航天器上配備的火工作動(dòng)裝置用于完成關(guān)鍵程序動(dòng)作與任務(wù)，具有很高的可靠性與安全性要求。針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)火工作動(dòng)裝置的工作過程，建立非線性流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，在推力與拉力負(fù)載兩種工況下，采用有限體積法、有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到火工作動(dòng)裝置工作過程中流場(chǎng)變化規(guī)律與輸出性能。數(shù)值模擬結(jié)果表明，航天器火工作動(dòng)裝置流固耦合過程的數(shù)值分析能夠模擬其工作過程，火工作動(dòng)裝置的負(fù)載對(duì)輸出性能有較大影響。

　　引言

　　航天器入軌后始終運(yùn)行在真空環(huán)境中，通常配備有多個(gè)火工作動(dòng)裝置，以完成關(guān)鍵程序動(dòng)作與任務(wù)�；鸸ぷ鲃�(dòng)裝置以裝藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體作為驅(qū)動(dòng)源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并輸出線性作動(dòng)力。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)火工作動(dòng)裝置具有很高的可靠性與安全性要求，且需要考慮到火工沖擊對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的影響�；鸸ぷ鲃�(dòng)裝置的設(shè)計(jì)主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，一般研制程序?yàn)榻?jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)-大量試驗(yàn)-改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于火工作動(dòng)裝置關(guān)鍵參數(shù)的微調(diào)能對(duì)輸出性能產(chǎn)生巨大影響[2]，實(shí)際研制過程中總是需要進(jìn)行大量試驗(yàn)與反復(fù)修改設(shè)計(jì)，導(dǎo)致研制周期長(zhǎng)、成本高。另一方面，由于火工作動(dòng)裝置的體積較小、工作時(shí)間極短(毫秒級(jí))，對(duì)其工作過程性能的全面測(cè)試有較大困難。因此，為了提高火工作動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)水平、縮短研制周期、降低研制成本、全面而準(zhǔn)確獲得其工作過程性能，對(duì)火工作動(dòng)裝置工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬是十分必要的。

　　20世紀(jì)50年代末，美國(guó)、俄羅斯就開始在航天器上采用各種火工裝置，已積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行了一定的相關(guān)理論研究。1993年，Kuo等[3]分析了由NASA 標(biāo)準(zhǔn)電起爆器驅(qū)動(dòng)拔銷器的動(dòng)態(tài)特性，分別采用C語音、MESA-2D代碼程序建立了兩個(gè)理論分析模型，分析結(jié)果能與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更好地吻合。此后，Goldstein等采用NASA-2D和DYNA 3D軟件對(duì)拔銷器和電爆閥門的工作過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，為結(jié)構(gòu)受力和變形的研究提供了依據(jù)。1994年，Gonthier 等[5-6]以NASA 標(biāo)準(zhǔn)電起爆器驅(qū)動(dòng)的拔銷器為研究對(duì)象，采用LSODE標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)λ�建立的理論模型進(jìn)行求解計(jì)算，對(duì)該拔銷器火藥(Zr/KClO4)燃燒過程、活塞運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析。美國(guó)的一些專業(yè)火工裝置生產(chǎn)廠也開發(fā)了自己的性能分析和模擬手段，如Scot公司能夠?qū)�火藥燃燒過程、分離作動(dòng)過程、溫度、壓力等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

　　南京理工大學(xué)的王濤等基于經(jīng)典內(nèi)彈道和氣體動(dòng)力學(xué)理論，建立了二級(jí)活塞式拋放彈射機(jī)構(gòu)的理論模型，采用Godnov差分格式對(duì)該彈射機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同參數(shù)對(duì)其彈射效果的影響。高濱基于經(jīng)典內(nèi)彈道理論，建立了火工作動(dòng)裝置的性能計(jì)算模型，利用性能仿真模型對(duì)一種彈射裝置進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。北京理工大學(xué)的葉耀坤等對(duì)一種用于高速導(dǎo)彈分離系統(tǒng)的楔塊式火工解鎖螺栓動(dòng)作過程建立了內(nèi)彈道模型，并利用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真計(jì)算，可以反映該火工解鎖螺栓的分離運(yùn)動(dòng)特性。綜上所述，火工作動(dòng)裝置的仿真分析模型關(guān)注火藥的燃燒過程，采用牛頓第二定律描述活塞的運(yùn)動(dòng)過程，均沒有考慮火工作動(dòng)裝置工作過程中的非線性流固耦合等本質(zhì)特性。

　　針對(duì)火工作動(dòng)裝置工作過程中的非定常、高速可壓縮高溫高壓氣體與活塞之間的非線性流固耦合問題，以伸長(zhǎng)型火工作動(dòng)裝置為研究對(duì)象，引入任意拉格朗日-歐拉(ALE)方法描述流場(chǎng)控制方程，建立火工作動(dòng)裝置工作過程的流固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在不同負(fù)載工況條件下，結(jié)合有限體積法與有限元法進(jìn)行求解計(jì)算，獲得火工作動(dòng)裝置的流場(chǎng)變化規(guī)律、活塞運(yùn)動(dòng)位移和速度等輸出性能。

　　1、流固耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

　　火工作動(dòng)裝置燃燒室內(nèi)火藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體流經(jīng)腔室后作用于活塞，活塞克服負(fù)載開始運(yùn)動(dòng)，輸出滿足要求的推力，如圖1所示。火工作動(dòng)裝置的工作過程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，工作時(shí)間極短，涉及到高溫高壓氣體的超音速流動(dòng)、幾何非線性(活塞的大位移運(yùn)動(dòng))、狀態(tài)非線性(筒壁與活塞的接觸)、流固熱多場(chǎng)耦合等重要問題，這是一個(gè)強(qiáng)瞬時(shí)性、強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)火工作動(dòng)裝置工作過程性能的數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)就是非線性流固熱耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及其求解問題。

圖1 火工作動(dòng)裝置工作原理圖

1. 燃燒室；2. 節(jié)流孔；3. 腔室；4. 活塞

　　4、結(jié)論

　　以復(fù)雜結(jié)構(gòu)火工作動(dòng)裝置為研究對(duì)象，引入任意拉格朗日-歐拉(ALE)描述方法，建立了火工作動(dòng)裝置工作過程的非線性流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，采用有限體積法、有限元法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：

　　(1)采用有限體積法、有限元法對(duì)火工作動(dòng)裝置的工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬是有效的，理論模型表征了火工作動(dòng)裝置工作過程的非線性流固耦合本質(zhì)特征，通過求解計(jì)算得到了其流場(chǎng)變化規(guī)律與輸出性能；

　　(2)火工作動(dòng)裝置在推力、拉力兩種負(fù)載工況下，其輸出性能基本保持一致，具有較強(qiáng)的負(fù)載自適應(yīng)性；

　　(3)由于火工作動(dòng)裝置的體積較小，工作時(shí)間極短，工作過程中腔室空間內(nèi)各點(diǎn)壓力變化規(guī)律一致，可以認(rèn)為腔室空間內(nèi)各點(diǎn)壓力是瞬時(shí)平衡的；

　　(4)火工作動(dòng)裝置活塞運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，會(huì)對(duì)筒體產(chǎn)生較大沖擊，進(jìn)而對(duì)火工作動(dòng)裝置及其周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，需要考慮采取相應(yīng)的緩沖措施。