航天器上配備的火工作動裝置用于完成關鍵程序動作與任務，具有很高的可靠性與安全性要求。針對復雜結構火工作動裝置的工作過程，建立非線性流固耦合動力學模型，在推力與拉力負載兩種工況下，采用有限體積法、有限元法進行數值計算，得到火工作動裝置工作過程中流場變化規律與輸出性能。數值模擬結果表明，航天器火工作動裝置流固耦合過程的數值分析能夠模擬其工作過程，火工作動裝置的負載對輸出性能有較大影響。

　　引言

　　航天器入軌后始終運行在真空環境中，通常配備有多個火工作動裝置，以完成關鍵程序動作與任務。火工作動裝置以裝藥燃燒產生的高溫高壓氣體作為驅動源，將化學能轉化為機械能并輸出線性作動力。在實際工程應用中，對火工作動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航天器結構的影響。火工作動裝置的設計主要依賴工程經驗，一般研制程序為經驗/半經驗設計-大量試驗-改進設計。由于火工作動裝置關鍵參數的微調能對輸出性能產生巨大影響[2]，實際研制過程中總是需要進行大量試驗與反復修改設計，導致研制周期長、成本高。另一方面，由于火工作動裝置的體積較小、工作時間極短(毫秒級)，對其工作過程性能的全面測試有較大困難。因此，為了提高火工作動裝置的設計水平、縮短研制周期、降低研制成本、全面而準確獲得其工作過程性能，對火工作動裝置工作過程進行數值模擬是十分必要的。

　　20世紀50年代末，美國、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驗，并進行了一定的相關理論研究。1993年，Kuo等[3]分析了由NASA 標準電起爆器驅動拔銷器的動態特性，分別采用C語音、MESA-2D代碼程序建立了兩個理論分析模型，分析結果能與試驗數據更好地吻合。此后，Goldstein等采用NASA-2D和DYNA 3D軟件對拔銷器和電爆閥門的工作過程進行了動力學仿真分析，為結構受力和變形的研究提供了依據。1994年，Gonthier 等[5-6]以NASA 標準電起爆器驅動的拔銷器為研究對象，采用LSODE標準程序對所建立的理論模型進行求解計算，對該拔銷器火藥(Zr/KClO4)燃燒過程、活塞運動過程進行了分析。美國的一些專業火工裝置生產廠也開發了自己的性能分析和模擬手段，如Scot公司能夠對火藥燃燒過程、分離作動過程、溫度、壓力等進行計算機模擬仿真，并進行設計優化。

　　南京理工大學的王濤等基于經典內彈道和氣體動力學理論，建立了二級活塞式拋放彈射機構的理論模型，采用Godnov差分格式對該彈射機構的工作過程進行了數值模擬計算，分析了不同參數對其彈射效果的影響。高濱基于經典內彈道理論，建立了火工作動裝置的性能計算模型，利用性能仿真模型對一種彈射裝置進行了分析，計算結果與試驗結果基本吻合。北京理工大學的葉耀坤等對一種用于高速導彈分離系統的楔塊式火工解鎖螺栓動作過程建立了內彈道模型，并利用MATLAB/Simulink進行了仿真計算，可以反映該火工解鎖螺栓的分離運動特性。綜上所述，火工作動裝置的仿真分析模型關注火藥的燃燒過程，采用牛頓第二定律描述活塞的運動過程，均沒有考慮火工作動裝置工作過程中的非線性流固耦合等本質特性。

　　針對火工作動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，以伸長型火工作動裝置為研究對象，引入任意拉格朗日-歐拉(ALE)方法描述流場控制方程，建立火工作動裝置工作過程的流固耦合系統動力學模型。在不同負載工況條件下，結合有限體積法與有限元法進行求解計算，獲得火工作動裝置的流場變化規律、活塞運動位移和速度等輸出性能。

　　1、流固耦合系統動力學模型的建立

　　火工作動裝置燃燒室內火藥燃燒產生的高溫高壓氣體流經腔室后作用于活塞，活塞克服負載開始運動，輸出滿足要求的推力，如圖1所示。火工作動裝置的工作過程是一個復雜的物理、化學變化過程，工作時間極短，涉及到高溫高壓氣體的超音速流動、幾何非線性(活塞的大位移運動)、狀態非線性(筒壁與活塞的接觸)、流固熱多場耦合等重要問題，這是一個強瞬時性、強非線性和強耦合的復雜系統。對火工作動裝置工作過程性能的數值模擬實質就是非線性流固熱耦合系統動力學建模及其求解問題。

圖1 火工作動裝置工作原理圖

1. 燃燒室；2. 節流孔；3. 腔室；4. 活塞

　　4、結論

　　以復雜結構火工作動裝置為研究對象，引入任意拉格朗日-歐拉(ALE)描述方法，建立了火工作動裝置工作過程的非線性流固耦合動力學模型，采用有限體積法、有限元法進行了數值計算。計算結果表明：

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

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

　　(3)由于火工作動裝置的體積較小，工作時間極短，工作過程中腔室空間內各點壓力變化規律一致，可以認為腔室空間內各點壓力是瞬時平衡的；

　　(4)火工作動裝置活塞運動到位時，會對筒體產生較大沖擊，進而對火工作動裝置及其周圍結構產生影響。因此，需要考慮采取相應的緩沖措施。