书

火工装置工作过程性能分析

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ

ｉｎｔｈｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ

黄敏超 编著

国防科技大学出版社

·长沙·

图书在版编目（ＣＩＰ）数据

火工装置工作过程性能分析／黄敏超编著 —长沙：国防科技

大学出版社，２０１６１０

ＩＳＢＮ９７８－７－５６７３－０４５５－０

Ⅰ①火… Ⅱ①黄… Ⅲ①航天器—点火装置—性能分析

Ⅳ①Ｖ４７

中国版本图书馆 ＣＩＰ数据核字（２０１６）第 ２１２１０５号

国防科技大学出版社出版发行

电话：（０７３１）８４５７２６４０　邮政编码：４１００７３

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｆｋｄｃｂｓ．ｃｏｍ

责任编辑：石少平　　责任校对：熊立桃

新华书店总店北京发行所经销

国防科技大学印刷厂印装



开本：８５０×１１６８　１／３２　印张：４５　字数：１１７千

２０１６年 １０月第 １版第 １次印刷 印数：１－１５０册

ＩＳＢＮ９７８－７－５６７３－０４５５－０

定价：１８．００元

内 容 简 介

本书以空间飞行器中火工装置作为研究对象，建立和阐述了

火工装置工作过程的理论和模型。主要内容包括：将火工装置的

各个子系统作为一个相互关联的整体，对其各层次的功能、结构、

联系、能量及做功关系等方面进行了分析；建立火工分离装置工作

过程性能模型，对航天聚能切割分离装置工作过程进行分析，对膨

胀管分离装置工作过程进行分析，对气体发生式推进系统点火过

程进行分析；探索火工分离装置的可靠性设计方法。上述理论或

模型反映了当前火工装置工作过程的最新研究成果。

本书可作为航天、航空和动力等领域和专业的师生和科技人

员从事火工装置工作过程性能分析的教材或参考书。

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前 言

火工品具有能量质量比高、体积小、贮存性好、起爆及输出能

量可控等优点，能够在相当短的时间内释放出相当大的能量来做

机械功，完成预定动作，因此被广泛应用于运载火箭、载人飞船、卫

星、导弹及航天飞机等各种航天器上。航天、航空和动力系统等应

用领域的日益拓展，客观上要求人们更深入地研究和认识火工品

工作特性，而火工装置工作过程性能分析是这类研究中的一个重

要方向。

本书共分为 ６章：第 １章介绍了火工装置的研究背景和发展

概况，第 ２章讨论了火工分离装置及其模型，第 ３章研究了聚能切

割分离装置工作性能，第 ４章讨论了分离板式膨胀管分离装置工

作性能，第 ５章讨论了气体发生式推进系统点火过程工作性能，第

６章讨论了火工分离装置的可靠性设计方法。

本书既是作者长期从事火工装置工作过程性能分析工作的总

结，也参考了国内外著名书籍和有关研究生论文的部分内容，在此

表示衷心的感谢。此外，由于火工装置工作过程性能分析是一个

非常复杂的研究领域，许多工作过程机理仍不明晰，火工装置工作

过程性能研究仍处于不断的发展变化当中，本书必然还存在许多

疏漏之处，恳请读者批评指正。

编著者

２０１６年 １月

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目 录

第一章 绪 论

１１　火工品研究工作的背景及意义!!!!!!! （ １ ）

１２　国内外相关研究及综述!!!!!!!!!! （ ３ ）

１３　火工分离装置性能研究中存在的问题 （ !!!! ６ ）

１４　本书的主要工作!!!!!!!!!!!!! （ ８ ）

第二章 火工分离装置及其模型

２１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （１０）

２２　火工分离装置系统组成与工作过程!!!!! （１１）

２２１　概述!!!!!!!!!!!!!!! （１１）

２２２　点火起爆系统!!!!!!!!!!! （１１）

２２３　非电传爆系统!!!!!!!!!!! （１３）

２２４　终端功能装置!!!!!!!!!!! （１５）

２２５　能量及做功关系!!!!!!!!!! （１５）

２３　火工分离装置性能模型!!!!!!!!!! （１７）

２３１　概述!!!!!!!!!!!!!!! （１７）

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２３２　起爆装置性能模型!!!!!!!!! （１８）

２３３　爆轰波在不同介质中传播性能模型!! （２５）

２３４　装药爆轰控制方程!!!!!!!!! （２９）

２４　软件仿真算法!!!!!!!!!!!!!! （３２）

２４１　有限元计算方程!!!!!!!!!! （３２）

２４２　ＬＳＤＹＮＡ软件算法 !!!!!!!! （３３）

２４３　爆炸模拟的几种方法!!!!!!!! （３５）

２５　小 结!!!!!!!!!!!!!!!!! （３５）

第三章 聚能切割分离装置性能分析

３１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （３７）

３２　结构形状与材料模型!!!!!!!!!!! （３８）

３２１　结构形状!!!!!!!!!!!!! （３８）

３２２　材料模型及参数!!!!!!!!!! （３９）

３２３　单元网格划分及求解设置!!!!!! （４１）

３３　仿真结果分析!!!!!!!!!!!!!! （４２）

３３１　爆轰波传递及射流形状!!!!!!! （４２）

３３２　钢板的切割分离过程!!!!!!!! （４３）

３３３　射流分析!!!!!!!!!!!!! （４５）

３３４　钢板断裂情况分析!!!!!!!!! （４８）

３３５　能量分析!!!!!!!!!!!!! （４９）

３４　设计参数对分离效果的影响!!!!!!!! （５１）

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３４１　药型罩顶锥角大小对分离的影响!!! （５１）

３４２　药型罩壁厚对分离的影响!!!!!! （５６）

３４３　其他因素对分离的影响!!!!!!! （６２）

３５　小 结!!!!!!!!!!!!!!!!! （６４）

第四章 分离板式膨胀管分离装置性能分析

４１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （６６）

４２　结构形状及材料模型!!!!!!!!!!! （６７）

４２１　结构形状!!!!!!!!!!!!! （６７）

４２２　材料模型及参数!!!!!!!!!! （６８）

４２３　单元网格划分及求解设置!!!!!! （６９）

４３　仿真结果分析!!!!!!!!!!!!!! （７０）

４３１　爆轰产物的膨胀过程!!!!!!!! （７０）

４３２　金属管的膨胀与分离板的断裂!!!! （７３）

４３３　金属管与分离板性能分析!!!!!! （７５）

４４　设计参数对分离效果的影响!!!!!!!! （７９）

４４１　分离板开槽形式对分离的影响!!!! （７９）

４４２　膨胀管长短比对分离的影响!!!!! （８１）

４４３　其他因素对分离的影响!!!!!!! （８５）

４５　小 结!!!!!!!!!!!!!!!!! （８６）

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第五章 气体发生式推进系统点火过程性能分析

５１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （８８）

５２　燃气发生剂单元结构设计!!!!!!!!! （８９）

　　５２１　点火过程!!!!!!!!!!!!! （８９）

　　５２２　燃气发生剂单元结构!!!!!!!! （８９）

５３　燃气发生剂的配方设计!!!!!!!!!! （９１）

　　５３１　燃气发生剂的性质!!!!!!!!! （９１）

　　５３２　燃气发生剂的品种!!!!!!!!! （９２）

　　５３３　燃气发生剂的配方设计要求!!!!! （９３）

　　５３４　燃气发生剂的热力计算!!!!!!! （９５）

５４　点火方式研究!!!!!!!!!!!!!! （９９）

　　５４１　点火技术!!!!!!!!!!!!! （９９）

　　５４２　燃气发生剂点火方式的选择!!!!! （１０２）

５５　点火过程数值仿真!!!!!!!!!!!! （１０３）

　　５５１　结构形状及材料模型!!!!!!!! （１０３）

　　５５２　单元网格划分及求解设置!!!!!! （１０６）

　　５５３　仿真计算结果!!!!!!!!!!! （１０７）

５６　小 结!!!!!!!!!!!!!!!!! （１１０）

第六章 火工分离装置可靠性设计

６１　引 言!!!!!!!!!!!!!!!!! （１１２）

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６２　火工分离装置可靠性设计方法!!!!!!! （１１３）

　　６２１　可靠性模型建立!!!!!!!!!! （１１３）

　　６２２　可靠性指标分配!!!!!!!!!! （１１４）

　　６２３　可靠性设计流程!!!!!!!!!! （１１６）

６３　火工分离装置可靠性设计技术及失效分析 （ !! １１８）

　　６３１　可靠性设计技术!!!!!!!!!! （１１８）

　　６３２　失效因素分析!!!!!!!!!!! （１２１）

６４　小 结!!!!!!!!!!!!!!!!! （１２２）

参考文献 !!!!!!!!!!!!!!!!!!! （１２４）

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书

第一章 绪 论

１１　火工品研究工作的背景及意义

在航天技术中，火工装置［１－４，１３－１４］

是指通过装有一种小型的，

内含少量火药、炸药或烟火剂的元件在燃烧或爆炸的作用下，完成

释放、抛放、切割破碎、驱动开关等机械功能的系列复杂装置的总

称，其英文名称为 Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ。在航天设计中，还大量使用了由

多个火工元件及火工装置联成一体的、能完成一定功能的火工系

统。所以广义地讲，火工元件、火工装置和火工系统都可称之为火

工品。

航天器上使用的火工品大多通过装药爆炸释放出的高温高压

气体和爆轰波来做机械功，从而完成卫星释放、级间和有效载荷分

离，天线和太阳帆板展开，降落伞展开和释放，舱盖弹射，液及气管

道通断，绳缆切割等功能，它们都要求在很短的时间内提供相当大

的能量来完成。传统的弹簧式和电磁式机构的能量有限，而且体

积和质量都相当大，不适合这种应用，因此通常都是选用火工装置

来执行。与其他类型的执行机构相比，采用火工装置除了体积小、

能量足够大之外，它还可以通过非电传爆序列完成一系列同步性

动作。火工装置的应用范围很广，本书主要研究的是航天技术上

用于连接与分离的火工装置（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）。

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火工品具有能量质量比高、体积小、贮存性好、起爆及输出能

量可控等优点，能够在相当短的时间内释放出相当大的能量来做

机械功，完成预定动作，因此被广泛应用于运载火箭、载人飞船、卫

星、导弹及航天飞机等各种航天器上。例如美国“阿特拉斯 －人

马座”火箭、“土星 Ｖ”号运载火箭的级间分离都是采用火工分离

装置来完成动作。随着空间飞行器越来越复杂，使用的火工品品

种和数量越来越多，在美国的“水星”号飞船上使用了 ４６件火工

品，“双子星座”号飞船上使用了 １３９件，“阿波罗”号飞船上使用

了 ３１４件，航天飞机上使用了 ５００多件，我国的返回式卫星上使用

了 ４０多件，载人飞船上使用了上百件［１－２］

。

在航天事业的发展中，火工装置发挥了极其重要的作用，在每

一个航天飞行器上，从发射到回收的整个过程，火工装置要完成大

大小小几项到几十项、甚至几百项的各种程序动作或任务。近年

来，随着各国在空天领域的竞争日益激烈，世界航天事业得到了迅

猛发展，相应地推进了火工品技术的进步，火工装置的设计思想、

测试技术及使用方法得到了飞速发展和提高［１７，４３，４７－４９］

。各国都

十分重视开发火工品技术在航天系统中的应用，不断投入人力财

力，研究小型化、高可靠性的火工装置，加紧航天技术领域内的

竞争。

在早些时候，由于技术条件的限制，火工装置的研制主要是依

靠设计人员的经验来开展，并在试验和应用中不断修改和完善。

随着计算机硬件运算速度的提高，数值计算方法的发展，各种有限

元软件的广泛应用，为火工装置的优化设计提供了一条新的途径。

通过对火工装置的工作过程进行仿真分析，能减少试验次数，缩短

研发周期，节约生产成本，具有十分重要的意义。然而，值得注意

的是，理论研究是基础，而数值计算只是一种辅助手段，并不能完

全替代试验和应用。火工装置的研制开发，应该基于试验和应用，

结合理论分析和计算机仿真分析进行辅助设计，才能具有较高的

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火工装置工作过程性能分析

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可行性和实际应用价值。

１２　国内外相关研究及综述

２０世纪 ５０年代以来，随着航天技术的发展，美、俄等国在导

弹、火箭、卫星及航天飞机上开始使用火工装置。美国在这方面的

研究与实验开展比较早，取得了一系列的研究成果，制定了一些基

础性的设计规范和标准［２，３１－３３］

，例如 ＭＩＬ１２３６５９Ｃ《电起爆器设

计规范》、ＭＩＬＳＴＤ１５７６《航天系统用电爆分系统的安全性要求和

试验方法》、ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８《航天飞行器爆炸系统和装置》、

ＭＩＬＳＬＤ１３１６Ｄ《引信安全性设计准则》等。这些标准对于统一产

品技术规范，保证产品质量和可靠性、安全性提供了重要的参考依

据。其中 ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８《航天飞行器爆炸系统和装置》总结了

以往各种重大型号的研究成果和实践经验，内容涵盖了产品设计、

性能要求、试验和质量控制等方面。该专业标准工程应用性强，它

的许多设计原则、性能控制要求和试验验证方法，成为了国际通用

要求。

在一些手册的制订上，Ｓｃｈｉｍｍｅｌ和 Ｂｅｍｅｎｔ出版了《火工装置

设计、研制和鉴定手册》［３９］

，该手册系统地涵盖了火工装置从原

理、设计、试验到性能评估的各个方面，提出了设计和研制的工程

方法与程序，突出了验证性能裕度的重要性，提出了成败性计数试

验和最大最小装药量法，推荐了验证点火能力和能量裕度的试验

方法，是 一 篇 重 要 的 火 工 装 置 技 术 指 导 性 文 献。此 外，Ｋａｒｌ

ＯＢｒａｕｅｒ主编的《火工装置手册》［３４］几乎涉及了当时所有在航空

航天上研制和使用的火工装置，介绍了大量航天火工装置的设计

原理、材料结构、研制情况和使用状况，提出了一些经验计算公式

和图表数据。

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第一章 绪 论

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俄罗斯对于火工装置的研究开展得也比较早，在“联盟”号宇

宙飞船上大量使用火工装置，欧、日、印等在这方面的研究也各有

所长。由于保密的原因，这些国家和地区火工装置研究公开可查

阅的资料比较少。我国的航天火工装置的研究大都是在参照美俄

的技术基础之上进行的，至今已有四十多年的应用历史，制定了一

些基础性的标准［１５－１６］

，例如 ＱＪ１０７５Ａ《航天火工装置通用规范》、

ＧＪＢ２０３４《航天系统电爆分系统安全要求和试验方法》、ＧＪＢ３４７－

１９８７《火工品分类和命名规则》规定了火工品分类、命名的原理和

方法，ＧＪＢ３７６－１９８７《火工品可靠性评估方法》规定了评估火工

品可靠性的统一方法及统一的报告格式，适用于有可靠度指标的

火工品设计定型可靠性评估。此外，产品研制各单位也有一些相

应的设计规范和经验总结。

早期的解锁类分离装置主要有爆炸螺栓、易碎螺母等，它们结

构简单，作用可靠且有效，但是产生的分离冲击相对较大，对安装

点的精密仪器有较大危害。为避免冲击过大，提出了“强连接、弱

解锁”的设计思路，基于这种思路的分离装置有钢球连接式的解

锁螺栓和楔块连接式的解锁螺栓。由于航天火工分离装置是利用

猛炸药的爆炸或烟火药的燃烧产生的高压气体做功，不可避免地

会产生爆炸碎片和气体产物，因此污染控制已经成了火工分离装

置设计的一个重要指标，现在许多分离装置都采用密封性设计，或

者在功能装置外面加上保护罩。例如美国麦道公司于 １９６９年申

请专利的“超级拉链”膨胀管分离装置，不是将导爆索的爆炸能量

直接作用于分离连接件上，而是通过转化为气体膨胀做功的形式

达到解锁分离的目的。整个作用系统受力均匀，冲击载荷低，爆炸

产物始终密封于金属管内，达到了低冲击、无污染的目的，已在多

种型号空间飞行器中获得了应用。

在性能研究和数值仿真上，国外的学者已经开展了这方面的

工作。例如 ＫＡＧｏｎｔｈｉｅｒ等分析了 ＮＡＳＡ标准电起爆器驱动的

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拔销器的火药燃烧和活塞运动过程［３５］

，应用了热力学方法和多相

流理论建立了一组微分方程组，采用 ＬＳＯＤＥ标准程序计算得到压

力与时间的关系曲线，压力计算的数据与试验结果基本吻合，同时

对燃速、导热系数等参变量进行了敏感度分析；美国航天公司的

ＳＧｏｌｄｓｔｅｉｎ等则采用了 ＭＥＳＡ２Ｄ和 ＤＹＮＡ３Ｄ软件模拟了拔销器

和电爆阀门的动力学过程［３６］

，提供了结构受力和变形的信息。

我国的研究人员在这方面的研究也取得了一定的成果。国防

科技大学高滨通过研究火工分离装置的作用机理，建立了火工分

离装置仿真计算模型和可靠性模型，提出了用于火工分离装置工

程设计与分析的基本技术和方法［２，１３］

，他在经典内弹道理论基础

上建立的性能模型方程组能够较准确地描述火工分离装置的输出

性能，通过对火工分离装置设计参数的敏感度分析，揭示了工程设

计中影响性能变化的主要因素，并且对火箭整流罩分离装置以及

一种弹射分离装置的仿真计算与实测结果进行一致性分析；北京

宇航系统工程研究所孙瞡、阳志光利用 ＡＮＳＹＳ／ＬＳＤＹＮＡ对膨胀

管分离装置进行建模计算和仿真分析［６９］

，利用响应面法优化算法

的原理，借助于 Ｍａｔｌａｂ中的线性规划函数，以系统分离可靠性为

目标进行了优化设计；北京工业大学阳志光对航天运载器线式火

工分离装置的材料动态性能、保护罩结构动态失效机理、分离结构

的动态断裂、数值计算方法和结构优化设计方法等方面开展了探

索性研究［６８］

；北京工业大学陈敏等人借助于非线性有限元程序

ＡＮＳＹＳ／ＬＳＤＹＮＡ中的 ＡＬＥ算法，对宇航线式火工分离装置在条

形凝聚态炸药接触爆炸荷载作用下的非线性动态响应过程进行了

数值模拟［６７］

，描述了爆轰物质的流动以及金属圆柱壳的破口形

状、塑性区域随时间增加的变化情况，得出了冲击加速度与爆炸中

心距离为近似线性关系的结论；北京强度环境研究所吴艳红等人

采用 ＬＳＤＹＮＡ模拟剪切式爆炸螺栓中炸药爆炸冲击波对爆炸螺

栓盒中的冲击破坏作用［１９］

，校核盒的动强度，计算结果表明，盒盖

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第一章 绪 论

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变形、破坏形式、压力峰值和脉宽都与试验结果吻合较好，根据对

计算结果的分析，提出爆炸螺栓盒的三种改进办法，并通过分析计

算确定了最佳方案。

１３　火工分离装置性能研究中存在的问题

火工分离装置具有特定的使用环境和条件，功能性比较强，同

种类型的火工装置，在不同型号和不同用途上，其结构形式和设计

参数也存在差异。此外，由于作用过程的瞬时性和一次性，使得对

它的工作过程和性能分析存在较大的难度。而火工分离装置长期

以来主要采用的是经验设计 －试验获取数据 －修改设计 －再试验

的研制模式。仿真方法作为一种研究手段，能够较好地模拟火工

分离装置的工作过程，并可通过后处理器直观地观察结构的分离

情况，获取瞬时速度、应力应变、压力等信息。本书首先从理论上

阐述和分析了火工分离装置的系统组成和作用机理，然后利用有

限元动力分析软件，对火工分离装置的工作过程进行仿真，并与已

有可查阅的试验数据和参考文献上的结论进行对比研究。

然而从理论到工程技术的应用是有一定难度的，需要寻找一

个合适的“桥梁”来把两者连接起来，才能从“此岸”到达“彼岸”，

对于火工分离装置工作过程的性能研究也是如此，存在的技术难

题主要有：

（１）航天火工分离装置爆炸分离过程数值计算不仅涉及到很

多相关技术领域，部分基础理论还没有达到工程应用水平，而且爆

炸分离过程是一个高度非线性过程，其仿真分析模型需要的参数

非常缺乏试验数据支撑。

（２）作为一个整体，终端功能装置、起爆系统、传爆序列构成

火工分离装置不可分割的三个部分，需要将它们联系起来进行研

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火工装置工作过程性能分析

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究，既要从整体上研究火工分离装置的工作性能，也要有所区分，

突出重点。

（３）火工分离装置结构复杂，要想建立起完整的仿真模型比

较困难。在建模过程中，需要抓住重点建立简化模型，既能充分体

现其性能特点、获得接近真实的仿真结论，又不保证研究结果不会

出现大的偏差。

（４）在使用有限元软件对分离过程进行仿真时，由于涉及到

的材料种类多，且爆炸使结构产生大变形导致单元畸变，需要将任

意拉格朗日 －欧拉方法（ＡＬＥ）和拉格朗日方法、欧拉方法相结合

使用，这三种方法各有所长，如何在具体问题中设计和运用合适的

方法，需要一定的技巧和经验。

（５）材料模型的选择和材料参数的准确度直接影响仿真结果

的可信度，错误的材料模型和不准确的材料参数可能导致错误的

结论。完整的材料参数包括物理参数、力学参数、状态方程参数

等，通常不容易全部获得，因此仿真结果需要通过与试验结论和文

献资料进行对比以进行校正。

（６）仿真参数的设置对结果存在影响，有的算法对仿真参数

比较敏感，不正确的参数设置将导致仿真结果与现有结论和试验

数据存在较大偏差，需要不断调试和修改，使仿真结果接近真实

情况。

（７）目前航天火工分离装置研制中缺乏成熟和可靠的参数统

计方法和分离可靠性评估方法，其原因是火工分离装置可靠性要

求高，利用成败型可靠性试验成本太高，不具备现实性，因此这方

面的研究意义重大。

上述问题涉及的范围和领域较广，前人曾经做过一些研究，取

得了一些成果。本书对这 ７个方面均有涉及，对火工分离装置的

工作过程进行了仿真，对它的工作性能进行了分析，对设计参数进

行了优化，对系统的可靠性设计方法提出了一些改进和创新。

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第一章 绪 论

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１４　本书的主要工作

针对上节提出的问题，本书主要完成了以下几项工作：

（１）将火工分离装置作为一个系统来进行研究。对起爆机

理、传爆规律、爆轰过程、以及具体终端功能装置的工作性能都进

行了研究，注重各个环节之间的联系，侧重于对具体功能装置工作

过程的仿真。建立起了起爆、传爆的数学模型，推导了相关公式，

编写了计算程序。通过理论研究，更好地描述了火工分离装置作

为一个整体其性能特征，使得研究的思路更加清晰。

（２）综合运用了三种仿真算法对火工分离装置的工作过程进

行了数值模拟：①拉格朗日方法，网格随物质流动，可得到清晰的

物质界面，便于观察变形和流动情况，然而不适宜处理大变形物

质；②欧拉方法，网格不动，物质在网格里流动，适宜于处理流体变

形问题，缺点是物质界面不便观察；③ＡＬＥ方法，对炸药及其他流

体材料采用欧拉算法，对其余结构采用欧拉算法，其优点是炸药和

流体材料在欧拉单元流动，不存在单元的畸变问题，并通过流固耦

合方式来处理相互作用，能方便地建立起爆炸模型。

（３）选择了聚能切割分离装置和膨胀管分离装置两种典型的

火工分离装置作为研究对象，根据它们的结构形式和功能特点，选

择了合适的材料模型、状态方程，获取和设置了较为正确的材料参

数、仿真参数，建立起了它们的有限元模型。对它们的工作过程进

行了仿真，通过对仿真结果进行分析，不但可以直观地观察到火工

分离装置工作性能的好坏，还能定量地获取一些性能数据，为火工

分离装置的设计提供了一种便捷的检验和优化手段。

（４）改变上述火工分离装置的设计参数进行仿真分析，比较

不同结构或材料下的终端分离装置的性能差异，得到了诸如结构

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形状、尺寸、材料、装药等因素对分离效果的影响，并与已有试验数

据进行对比。通过比较，得到对分离有利的设计参数，从而达到通

过仿真进行辅助优化设计的目的。

（５）以燃气发生剂单元作为研究对象，对其点火过程进行了

数值模拟。根据其结构形式和功能特点，选择了合适的材料模型、

状态方程，设置了较为正确的材料参数、仿真参数，建立起了它们

的有限元模型；对燃气发生剂单元的点火过程进行了数值仿真。

（６）对火工分离装置的可靠性设计进行了探索。研究了可靠

性模型建立、失效分析、可靠性指标分配、可靠性设计方法、技术、

流程等问题。

由于火工分离装置设计技术的复杂性和实践性，上述研究还

仅仅是初步的，有待结合工程实际开展更深入的研究。

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第一章 绪 论

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第二章 火工分离装置

　　及其模型

２１　引 言

火工分离装置尽管形式各异，其作用机理却大致相似，主要是

通过炸药的爆轰作用，将炸药蕴含的化学能释放出来，转变为结构

的机械能或其他形式的能量，完成破碎、切割、推冲等功能，从而达

到分离的目的。它不是孤立的一个元件。从装药的起爆开始，到

爆轰波的传递、衰减、终端功能装置的做功、爆炸产生的冲击、碎片

对结构的影响等都属于本书的研究范畴。因此要将火工分离装置

工作过程作为一个整体来分析，才能更好地掌握它的作用机理、工

作性能和设计方法。

本章首先将对火工分离装置的系统组成作一个概述，阐述了

各个子系统的组成结构和作用原理，分析了火工分离装置工作过

程中能量转换和做功之间的关系；然后，对各个子系统建立了相应

的性能模型，包括点火与起爆、冲击波的传递与衰减、装药的爆轰

等过程，建立了上述过程的控制方程，探讨了计算方法和程序。本

章最后介绍了 ＡＬＥ算法的原理，以及爆炸模拟的三种方法各自的

特点。

本章既是全书的理论部分，兼有部分仿真和计算，也是后面部

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分内容对终端功能装置工作过程进行仿真的理论基础。

２２　火工分离装置系统组成与工作过程

２２１　概述

美军标 ＭＩＬＨＤＢＫ８３５７８、美国宇航局 ＮＡＳＡ和 ＩＳＯ１４３０３对

火工系统的组成层次均有较为全面的定义，将起爆系统、传爆序列

和终端功能装置列为火工分离装置的基本组成［２，３３］

。此外，在火

工分离装置的作用过程中，它以爆炸冲击、震动等方式对周围环境

产生影响，并向周围环境溢出气体和碎片，而周围环境的电磁辐

射、杂散电流、意外撞击等因素也影响着火工分离装置的工作。因

此，可将火工分离装置的组成分为以下层次：起爆（点火）系统、非

电传爆系统、终端功能装置、与外部环境结构的相互作用［１－３］

，如

图 ２１所示。

２２２　点火起爆系统

点火起爆系统包括点火能源、起爆器、指令控制、电子安保、检

测装置等。其中起爆器是点火起爆系统的核心，它是通过将电能

转化为电热桥丝的热能或者激光的光能，点燃引爆药或直接起爆

主装药，从而获得爆轰输入的装置。

起爆器是火工分离装置中使用最为广泛的首发火工品，当前

使用的大多为电起爆器，它是通过电流的输入使装药发火，并以

热、压力及冲击波等形式转化为化学能或动能的元件，根据电能引

爆药剂的方式不同可分为桥丝式、火花式和间隙式，最为常用的是

· １１·

第二章 火工分离装置及其模型

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图 ２１　火工分离装置系统组成图

图 ２２　电起爆器与激光起爆器结构简图

· ２１·

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桥丝式电起爆器，它通常由外壳、金属脚、电极塞、桥丝和装药组

成。图 ２２（ａ）为 ＮＡＳＡ标准起爆器示意图，它采用了不锈钢壳

体，为了提高插座的气密性和耐压能力，两根插针与外壳封接为一

体；图 ２２（ｂ）为激光起爆器示意图，它采用激光二极管作为激光

源，利用密封的光纤脚来传递能量，光纤脚接头直接与装药接触。

由于激光二极管功率较小，不能直接引爆猛炸药，因此采用了

ＤＤＴ点火药来实现爆燃转爆轰，再通过输出装药将爆轰波传递

出去。

２２３　非电传爆系统

非电传爆系统是指通过使用岐管、导爆索等中间装置将起爆

器和终端火工装置连接起来而组成的一类火工系统，它一般由钝

感起爆器、传爆元件、隔板起爆器等组成，能完成电起爆分系统所

能完成的起爆、传爆等功能。它具有结构简单、尺寸小、重量轻、可

靠性高、安全性高、组装简单、应用灵活等优点。此外，使用非电传

爆系统能极大地减少电起爆装置的数量，减小了受到电磁射频干

扰而误发火的可能性，极大地提高了火工分离装置的安全水平。

这样，它不但减轻了电源负担及结构重量，还能做到多个火工分离

装置的同步起爆。

典型的非电传爆系统［１］

结构如图 ２３所示，它主要由 ３部分

组成：（１）首发元件，如钝感电起爆器、激光起爆器等；（２）传爆元

件，如岐管、限制性导爆索（ＣＤＦ）等；（３）终端元件，如隔板起爆

器等。

隔板起爆器是一种常用的输出终端，它是通过金属隔板来传

递冲击波能量的火工品。通过隔板起爆器，来完成各种终端功能

装置的点火起爆。隔板起爆器主要由施主装药、受主装药和带有

隔板的壳体组成。如图 ２４所示。

· ３１·

第二章 火工分离装置及其模型

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图 ２３　非电传爆系统结构图

图 ２４　隔板起爆器结构简图

当金属隔板一侧的施主装药收到非电传爆系统传来的爆轰信

号后，施主装药爆炸，所产生的爆轰波透过金属隔板，并产生衰减，

引爆另一侧的受主装药，再通过内部传火传爆系统来完成终端功

能装置的点火起爆，冲击波的衰减程度与隔板材料和隔板厚度有

关，隔板越厚，对冲击波的衰减越大，受主装药越不容易被引爆；反

之，隔板越薄，对冲击波的衰减越小，受主装药越容易被引爆。隔

· ４１·

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板起爆器的主要特点是能长时间耐高温高压而不穿孔，具有极好

的密封性能，能够防止气体的泄漏。它还具有便于检查、更换，不

受静电射频影响的优点。

２２４　终端功能装置

终端功能装置是通过装药的爆轰或燃烧，将装药的化学能转

换为机械功、热能或者其他形式的能量，从而完成预定的动作，终

端功能装置是火工分离装置的主要部件，它通常是与非电传爆系

统联接在一起的。

终端功能装置的工作方式有两种，一种是密闭的容腔内装火

药或烟火剂，火药在点火后燃烧，容腔内压力升高，产生的大量气

体推动活塞或者剪断低强度销钉，从而完成解锁、拔销、推冲的动

作。这类火工分离装置主要有拔销器、推冲器、解锁螺栓等；另一

种终端功能装置是装有猛炸药，利用炸药起爆后的爆轰波和高温

高压气体做功，瞬间炸断外壳结构处的薄弱环节，例如爆炸螺栓，

或者是利用炸药的聚能穿甲效应来切割结构，例如聚能切割索等，

这种爆炸做功的火工分离装置是本书仿真研究的主要对象。图

２５是爆炸螺栓和膨胀管分离装置的结构简图。

２２５　能量及做功关系

火工分离装置的工作过程是一个伴随着能量转换和做功的过

程。首先将输入能量（如电能）转变为电起爆器桥丝的热能或者

激光起爆器二极管的光能，通过热作用（或光化学作用）使起爆器

装药发生化学反应，并且将能量以爆轰或燃烧的形式输出，非电传

爆系统用于将爆轰传递到终端功能装置，爆轰波在通过隔板起爆

器时会有一个衰减效应，最终起爆终端功能装置内的主装药，使之

· ５１·

第二章 火工分离装置及其模型

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图 ２５　分离板式膨胀管和爆炸螺栓结构简图

发生爆轰或爆燃，产生冲击波和高温高压气体，完成破碎、切割、推

冲、拔销等预定动作，并以机械能和爆炸冲击等形式与外界环境发

生关系，对周围的设备器材产生影响。火工分离装置工作过程中

的能量及做功关系如图 ２６所示。

· ６１·

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图 ２６　火工分离装置能量及做功关系

２３　火工分离装置性能模型

２３１　概述

火工分离装置的工作过程是一个高度非线性的瞬态动力过

程，压力和温度等参量急剧变化，分离过程通常用流体动力学和弹

塑性动力学模型来描述，涉及三重非线性，即材料大变形产生的几

何非线性，材料动态本构关系的物理非线性，以及界面上发生滑

动、摩擦和分离的接触非线性，涉及的理论包括燃烧与爆轰理论、

结构稳定性和弹塑性理论、塑性动力学、流体动力学、断裂力学、爆

炸力学、流 －固耦合、统计与可靠性、材料与炸药等领域。要想全

· ７１·

第二章 火工分离装置及其模型

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面地对这些过程建立数学模型并进行分析是非常困难的，因为当

中一些过程难以单纯地用解析的办法进行描述，并且一些公式的

准确性和参数的设置直接影响到数值模拟的准确与否。

为了解决这些问题，本节从火工分离装置的几个层次出发，采

取了一些简化和假设，建立起了装药的点火起爆模型、爆轰波在不

同介质中的传播模型，以及装药爆轰的控制方程，同时做了一些计

算分析。

２３２　起爆装置性能模型

２３２１　电热桥丝起爆［１２，２３］

先来研究经典的热传导问题。在定压比热容为 ｃ，密度为 ρ，热

传导系数 λ是常数时，物体内没有热源的情况下，热传导方程为

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ （２－１）

当存在热源时，则等式右边还要加上热源项 Ｑ，其物理意义是

单位时间、单位体积内释放的热量。可以得到以下的热爆炸方程：

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ＋ＱΛ

ｔ （２－２）

其中 Ｑ为含能材料单位体积内的分解反应热，Λ为含能材料

已经反应掉的百分数。式（２－２）的物理意义为：左边是单位体积炸

药在单位时间内升温所需要的热量，右边第一项为由热传导流入或

流出的热量，第二项为单位体积、单位时间内化学反应释放的能量。

式（２－２）中化学反应速率可写为

Λ

ｔ＝ｋ０ｅ－Ｅ

ＲＴφ（Λ） （２－３）

其中 ｋ０为指前常数，Ｒ为气体常数，Ｅ为炸药活化能，φ（Λ）表示

在等温条件下反应发生的规律。当 φ（Λ）＝１时为零级反应，当 φ

· ８１·

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（Λ）＝（１－λ）ｍ 为 ｍ级反应，当 φ（Λ）＝（Λ＋Λ０）（１－Λ）为一级

自催化反应，其中 Λ０为临界自催化反应率（初始反应速度和自催

化反应常数之比）。

电热桥丝的起爆属于热起爆范畴，当电流通入电起爆器后，在

桥丝上按照焦耳 －楞次定律产生热能，桥丝升温，热量传给药剂，

使其发生化学反应。炸药化学反应释放的热量使药剂继续升温，

加速反应直至自动发火。根据热起爆原理，可推导出电热桥丝起

爆的方程：

ρｃＴ

ｔ＝λ!２

Ｔ＋Ｐ（ｔ）＋ρＱＡｅ－Ｅ

ＲＴω （２－４）

式中 Ｐ（ｔ）为输入的电功率，Ａ为频率因子，ω为药剂的反应分数，

其余参数含义同热起爆方程。

假设电起爆器采用的电源为恒定电流，则输入的电功率 Ｐ（ｔ）为

Ｐ（ｔ）＝Ｉ２

Ｒ０（１＋αＴ） （２－５）

其中 Ｉ为通入电流，Ｒ０ 为环境温度下桥丝电阻，α为桥丝温度系

数，Ｔ为桥丝温度。

当电起爆器采用电容器放电起爆时，由于电容器放电时，随着

放电时间增长而电流逐渐减小。设电容器电容为 Ｃ，充电电压为

Ｕ０，则有：

Ｕ（ｔ）＝Ｕ０ｅ－ ｔ

Ｒ０Ｃ （２－６）

Ｉ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）

Ｒ０

ｅ－ ｔ

Ｒ０Ｃ （２－７）

Ｐ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）２

Ｒ０ （２－８）

２３２２　激光起爆性能［２４－２６，４０］

激光起爆以光纤来传输激光能量，由于光纤本身是绝缘体，因

此可以实现炸药和电源装置的有效隔离及钝感点火，它的抗干扰

能力强，不受静电、射频等影响，且安全性高、贮存寿命长、效费比

· ９１·

第二章 火工分离装置及其模型

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高，是一种新型的起爆方式。

可以根据热起爆的方程加上药剂吸收的激光光能来推导出激

光起爆的方程。按照激光起爆炸药的热机理，激光照射到炸药上

以后，一部分被反射，一部分通过药层透射，剩余部分被一定深度

的药层吸收而转换成热能，产生热击穿或形成热点引爆炸药。

根据能量守恒定律有：Ｅ＝Ｅ反 ＋Ｅ吸 ＋Ｅ透。由于实验用火工品药

剂均不透明，透射光亦被吸收，即 Ｅ透 ＝０，则有：反射比 ＋吸收比 ＝１。

激光在炸药内部传播过程中，激光强度按指数规律衰减，激光

入射到距表面 ｘ处的激光强度为：

（１－ｆ）βＩ０ｅ－βｘ （２－９）

式中，Ｉ０为入射激光功率密度（Ｗ·ｍ－２）；β为炸药对激光的吸收

系数（ｍ－１）；ｆ为药剂的激光反射率。一般说来，炸药对激光的吸

收系数，取决于炸药的种类和激光的波长。

综合可得出激光起爆的基本方程为：

ρｃＴ

ｔ＝Ｋ

２

Ｔ

ｘ２ ＋（１－ｆ）βＩ０ｅ－βｘ＋ρＱＡｅ－Ｅ／ＲＴ （２－１０）

式中右边第二项为炸药微元吸收的光能。

初始条件为

Ｔ（ｘ，ｔ）ｔ＝０＝Ｔ０ （２－１１）

其中 Ｔ０为药剂初始温度。

若吸收系数足够大，可简化为表面吸收，则激光照射区域沿法

线方向的温度梯度为：

－λＴ

ｘｘ＝０

＝（１－ｆ）Ｉ０ （２－１２）

此式也是激光起爆的边界条件。

通过对 Ｂ／ＫＮＯ３／酚醛树脂药剂（３８％Ｂ＋５７％ＫＮＯ３ ＋５％酚

醛树脂）的激光起爆过程进行数值仿真来研究激光起爆的特性。

在数值模拟过程中所用到的参数见表 ２１。

· ０２·

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表 ２１　激光起爆数值模拟参数

ρ（ｋｇ·ｍ－３） ｃ（Ｊｋｇ－１·Ｋ－１） β（ｍ－１） Ｅ（Ｊ·ｍｏｌ－１） Ｔ０（Ｋ）

１４６８ １０２３ １２×１０５ ６９６×１０４ ２９３

ｆ Ｋ（Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１） Ａ（ｓ－１） Ｑ（Ｊ·ｋｇ－１） Ｒ（Ｊ·Ｋ－１·ｍｏｌ－１）

０１４ ２４４５ ３×１０１０ ７７３２×１０６ ８３１４

仿真结果如图 ２７所示。

· １２·

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图 ２７　入射激光与药剂的特性对起爆的影响

　　图 ２７（ａ）表示入射激光能量水平越高，药剂表面温度上升得

越快，点火延迟时间越短。当入射激光能量低于某一值时，点火便

不能发 生。当 给 出 的 激 光 脉 冲 宽 度 为 １２００μｓ、光 束 半 径 为

０５８ｍｍ、药剂的激光吸收系数为 １２×１０５

ｍ－１时，能使点火发生

的入射激光能量水平的临界值约为 １１４ｍＪ。

图 ２７（ｂ）表示入射激光脉冲宽度增加，药剂表面温度上升得

· ２２·

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越慢，点火延迟时间变长。当入射激光脉冲宽度大于某一值时，点

火便不能发生。当入射激光能量水平为 １８ｍＪ、激光吸收系数为

１２×１０５

ｍ－１、光束半径为 ０５８ｍｍ的条件下，能使点火发生的入

射激光脉冲宽度的临界值约为 １９００μｓ。

图 ２７（ｃ）表示入射激光光束半径增加，药剂表面温度上升变

慢，点火延迟时间变长。当入射激光光束半径大于某一值时，点火

便不能发生。当入射激光能量水平为 ３０ｍＪ、脉冲宽度为 １２００μｓ、

药剂的激光吸收系数为 １２×１０５

ｍ－１条件下，能使点火发生的入

射激光能量光束半径的临界值约为 ０９４ｍｍ。

图 ２７（ｄ）表示药剂的激光吸收系数降低，药剂表面温度上升

变慢，点火延迟时间变长。当激光吸收系数低于某一值时，点火便

不能发生。当给出的入射激光能量水平为 １８ｍＪ、脉冲宽度为

１２００μｓ、光束半径为 ０５８ｍｍ条件下，能使点火发生的药剂的激光

吸收系数的临界值约为 ０６×１０３

ｍ－１。

图 ２８所示为激光脉冲宽度分别为 ６００μｓ、１２００μｓ、１８００μｓ

时，激光光束半径与点火功率阈值曲线。

点火功率阈值 ＝临界点火能量

激光脉冲宽度

由图 ２８可以看出，点火功率阈值随激光光束半径的增大而

增大，但随着激光脉冲宽度的增大而减小。表 ２２列出了在相应

光束半径和激光脉宽下的点火功率阈值。

· ３２·

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图 ２８　激光脉宽、光束半径与点火功率阈值的关系

表 ２２　不同激光光束半径、不同脉冲宽度下点火功率阈值

ｍｋ

Ｐ

ｒ

６００ １２００ １８００

０５ ８３３３３ ７５０００ ７２２２２

０６ １１６６６７ １０８３３３ １０５５５６

０７ １５００００ １４１６６７ １３８８８９

　　注：ｍｋ为入射激光脉冲宽度（μｓ）；Ｐ为点火功率阈值（Ｗ）；ｒ为光束半

径（ｍｍ）

· ４２·

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综上所述，入射激光能量水平、激光光束半径、激光脉冲宽度、

激光吸收系数是影响药剂点火延迟时间的主要因素。其中，入射

激光能量水平越高，点火延迟时间越短；激光光束半径越小，点火

延迟时间越短；点火延迟时间随脉冲宽度的增大而增大，随激光吸

收系数的增大而减小。此外，对于同一种药剂，在一定激光脉冲宽

度下，药剂起爆所需的临界能量密度是一定的。

２３３　爆轰波在不同介质中传播性能模型

爆轰波在不同介质中的传播规律如图 ２９所示。

图 ２９　爆轰波在不同介质中的传播规律

根据爆轰理论，爆轰产物在传播时，在介质中产生爆炸冲击

波，同时在爆轰产物中反射压缩波，或者反射稀疏波。这种反射波

的性质取决于炸药及介质的物理特性。设炸药的初始密度为 ρ，

空气中爆速为 Ｄ，介质的原始密度为 ρｍ，介质中冲击波传播速度

为 Ｄｍ。如果炸药的冲击阻抗 ρＤ小于介质的冲击阻抗 ρｍＤｍ，则反

射时界面上的压力 ｐｘ高于爆轰波的 Ｃ－Ｊ压力 ｐＨ，反射中的产物

为冲击波；如果炸药的冲击阻抗 ρＤ大于介质的冲击阻抗 ρｍＤｍ，则

· ５２·

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反射时界面上的压力 ｐｘ低于 ｐＨ，反射中的产物为稀疏波。如果两

者冲击阻抗相等，则界面处不发生反射现象，入射波强度不变地传

入介质中去。这就是冲击波在介质中传播的界面效应［１，３，１０－１２］

。

２３３１　隔板入射冲击波的计算［１０－１２，２８］

设爆轰波的爆压、密度、质点速度和声速分别为 ｐＨ、ρＨ、ｕＨ 和

ｃＨ。根据爆轰理论，有：

ｐＨ ＝ １

γ＋１ρＤ２

，ρＨ ＝γ＋１

γ ρ，ｕＨ ＝ １

γ＋１Ｄ，ｃＨ ＝ γ

γ＋１Ｄ

（２－１３）

施主炸药爆轰后产生爆轰波作用于隔板，在隔板中透射冲击

波，对于航天隔板起爆器，一般采用金属隔板，隔板的冲击阻抗大

于施主装药的冲击阻抗，在爆轰产物中反射压缩波。由于反射回

产物中的波为一冲击波，而反射波传过后使得产物的质点速度由

ｕ＝ｕＨ 减低为分界面的运动速度 ｕｘ，即反射波传过后产物也获得

一个附加速度 ｕｒ，这一速度等于 ｕｘ与 ｕＨ 之差，即

ｕｒ＝ｕｘ－ｕＨ ＝－槡（ｐｘ－ｐＨ）（ｖＨ －ｖｘ） （２－１４）

式中 ｖＨ ＝１

ρＨ

，ｖｘ＝１

ρｘ

为比体积。

利用爆轰产物的多方方程 ｐ＝Ａργ（γ为等熵指数），可将反射

冲击波的雨果尼奥方程写成

ｖｘ

ｖＨ

＝（γ＋１）ｐＨ ＋（γ－１）ｐｘ

（γ＋１）ｐｘ＋（γ－１）ｐＨ

（２－１５）

将其代入式（２－１４），得到

ｕｘ＝ｕＨ － ｐＨｖＨ

ｐｘ

( ) ｐＨ

１－ｖｘ

槡 ( ) ｖＨ

（２－１６）

而其中

ｕＨ ＝ １

γ＋１Ｄ （２－１７）

· ６２·

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ｐＨｖＨ ＝ １

γ＋１ρＤ２

· γ

γ＋１ｖ （２－１８）

代入后得到

ｕｘ＝ Ｄ

γ＋１１－ 槡２γ（ｐｘ／ｐＨ －１）

[ 槡（γ＋１）ｐｘ／ｐＨ ＋（γ－１）] （２－１９）

由于分界面处产物和介质中所形成的冲击波初始压力和质点

速度相同，因此介质中初始冲击波的压力和质点速度为

ｐ０＝ｐｘ （２－２０）

ｕ０＝ｕｘ （２－２１）

在固体介质中，引入介质的雨果尼奥方程和动量方程

Ｄｍ ＝ａｍ ＋ｂｍｕ０ （２－２２）

ｐ０＝ρｍＤｍｕ０ （２－２３）

由以上式子导出

ｕ０＝ｕｘ＝ Ｄ

γ＋１１－ 槡２γ（ｐｘ／ｐＨ －１）

[ 槡（γ＋１）ｐｘ／ｐＨ ＋（γ－１）] （２－２４）

取 γ＝３，则有

ｕ０＝ｕｘ＝Ｄ

４ １－槡６（ｐｘ／ｐＨ －１）

槡４ｐｘ／ｐＨ

[ ＋２] （２－２５）

ｐＨ ＝ρＤ２／４ （２－２６）

ｐ０＝ｐｘ＝ρｍ（ａｍ ＋ｂｍｕｘ）ｕｘ （２－２７）

其中 ａｍ、ｂｍ 为介质的雨果尼奥常数。

联立上面 ３式，即可求出炸药爆炸后进入隔板介质的初始冲

击波压力 ｐ０和质点速度 ｕ０。

本书利用 ＬａｂＶＩＥＷ软件编写了如图 ２１０所示程序，只需输

入装药密度 ρ，爆速 Ｄ，隔板介质密度 ρｍ，以及 ａｍ 和 ｂｍ 等相应参

数，即可计算出初始冲击波压 ｐ０与质点速度 ｕ０的值。

· ７２·

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图 ２１０　计算初始冲击波压及质点速度程序前面板

　　例如，对于某聚奥施主装药，ρ＝１７０５ｇ／ｃｍ３

，Ｄ＝８３ｋｍ／ｓ，金

属隔板 ρｍ ＝７８ｇ／ｃｍ３

，ａｍ ＝２５７２ｋｍ／ｓ，ｂｍ ＝１５３６。将以上参数输

入程序，计算得 ｐ０ ＝４２９９ＧＰａ，ｕ０ ＝１２３３ｍ／ｓ。又由 Ｄｍ ＝ａｍ ＋ｂｍｕ０

计算得出 Ｄｍ ＝４４６７ｋｍ／ｓ，则 ρｍＤｍ ＝３４８４×１０７

ｋｇ·ｍ／ｍ３·ｓ，

ρＤ＝１４１５×１０７

ｋｇ·ｍ／ｍ３

·ｓ，所以 ρｍＤｍ ＞ρＤ，而由 ｐＨ ＝ρＤ２／４计

算出 ｐＨ ＝２９３６ＧＰａ，可见 ｐｘ＝ｐ０ ＞ｐＨ，与实际情况相符合，证明了

上述理论和求解程序的正确性。

２３３２　冲击波透过隔板衰减［３］

冲击波在介质中的衰减过程相当复杂，很难从理论上得到精

确的解析表达式，为此，一般采用经验表达式，即冲击波在介质中

衰减规律近似符合指数衰减规律：

ｐ１＝αｐ０ｅ－βｔ （２－２８）

式中 α、β为常数，与隔板材料有关，通常由实验测定，ｔ为冲击波

透过的隔板厚度。此外，由于受主装药阻抗小于隔板阻抗。当冲

· ８２·

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击波由隔板进入受主装药时，输出压力变为：

ｐ２＝ｐ１

２ρ２Ｄ２

ρ２Ｄ２＋ρｍＤｍ

（２－２９）

其中，ρｍＤｍ 和 ρ２Ｄ２分别为隔板介质和受主装药的冲击阻抗。

２３３３　受主装药的起爆［１０－１２］

受主装药的起爆属于冲击起爆机理，航天火工分离装置使用

的装药为非均相炸药，即具有密度不连续性和不均匀性的炸药，实

际应用的固体炸药一般都是非均相炸药。它的起爆判据是临界起

爆能量，对于近似矩形的短脉冲冲击波，它的定义为：

Ｅ＝μｐ２

τ （２－３０）

式中 μ为和炸药有关的常数，ｐ为冲击波压力，τ为冲击波持续

时间。

对于隔板传爆装置，施主装药起爆后，爆轰波通过隔板介质衰

减，提供给受主装药的是一个衰减压力脉冲，其输出压力峰值为

ｐ２。受主装药能否被起爆主要决定于隔板输出的冲击波大小，也

即 ｐ２必须大于受主装药的临界冲击起爆压力。对于不同的受主

装药，有不同的临界起爆压力，例如 ＰＥＴＮ的临界起爆压力为

０９１ＧＰａ，ＴＮＴ的临界起爆压力为 １０４ＧＰａ，ＰＢＸ９４０４的临界起爆

压力为 ６４５ＧＰａ。

２３４　装药爆轰控制方程

２３４１　守恒方程

爆炸问题属于弹塑性流体动力学范畴，其基本方程包括动量

守恒、质量守恒和能量守恒三个方程［１０－１２，２９－３０］

。以一维空间的情

况为例，它们可写成

· ９２·

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ｖ／ｖ０＝ｕ

ｒ （２－３１）

ｕ

· ＝－ｖ０

ｐ

ｈ （２－３２）

Ｅ

·

＝－ｐｖ

· （２－３３）

式中 ｒ为拉格朗日坐标，ｖ＝１

ρ

为比体积，ｕ为质点速度。可将上面

三个方程写为以下形式：

ｖ＝Ｒ

ｍ （２－３４）

ｕ

ｔ＝－σｒ

ｍ （２－３５）

Ｅ

ｔ＝－（σｒｕ）

ｍ ＋



ｍ λＴ ( ) Ｒ （２－３６）

式中 λ为热传导系数；Ｅ为总能量，它等于内能 Ｉ与 １

２ｕ２ 之和；ｍ

为单位表面或单位立体角内的质量，有

ｄｍ＝ρ０ｄｒ （２－３７）

Ｒ为欧拉坐标，有

Ｒ

ｔ＝ｕ （２－３８）

σｒ为径向应力，有

σｒ＝ｐ＋ｑ＋Ｓ （２－３９）

其中 ｐ和 ｑ分别为压力和人为粘性项，Ｓ为应力偏量，约定应力偏

量与压力同号。

Ｓ＝２με－１ ( ) ３ｖ／ｖ （２－４０）

式中 μ为剪切模量，ε为径向应变的应变率，其表达式为：

ε＝ｕ

Ｒ （２－４１）

· ０３·

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人为粘性项的选取，采用 ＶｏｎＮｅｕｍａｎｎ提出的形式

ｑ＝ρｃ２

１ Δｕ２ （２－４２）

式中 ｃ１为常数。

２３４２　炸药及产物的状态方程［１１－１２］

炸药的状态方程用来求解压力，通常采用 ＪＷＬ状态方程，其

形式为：

Ｐｓ＝Ａｓ １－

Ｗｓ

( ) Ｒ１ｓｖｓ

ｅｘｐ（－Ｒ１ｓｖｓ）＋Ｂｓ １－

Ｗｓ

( ) Ｒ２ｓｖｓ

ｅｘｐ（－Ｒ２ｓｖｓ）＋

ＷｓＥｓ

ｖｓ

（２－４３）

式中下标“ｓ”表示炸药，ｖｓ＝ｖｓ／ｖ０为相对比体积，Ａｓ、Ｂｓ、Ｒ１ｓ、Ｒ２ｓ、Ｗｓ

为常数。Ｂｓ为负值，允许炸药受拉伸，Ｗｓ为格林爱森参数。方程中

的常数是这样来确定的：既拟合实验的雨果尼奥数据，又拟合初始

声速。通过下面关系来调整初始内能：当 ｖｓ＝１，Ｔ＝２９８Ｋ时，Ｐｓ＝０。

爆轰产物采用 ＪＷＬ状态方程，形式与炸药的 ＪＷＬ状态方程相

同：

Ｐｇ＝Ａｇ １－

Ｗｇ

( ) Ｒ１ｇｖｇ

ｅｘｐ（－Ｒ１ｇｖｇ）＋Ｂｇ １－

Ｗｇ

( ) Ｒ２ｇｖｇ

ｅｘｐ（－Ｒ２ｇｖｇ）＋

ＷｇＥｇ

ｖｇ

（２－４４）

式中下标“ｇ”表示爆轰产物，其余参数含义同上。

２３４３　反应速率方程与平衡方程［１１－１２］

炸药爆轰是一个释放化学能的化学反应过程，反应速率表示

反应进行的快慢，可用来计算反应进行的程度。设 λ为反应产物

的质量分数，其定义为

λ＝ Ｍｇ

Ｍｇ＋Ｍｓ

（２－４５）

点火与增长模型假设炸药的反应率受压力及表面积所控制，

· １３·

第二章 火工分离装置及其模型

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微小球形燃烧区增长，使热点间的炸药在１０－６ｓ内耗尽。基于此

模型假设的反应率方程可写为

λ＝Ｉ（１－λ）２／９

η４＋Ｇ（１－λ）２／９

λ２／９

ｐｚ （２－４６）

式中 Ｉ、Ｇ、ｚ为常数。

炸药及爆轰产物混合系统的比内能 Ｉ、比容 ｖ可写为

Ｉ＝λＩｇ＋（１－λ）Ｉｓ （２－４７）

ｖ＝λｖｇ＋（１－λ）ｖｓ （２－４８）

若混合系统既达到力学平衡又达到热平衡，则有如下两个

方程：

ｐｓ（ｖｓ，Ｉｓ）－ｐｇ（ｖｇ，Ｉｇ）＝０ （２－４９）

Ｔｓ（ｖｓ，Ｉｓ）－Ｔｇ（ｖｇ，Ｉｇ）＝０ （２－５０）

根据以上守恒方程、炸药及产物的状态方程、反应速率方程、

平衡方程，就可对炸药的爆炸过程进行数值模拟。

２４　软件仿真算法

２４１　有限元计算方程

爆炸对物体的作用是复杂的力学问题，难以得到精确的解析

解。随着计算技术的发展，可以采用数值模拟方法对爆炸力学问

题进行分析。在爆炸冲击环境中，通常把结构用有限元离散化，其

有限元方程表示为

Ｍ¨ｘ（ｔ）＋Ｃｘ（ｔ）＋Ｆ（ｘ，ｘ）＝Ｐ（ｘ，ｔ）＋Ｈ （２－５１）

式中，Ｍ为总质量矩阵，Ｐ为总体载荷矢量，Ｆ为单元应力场等效

节点力矢量组，Ｈ为总体结构沙漏粘性阻尼力，Ｃ为结构阻尼系

数，¨ｘ（ｔ）为总体节点加速度矢量，ｘ（ｔ）为总体节点速度矢量。

· ２３·

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动力平衡方程的数值解法采用直接积分法，时间积分采用显

式中心插分法。

２４２　ＬＳＤＹＮＡ软件算法

对爆炸力学的数值模拟［５－８，４１－４２，７０－７６］

，可以采用三种算法。

拉格朗日算法是指用拉格朗日坐标系来描述物体变形的方法，点

的坐标固结在变形体的内部，跟踪质点的运动。当物体变形时，坐

标网格也随着变形，它的质量自动守恒，能够清晰地显示求解区域

内部多种物质的界面和自由界面，也可以明确地定义及直观地处

理边界条件，然而一旦空间网格变形，材料也跟着变形，所以对于

大变形情况，网格可能发生严重畸变，使计算终止；欧拉算法是指

用欧拉坐标系描述物体运动的方法，欧拉坐标系固定在空间里，当

物体运动变形时，这个坐标系不变，只是研究在指定时刻，某一已

给定坐标网格中的介质运动。由于有限元网格固定在空间里不随

材料运动变形，允许材料发散，因而适用于描述材料有大扭曲变形

的问题。然而它不显式描述接触面和材料边界，因此对各类固体

边界和接触面的定义很不方便，而且也不便于描述复杂的材料本

构关系。

ＡＬＥ方法是在吸收拉格朗日算法和欧拉算法基础上，发展起

来的一种混合算法。它最早是为了解决流体问题而引入的，可以

克服单元严重畸变引起的数值计算困难，很好地处理整个物体发

生空间位移及本身发生大变形的问题，并实现流 －固耦合的动态

分析。ＡＬＥ算法分为 ３步：（１）显式 ＬＡＧＲＡＮＧＥ计算，即只考虑

压力梯度分布对速度和能量改变的影响，在动量方程中压力取前

一时刻的量，因此是显式格式；（２）用隐式格式解动量方程，而把

步骤 １求得的速度分量作为迭代求解的初始值；（３）重新划分网

格和网格之间输运量的计算。ＡＬＥ将连续体在初始时刻 ｔ０ 的构

· ３３·

第二章 火工分离装置及其模型

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形记为 ΩＸ，将 ｔ时刻的构形记为 Ωｘ，ＡＬＥ描述引入了一个可以独

立于初始变形和现时构形的参考构形，记为 Ωε。为了确定参考构

形中各参考点的位置，引入参考坐标 Ｏε１ε２ε３，参考构形中各点的

位置由其在参考坐标中的位置矢量 ε确定。ＡＬＥ描述下的随体

导数可写为

Ｆ

ｔＸ

＝Ｆ（ε，ｔ）

ｔ ε

＋ｃｉ

Ｆ

ｘｉ

（２－５２）

式中，Ｆ为某一物理量，ｃｉ＝ｕｉ－ωｉ为 ＡＬＥ描述下的对流速度，ｕｉ

为质点 Ｘ的物质速度，ωｉ为参考点 ε的物质速度，亦即网格速度。

通过上式将连续介质力学基本方程转化为 ＡＬＥ描述的现时

构形中的控制方程有：

（１）质量守恒方程

ρ

ｔε

＋ｃｉ

ρ

ｘｉ

＋ρ

ｖｉ

ｘｉ

＝０ （２－５３）

（２）动量守恒方程

ρ

ｖｉ

ｔε

＋ρｃｊ

ｖｉ

ｘｊ

＝σｉｊ

ｘｊ

＋ρｆｉ （２－５４）

（３）能量守恒方程

ρ

ｅ

ｔε

＋ρｃｉ

ｅ

ｘｉ

＝σｉｊ

ｖｉ

ｘｊ

－ｑｉ

ｘｉ

（２－５５）

式中，ρ为密度，ｆｉ为单位质量的张力，σｉｊ为柯西应力张量，ｅ

为单位质量的内能，ｑｉ为热通量。

在爆炸分析过程中，炸药可视为流体，采用 ＡＬＥ网格，结构采

用 Ｌａｇｒａｎｇｅ网格，便于观察受力变形及破坏情况。

· ４３·

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２４３　爆炸模拟的几种方法

在采用有限元软件进行计算的时候，有三种方法可以用来模

拟炸药爆炸对结构的作用［５－８，４４－４６，５０－５１］

。它们分别是共用节点

法、接触耦合法、流固耦合法。

共用节点方法是将炸药与结构均采用 ８节点实体单元模拟，

炸药单元与结构单元之间在作用面上具有相同的节点，炸药的爆

炸作用通过共用节点传递给结构。

接触耦合方法中，炸药单元与结构单元之间是相互独立的，在

作用面上通过定义接触来使二者发生关联，炸药的爆炸作用通过

接触传递给结构。

流固耦合方法中，炸药单元与结构单元之间是相互独立的，此

外在炸药可能的膨胀空间定义流固耦合空间，炸药空间与流固耦

合空间共节点，流固耦合空间的大小应能包含结构在内。炸药与

流固耦合空间采用 ＡＬＥ单元，结构采用拉格朗日单元，此外需要

定义耦合算法，炸药的爆炸作用通过耦合空间传递给结构。

在后面的终端功能装置工作过程的仿真中，应根据模型选择

合适的模拟方法或它们的组合，结合现有的实验结论与文献资料

进行校正，以得到更为合理的结果。

２５　小 结

本章定义并研究了组成火工分离装置的几个层次：起爆系统、

非电传爆系统、终端功能装置以及火工分离装置与外部环境的作

用。通过能量的转换关系以及爆轰波在各个子系统之间的传递衰

减规律，建立起了它们之间的联系；对各个子系统的工作过程建立

· ５３·

第二章 火工分离装置及其模型

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了性能模型；最后，研究了仿真算法及不同的爆炸模拟方法。本章

主要讨论以下内容：

（１）对起爆系统进行了研究，建立了热起爆和电热桥丝起爆

的数学模型，通过对激光起爆的数值模拟和结果分析，研究了影响

激光起爆的因素。

（２）对爆轰波在不同介质中的传递规律进行了研究。推导了

施主装药爆炸产生的冲击波到达隔板介质后的大小。利用 Ｌａｂ

ＶＩＥＷ软件编制程序计算了入射冲击波峰值压力和质点初始速

度，并以某聚奥施主装药和金属隔板的参数代入计算进行验证，计

算结果符合理论和实际，验证了推导公式和程序的正确性。本章

的研究有助于更好地了解传爆序列的工作原理和过程。

（３）建立了炸药爆轰的一系列方程，包括守恒方程、状态方

程、反应速率方程、平衡方程，通过这些方程联立求解，可以对炸药

爆轰过程进行数值模拟。

（４）给出了软件的控制方程，对爆炸仿真的拉格朗日法、欧拉

法和 ＡＬＥ算法原理进行了介绍，比较了各自的优缺点，本书主要

采用的 ＡＬＥ算法比较适合于解决爆炸作用的大变形问题，能较好

地处理多种流固物质耦合的情况，然而它的缺点是对于参数的设

置十分敏感，需要结合试验进行修正。

（５）对于爆炸模拟的三种方法：共用节点法、接触耦合法、流

固耦合方法分别进行了介绍。具体选用哪种仿真方法或者它们的

组合，需要结合实际情况灵活选用。

· ６３·

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第三章 聚能切割分离

　　　　装置性能分析

３１　引 言

聚能切割分离装置［５２－６３］

是航空航天上应用较广的一类火工

装置，其基本形状是由内装有猛炸药的金属管被拉制成截面呈倒

Ｖ字形的细长条。当起爆器起爆装药后，因聚能穿甲效应，金属罩

在爆炸作用下被压垮，爆炸产生的高温高压气体和金属气化后的

气体形成高速“刀片”状射流，具有较强的切割能力。聚能火工装

置具有能量大、能切割多种结构及材料等特点，是应用较早较多的

火工分离装置。

由于聚能切割分离的研究涉及材料在高温、高压及高应变率

下的大变形等复杂力学问题，难以用传统的力学公式来描述，解析

方法所涉及的范围非常有限，目前尚无实用有效的解析方法，因此

人们对聚能切割分离的研究以经验设计和试验验证为主。随着计

算机技术和数值分析方法的发展，数值模拟已经成为了一种重要

研究手段。本章运用非线性有限元分析软件，采用任意拉格朗日

－欧拉（ＡＬＥ）算法和拉格朗日法相结合，以某方案聚能爆破打开

装置为研究对象进行建模，对其工作过程进行数值模拟，并与现有

试验结论和文献资料进行对比分析，验证了模型的合理性和算法

· ７３·

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的可行性。本章还针对影响聚能分离效果的几个因素：锥角、壁

厚、炸药特性、炸高分别进行了仿真分析，根据分析结果进行了优

化设计。

３２　结构形状与材料模型

３２１　结构形状

本节的研究对象为某环形聚能切割分离装置，切割对象为钢

板，设计要求应能可靠切割大于 ５ｍｍ厚的钢板，根据实验得知，该

设计方案能满足设计要求，能将 ５ｍｍ钢板完全分离。该环形聚能

切割装置形状如图 ３１所示。

图 ３１　环形聚能切割分离装置

聚能切割装置主要由炸药、药型罩、橡胶组成，它的结构组成

如图 ３２（ａ）所示。

炸药一般采用具有较高密度、较高爆速和爆压的高能炸药，常

用的装药有泰安、黑索今、聚奥等；药型罩的作用是在爆炸作用产

生的高温高压下气化从而形成金属射流，通常采用紫铜、铅锑合

金、铅、银等金属制作而成；橡胶主要起支撑和调节炸高的作用，同

· ８３·

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时对爆炸产生的冲击波有一定的缓冲和吸收作用，减少爆炸冲击

的危害。

图 ３２　聚能切割装置结构示意图及有限元模型

３２２　材料模型及参数

炸药为某塑性炸药，密度为 １６６ｇ／ｃｍ３

，爆速为 ８２０４ｍ／ｓ，爆压

２７ＧＰａ。选用高能炸药模型 ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ，该模

型通过式（３－１）定义在任意时刻炸药材料单元上的压力。

Ｐ＝ＦＰｅｏｓ（ｖ，Ｅ） （３－１）

式中 Ｆ为炸药反应的部分，ｖ为比体积，Ｅ为每单位初始体积的内

能。该模型需要定义一个状态方程来求解 Ｐｅｏｓ（ｖ，Ｅ）。选用 ＪＷＬ

状态方程来描述在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能

量特性。

Ｐｅｏｓ（ｖ，Ｅ）＝Ａ１－Ｗ

Ｒ１ ( ) ｖｅｘｐ（－Ｒ１ｖ）＋Ｂ １－Ｗ

Ｒ２ ( ) ｖｅｘｐ（－Ｒ２ｖ）＋

ＷＥ

ｖ

（３－２）

药型罩材料为紫铜，密度为 ８９３ｇ／ｃｍ３

，剪切模量为 ４７７ＧＰａ。

· ９３·

第三章 聚能切割分离装置性能分析

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采用 ＭＡＴ＿ＪＯＨＮＳＯＮ＿ＣＯＯＫ材料模型，该模型适用于材料具有较

大范围应变率的情况，需要定义一个状态方程来求解压力。选用

ＧＲＵＮＥＩＳＥＮ状态方程来描述药型罩在爆轰波作用下的动力响应

行为，它可用来模拟高应变（＞１０５

）条件下的材料变形问题，其在

压缩状态时的表达式为：

Ｐ＝

ρ０Ｃ２

μ１＋ １－γ０

( ) ２ μ－ａ

２ [ μ] ２

１－（Ｓ１－１）μ－Ｓ２

μ２

μ＋１－Ｓ３

μ３

[ （μ＋１）２]

２＋（γ０＋ａμ）Ｅ０

（３－３）

在拉伸状态时的表达式为：

Ｐ＝ρ０Ｃ２

ｕ＋（γ０＋αμ）Ｅ （３－４）

其中 Ｃ是 ｖｓ－ｖｐ（剪切 －压缩波速）曲线的截距；Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３是 ｖｓ－ｖｐ

曲线的斜率系数，γ０ 是 ＧＲＵＮＥＩＳＥＮ常数，ρ０ 为正常状态下介质

的密度，ａ是 γ０和 μ＝ρ

ρ０

－１的一阶修正量。

橡胶 密 度 为 １１５ｇ／ｃｍ３

，泊 松 比 为 ０４９９。 采 用 ＭＡＴ＿

ＭＯＯＮＥＹ－ＲＩＶＬＩＮ＿ＲＵＢＢＥＲ材料模型，该模型的应变能密度通

过式（３－５）定义。

Ｗ＝Ａ（Ⅰ －３）＋Ｂ（Ⅱ －３）＋Ｃ（Ⅲ －２－１）＋Ｄ（Ⅲ －１）２

（３－５）

Ｃ＝０５Ａ＋Ｂ （３－６）

Ｄ＝Ａ（５ｖ－２）＋Ｂ（１１ｖ－５）

２（１－２ｖ） （３－７）

其中 ｖ为泊松比，２（Ａ＋Ｂ）等于线弹性剪切模量，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为柯西 －格

林张量 Ｃ的不变量。该模型材料不需要定义状态方程。

被切割材料为 ５ｍｍ厚钢板，密度为 ７８３ｇ／ｃｍ３

，泊松比为

０３，抗拉强度为 ６００ＭＰａ，屈服点为 ３５５ＭＰａ，弹性模量为 ２０７ＧＰａ，

失效应变为 ０７５％。采用带失效模式的塑性随动模型 ＭＡＴ＿

· ０４·

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