组成。组成材料一般有火工药剂、金属材料、橡胶等。深空探测器上使用的燃烧驱动型火工分离装置经常需要承受很高的空间环境温度，如高达130℃至170℃，考虑到留有一定的安全温度余量及考虑航天火工装置通用规范中相关规定，火***的分解、自燃、熔化的最低温度应比预示最高使用温度至少高30℃的要求，因此设计验证能够耐受180℃至200℃耐高温燃烧驱动型点式火工分离装置及其装药具有重要的意义。

现有的燃烧驱动型火工作动装置的装药序列中常含有斯蒂芬酸铅、黑火药、2/1樟等药剂。其中斯蒂芬酸铅为常用桥丝点火药，其5秒爆发点为267℃，一般含有一个结晶水，加热到115℃、16小时开始脱结晶水，145℃、3小时快速脱水，同时还可能发生热分解、变色、失重、晶体破碎、粘合剂熔化或分解、粘合剂迁移等现象，因而药剂在高温环境下存在不良反应隐患，同时失去的结晶水可能会进一步破坏装置内部其它药剂的安定性和结构密封性，这些安定性变化可能会导致火焰感度和输出威力的变化；黑火药为常用作功药，有不同药型的系列类型，发火点为290℃至310℃，它们存在起始反应温度较低(130℃)、在150℃以上高温条件下存在失重显著、感度变化等问题；2/1樟为常用作功药，其5秒爆发点为237℃，经高温试验验证它在160℃至170℃高温条件下会发生快速热分解，甚至完全失效。由于火工作动装置现有的装药序列不耐高温，而耐高温的药剂往往桥丝感度、火焰感度、燃速、燃烧热等性能均会大幅降低，造成耐高温装药序列性能的感度、传火、作功特性与传统装药具有很大不同，需要全新设计和验证。

因此欲设计耐高温150℃以上的深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置，需要能耐受180℃以上的装药序列设计，并进行耐高温试验验证。

发明内容

为了解决现有火工作动装置缺少耐高温180℃以上的装药序列类型、难以实现传火序列冗余设计、难以进行高温试验验证等问题，本发明提供了一种深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置中的两组装药序列及双向引燃压力药筒结构，实现了可靠点火-传火功能的冗余设计，该装药序列还能够耐温180℃至200℃，解决了现有分离装置的装药序列不耐受所述高温的问题。

本发明的技术解决方案是：一种深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置新型装药序列，包括：耐高温药剂的筛选和装药序列的设计。

本发明的技术解决方案是：针对所述深空探测器燃烧驱动型耐高温火工分离装置的小尺寸设计、冗余设计和耐温设计的需求，先进行各种备选药剂的高温安定性试验验证，筛选出适合耐高温的点火药、作功药类型，再进行装药序列的电发火感度、火焰感度、作功能力的匹配性设计和试验验证，确定适合所述装药序列各项性能的药剂组分、配比、粒度、密度、药量、粘合剂等装药条件，再依据深空探测器上电源条件和连接与解锁条件，进行火焰感度和作功能力的能量匹配优化设计，确定电点火器、双向压力药筒的装药序列和能量输入、输出结构，通过双向压力药筒结构设计实现了任意一个点火器点火均能可靠引燃双向压力药筒，构成了两组的点火-传火-作功的装药序列结构，可满足飞行器上的点式分离结构连接与解锁及耐高温环境、高可靠性的需求。

本发明使用的超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾是通过多项180℃至200℃高温安定性试验验证筛选得出的耐高温药剂方案，性能可满足燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列的需求。

所述耐高温药剂的筛选，是通过对多种耐热点火药、推进剂进行物理安定性、化学安定性和***安定性试验的全面分析，筛选出全部安定性分析项目均能满足药剂性能变化程度是在许可范围之内的备选药剂。可以先依据DSC分析药剂的反应峰值温度高出使用温度的多少进行初选，再依据其它热分析方法和***性能分析方法进行全面论证。通过药剂的DSC分析、TG分析、恒定高温热失重分析、表观形貌分析、热丝感度试验、输出威力试验等试验项目评价药剂安定性变化和变化程度，综合评定药剂的高温安定性，筛选可用的耐高温药剂。

所述装药序列的设计，是在使用上述综合分析方法进行各项安定性分析及参数优化设计的基础上，提出用超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾组成耐高温180℃至200℃的三层装药序列，通过分离装置整机产品经165℃至180℃高温工作试验验证，表明上述三层装药序列性能满足深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置功能设计的需求。

本发明的耐高温装药序列设计，包括两个桥丝点火器和一个双向压力药筒、一个“T”型作动装置壳体。其中点火器有两层装药，第一层装药为超细颗粒镁点火药，以浆状装填方式涂装在点火器内，与桥丝紧密接触，选择超细颗粒镁点火药的设计思想是为了提高桥丝热感度；第二层装药为细颗粒镁点火药，也以浆状装填方式装满点火器的剩余容腔，后者粒度较大是为了具有较长的输出火焰持续时间；待两层浆状装药的溶剂烘干或晾干后，在镁点火药输出装药表面涂一薄层防护漆，起到防止掉药块和防潮作用；第三层装药为硼硝酸钾，以压装方式装填在双向压力药筒内，双向压力药筒两端的压药压力和传火孔封口垫相同，封口垫上有四个直径为1.5毫米的传火孔，使双向压力药筒具有双向引燃功能。点火器与分离装置壳体通过螺纹方式连接，双向压力药筒与分离装置壳体通过耐高温粘合剂粘接，点火器与双向压力药筒之间留有3.15毫米的传火间隙。为防止单点点火失效，提高点火可靠性，所述装药序列设计为冗余结构，即两个点火器和一个双向压力药筒组成了两组独立的点火-传火序列，任意一组正常工作均可独立完成分离任务，提高了分离装置的发火可靠性。

本发明在需要作用时给点火器供电，依次引燃超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾，产生高温高压气体驱动活塞完成分离任务。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

与现有的燃烧驱动型火工分离装置装药相比，本发明设计的新型装药序列有以下优势：

1)本发明使用的各装药类型是经过180℃至200℃高温试验验证筛选得出，每种药剂性能可满足深空探测器用燃烧驱动型火工分离装置的耐高温环境需求，克服了现有装药序列不耐130℃以上高温的问题。

2)采用的双向压力药筒结构具备双向引燃的功能，通过优化设计双向压力药筒的“T”型输入和输出端装药结构，使双向压力药筒接受来自任一点火器的输出火焰而被引燃，均能产生高温高压气体完成分离动作，可显著提高分离装置的发火可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列的结构图。

附图标记说明：

1、第一点火器；2、第一超细颗粒镁点火药；3、第一桥丝；4、第一细颗粒镁点火药；5、第一定位环；6、第一传火孔封口垫；7、双向压力药筒；8、硼硝酸钾；9、第二传火孔封口垫；10、第二定位环；11、第二细颗粒镁点火药；12、第二桥丝；13、第二超细颗粒镁点火药；14、第二点火器；15、燃气通道；16、“T”型作动装置壳体。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

如图1所示，深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列，有两路点火序列和一个“T”型作动装置壳体16组成，两路传火序列由两个点火器、一个双向压力药筒组成。第一点火器1壳体、第一超细颗粒镁点火药2、第一桥丝3、第一细颗粒镁点火药4、第一定位环5、第一传火孔封口垫6、双向压力药筒7、硼硝酸钾8组成一路传火序列。第二点火器14壳体、第二超细颗粒镁点火药13、第二桥丝12、第二细颗粒镁点火药11、第二定位环10、第二传火孔封口垫9、双向压力药筒7、硼硝酸钾8组成另一路传火序列。“T”型作动装置壳体16和燃气通道15组合形成两路传火通道和一个三通燃烧室结构，它为任一路传火序列提供传火通道和作功压力传递通道，实现从点火器发火功能冗余、传火序列冗余、作功输出冗余的装药序列冗余设计，任意一组装药序列正常工作均可独立完成分离作动任务。第一点火器1、双向压力药筒7、第二点火器14处在同一轴线上，安装于作动装置壳体16上的安装孔内。所述第一点火器1、第二点火器14均具有钝感电点火器特性。超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾均具有耐高温特性，适用于深空探测器用耐高温环境，可耐受高温200℃、10天以上。

所述“T”型作动装置壳体16具有三通燃烧室结构，三通燃烧室有两个输入传火通道和一个输出传火通道。第一点火器1、第二点火器14通过螺纹连接方式与作动装置壳体16安装固定。双向压力药筒7与“T”型作动装置壳体16通过硅橡胶粘接。双向压力药筒7的两端分别安装有第一定位环5和第二定位环10，第一定位环5和第二定位环10用于双向压力药筒7的装配位置固定、提供传火通道、控制第一点火器1和双向压力药筒7之间的间隙、控制第二点火器14和双向压力药筒7之间的间隙。第一点火器1、双向压力药筒7、第二点火器14处在同一轴线上。每一点火器输出端的中心对准双向压力药筒7输入端中心，每一点火器与双向压力药筒7之间均留有3.15毫米间隙。第一传火孔封口垫6和第二传火孔封口垫9上共有四个直径为1.5毫米的传火孔(第一传火孔封口垫6、第二传火孔封口垫9各有两个直径为1.5毫米的传火孔)，任意一个点火器正常输出均能使双向压力药7筒正常工作，可提高分离作动装置的发火可靠性。

所述的耐高温火工作动装置的两个点火器均装有超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药两层装药，粒度分别为40微米、100微米。第一点火器1和第二点火器14的结构、装药完全相同。为提高高温安定性将两种药剂在装入点火器之前先进行180℃、1天高温老化预处理，以减少药剂长期高温环境下的预反应。第一超细颗粒镁点火药2和第二超细颗粒镁点火药13以浆状药方式涂装在点火器药室中作为第一层装药，与桥丝紧密接触，作为桥丝点火药。第一细颗粒镁点火药4和第二细颗粒镁点火11作为第二层装药以浆状药方式装满点火器药室的容腔内，作为输出点火药，待浆状装药溶剂烘干或晾干后，在第一细颗粒镁点火药4和第二细颗粒镁点火药11表面涂一层耐高温防护漆，起到固定和防潮作用。镁点火药具有耐高温、桥丝感度和火焰感度好、瞬发度高、燃烧热值高、火焰持续时间长的特点，适合作为桥丝点火药和高能输出点火药。第一桥丝3和第二桥丝12的直径为60微米以上，桥丝与超细颗粒镁点火药组合，通过桥丝直径、桥长和电阻的优化设计，并与镁点火药的桥丝感度和传热学性能匹配的优化设计，能满足5安培可靠发火、1安培1瓦5分钟不发火和抗25千伏脚脚、脚壳静电泄放安全的要求，高温样品的桥丝感度变化量为9.9％(均值由1.307安培变为1.437安培)。装入同一“T”型作动装置壳体16的第一点火器1和第二点火器14的选取须经过电阻配对的分组筛选，配对电阻之差越小越好，差值一般不大于2％。

所述耐高温点火器的第一超细颗粒镁点火药2和第二超细颗粒镁点火药13、第一细颗粒镁点火药4和第二细颗粒镁点火药11经高温试验验证获得的耐温特性为，DSC曲线从常温至550℃存在两个反应峰，一个次反应峰(405℃)和一个主反应峰(＞550℃)，将第一点火器1和第二点火器14的两种药剂进行180℃高温老化预处理，常温样品的DSC次反应起始反应温度为390℃、次反应峰温为405℃，200℃、10天高温样品次反应的起始反应温度变为388℃(仍比200℃高出188℃)、次反应峰温变为404℃，与常温样品相比次反应峰温变化量为-2℃；200℃、10天高温样品的失重变化量为-0.094％、p-t峰压均值变化量为-8％(1.61兆帕至1.48兆帕)，最大压力上升时间为0.20毫秒至1.20毫秒；200℃、10天高温样品的火焰长度变化率为22％(18厘米至22厘米)，火焰持续时间变化率为-10％(88毫秒至52毫秒)。该点火药比常用点火药耐温性能好，以上耐温参数表明两种镁点火药可以耐受200℃、10天高温环境。

所述的耐高温双向压力药筒7的装药为硼硝酸钾8，为提高高温安定性将硼硝酸钾在8装入双向压力药筒7之前先进行180℃、1天高温老化预处理，以减少药剂在长期高温环境下的预反应。硼硝酸钾8以压药方式装满双向压力药筒7，药筒两端用第一传火孔封口垫6和第二传火孔封口垫9封装，两端的装药条件、传火结构完全相同，并有益于保证输入端结构有较高的火焰感度和双向引燃的功能。硼硝酸钾8具有耐高温、耐冲击、燃烧热值高、峰值压力适中、燃气压力持续时间较长的特点，适合用作燃烧驱动型作动装置的作功装药。硼硝酸钾8的耐温试验表明可以耐受180℃、10天以上的高温环境。双向压力药筒7的两端分别安装有第一定位环5和第二定位环10，第一定位环5和第二定位环10用于双向压力药筒7的装配位置固定、提供传火通道和控制点火器、双向压力药筒7之间的间隙。双向压力药筒7的中部下方设计有传火孔，传火孔与“T”型作动装置壳体16的输出燃气通道15对准，传火孔作为双向压力药筒7的能量输出通道，传火孔与硼硝酸钾8之间有一薄层铝箔封口垫片，用于药剂结构加固和防潮。

所述的耐高温压力药硼硝酸钾8经高温试验验证获得的耐温特性，DSC曲线从常温至550℃存在一个反应峰，常温样品的DSC熔化吸热峰起始反应温度为335.0℃，为提高长期高温环境安定性将药剂进行180℃高温老化预处理，180℃、5天高温样品的熔化吸热峰起始反应温度变为335.4℃(仍比180℃高出155℃)，温度变化量为-0.4℃。常温样品的熔化吸热峰反应峰温为336.0℃，180℃、5天高温样品的反应峰温变化为336.2℃，温度变化量为-0.2℃。180℃、10天高温样品的失重变化量为-1.18％，180℃、10天高温样品p-t峰压变化量为3.34兆帕至2.29兆帕，最大压力上升时间变化量为4.05毫秒至4.48毫秒。该燃烧型装药耐温性能好、燃烧时间长、能量利用率高，适合作为燃烧驱动型分离装置用途。以上耐温试验表明硼硝酸钾8可以耐受180℃、10天高温环境。

上述第一超细颗粒镁点火药2和第二超细颗粒镁点火药13、第一细颗粒镁点火药4和第二细颗粒镁点火药11、硼硝酸钾8组成的装药序列适用于深空探测器用耐高温环境，可耐受高温180℃至200℃、10天以上，性能满足深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置的需求。

本发明使用的耐高温药剂的筛选方法是将超细颗粒镁点火药、细颗粒镁点火药、硼硝酸钾通过药剂的DSC试验、高温180℃至200℃试验、热失重试验、表观形貌观测、桥丝感度试验、作功威力试验，综合评定药剂高温安定性为良好，性能满足深空探测器用燃烧驱动型耐高温火工分离装置装药序列的需求。

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。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。