分离类火工装置故障模式分析与管控

分离类火工装置故障模式分析与管控

王智康

陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061

摘要：随着我国在军事领域不断的开拓发展，军事技术不断地进步，火工品在军事领域的使用率也越来越高。并且，在很多军备产品中火工品逐渐占据了至关重要的地位，这其中比较有代表性的就是分离类火工装置。本篇文章主要介绍了分离类火工装置失效模式以及相对应的管控措施。

关键词：火工装置；爆炸螺栓；失效模式；管控措施

1.前言

火工装置主要由发火元件、装药和功能机构组成，利用火炸药、推进剂的燃烧或爆炸反应产生能量，并以活塞线性机械运动的方式传递，进而完成预设功能。是涉及含能材料、爆炸与燃烧、工程力学、测试测量等多学科专业的综合技术。火工装置以其体积小、质量轻、能量质量比高、可靠性高、动作迅速等优点，在各个领域发挥着不可替代的重要作用。火工装置的设计要点是既要保证结构具有足够的静强度[1]，又要实现可靠分离，同时还要求壳体结构完整。

在火工装置中尤以爆炸螺栓最具代表性，也是最常见的分离类火工装置。爆炸螺栓是可靠的且有效的机械固紧装置，具有自身解脱的特点。因此，爆炸螺栓有双重作用，在未通电作用时起到连接要分离的两个部件的作用，不能出现意外断裂；在通电作用后应能可靠地使连接的两部分分离，起到解脱分离的作用。这就要求爆炸螺栓既要有较一定的强度，又不影响可靠分离。

从美国的“水星号”飞船[2]到欧空局的“阿里亚娜” 火箭，从俄罗斯“联盟号”飞船到我国的“长征系列”火箭，几乎每个航天飞行器都需要几个乃至几十个火工装置完成关键动作与程序，任何环节的失效都会导致灾难性的后果。因此，分离类火工装置在军事领域逐渐占有了至关重要的地位，本片文章主要阐述了爆炸螺栓的失效模式以及应对这些失效隐患的相应措施。

2.故障模式分析

失效模式分析是指对能造成产品失效的各种可能性进行分析、分类、分级。该装置在设计过程中，按照零件、元件、整机对组成产品的单点失效故障模式进行分析辨识，对同类产品故障问题进行了动态的举一反三分析，不断扩充故障模式库。按照GJB/Z768A-98《故障树分析指南》以及 Q/QJA304《航天型号产品不可检测项目与识别要求》，对产品进行 FTA 及 FMEA 分析，确认 I，II 类单点故障模式，确定3类关键特性及其控制手段[3]。通过对这些故障模式的详细解析，可以避免类似的情况发生，从而影响火工装置的可靠度。

2.1爆炸螺栓功能失效

爆炸螺栓的失效有很多因素的影响，大体可分为两大类：设计过程、工艺过程。

2.1.1 设计过程

产品在设计研发的过程中，会通过多方面考虑综合所有情况来进行产品定型，其影响因素也存在多面性。因此，产品在设计方面的功能失效模式也分为多种：材料、药剂、结构设计等。

壳体材料的选择尤为重要，通常主要考虑其强度、硬度、耐蚀性和耐氧化性等多种性能。通常，产品的失效主要表现在原材料的选择以及后续的热处理工艺，为了避免这种情况的发生，需要在产品设计阶段详细了解其使用环境，根据这些条件进一步筛选原材料。

药剂的选择关乎到火工装置整体的点、传火序列，产品在设计初期会按照技术要求所规定的参数，进行药剂的选择以及药量的初定。药剂的失效主要来自于药剂之间的不匹配性以及药剂与材料的相容性。为了验证药剂种类以及药量的合理性，一般在产品设计初期会根据GJB1307A-2004《航天火工装置通用规范》的要求进行大小药量的试验。

产品在结构设计阶段，为了提高其整体的可靠度，避免因设计问题所带来的产品失效，我们通产都会采用冗余设计与裕度设计相结合的设计思路。

冗余设计是指采用多个起爆、传爆序列起爆一个最终实现功能的终端。各爆炸序列之间应完全独立，互不干扰。在结构尺寸、设计质量允许的条件下，采用冗余设计可以大幅提高产品可靠性，有效的降低产品因设计原因所导致的失效概率，保证产品最终功能的实现。

裕度设计是指对火工装置各级点火、传火、传爆序列之间的点传火能力在设计上留有一定 的余量，能够克服各种装药性 能散差、药量散差、装配间隙散差、高低温以及力学环境散差、装配散差、操作散差等带来的不利影响，确保最终功能的实现。裕度设计的基本要求是满足GJB1307A-2004《航天火工装置通用规范》。

2.1.2工艺过程

产品生产过程中的质量控制是关乎产品可靠性至关重要的步骤，其中多余物是影响产品质量的重要因素，对于多余物的控制是提高火工装置可靠度的有效方法。

爆炸螺栓在螺纹连接部位，合理选用垫圈材料规格，防止其断裂产生多余物；在涂胶、涂脂位置，严格量化控制胶、脂用量，防止胶、脂与药剂接触，或堵塞通道；合理设计密封结构，防止工作前多余物进入产品内部；产品均进行 100% 射线检查，判断是否存在多余物。

机械加工环节重点针对塑压、封接、镀覆等可能影响产品电性能的环节，主要是防止金属多余物的引入，一般可以通过超声波清洗等手段将各种杂质清洗干净。装配环节进行严格装前

镜检，采用显微镜检查确认放电通道相关部位无飞边、毛刺等多余物。始发点火组件焊桥工艺通过试焊，在保证不虚焊的条件下尽可能降低焊接电压，减少电焊飞溅物的产生；对焊桥件和药室组件均 100% 振动筛选，剔除电阻不稳定产品；涂胶、灌胶后及时进行清查，100% 检查关键部位确保无残多余物残留。

3结论

火工品不同于其他产品，对于可靠性的要求非常高，不允许对其失效采取“亡羊补牢”的思路[4]，而要先入为主，在产品设计初期要秉承着百分百可靠、百分百安全的设计理念，做到预先控制、防患于未然。本文主要介绍了分离类火工装置常见的故障模式，可以了解到分离火工装置在不能完成预定功能时所存在的可能情况，以便于在以后的设计生产过程中采取针对性的措施，避免这些情况的出现，提高产品整体的可靠度。

[1] 王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2] BEMENT L J, SCHIMMEL M L. Manual for Pyrotechnic Design Development and Qualification: N95-31358[R]. HamptonVirginia: National Aeronautics and Space Administration Langly Research Center, 1995.

[3]王寅虎,徐汉中,潘安,等.某新型复杂火工装置质量控制的方法与实践[J].唐航天工业管理,2018(08):169-174.

[4]赵伟,王成.火工品失效模式[J].四川工业学报,2010 第31卷 第7期