爆炸螺栓竟然真的会爆炸!它是怎么工作的?

政务   2024-12-14 21:31   北京  


爆炸螺栓是一种特殊的紧固设备,常用于一些要求高安全性、密封性或拆卸性场合的结构中。它的设计与普通螺栓不同,具备通过爆炸能量进行自动释放或断开的功能,广泛应用于航天、军事、核能、石油化工等高技术领域。


爆炸螺栓的工作原理和过程结合了机械结构与爆炸技术,使其在需要应急拆卸或快速释放时,能够提供极高的可靠性。那么,爆炸螺栓究竟是怎样工作的?它的结构组成又有哪些呢?


NASA 猎户座飞船用的爆炸螺栓


爆炸螺栓的结构


爆炸螺栓的基本结构与普通螺栓类似,通常由螺栓本体、内爆装置、电点火装置、密封与隔离结构和释放机构等部分组成。


1

螺栓本体

螺栓本体由坚硬的金属材料制成,通常采用不锈钢或钛合金等高强度材料。这部分的作用是固定并连接不同部件,确保结构的牢固性和密封性;


2

内爆装置


内爆装置是爆炸螺栓最特殊的部分,包含一个微型爆炸装置。内爆装置通常是一个小型的爆炸物或电炸药,安装在螺栓的核心部分。该装置能在外部信号或某些条件下引发爆炸,从而使螺栓断裂或释放。

爆炸螺栓结构示意图


3

电点火装置


电点火装置,顾名思义是用来引爆内爆装置的机构。它通过电流激活爆炸装置,控制爆炸发生的时机和强度。电点火装置一般包括触发器、引线和电源部分。

4

密封与隔离结构


密封与隔离结构则是为了防止爆炸装置意外激活,确保爆炸物与外界环境隔离,只有在需要时才会被触发。

5

释放机构


释放机构是爆炸螺栓的重要组成部分,通常与螺栓本体通过特殊的连接方式结合在一起。它能够在爆炸发生后,迅速将连接的两部分分开或断裂,完成应急释放。

爆炸螺栓的工作原理


爆炸螺栓的工作原理主要基于爆炸装置的能量释放。它通过精密的设计和控制系统,使得外界信号能够触发爆炸过程,从而使螺栓断裂或释放。在工作过程中,爆炸螺栓的作用是将爆炸能量转化为机械力,驱动结构解锁或分离。

具体来说,爆炸螺栓的工作原理可以分为以下几个步骤:首先是信号输入,当系统检测到某种预定的触发条件(如压力过高、温度异常、故障或应急情况)时,会通过传感器或控制器向爆炸螺栓发送触发信号。

随后,触发信号使得电点火装置工作,将电流传递给爆炸装置。电流激活爆炸物内部的引爆装置,开始引发爆炸。紧接着,当爆炸发生时,爆炸物会释放出大量热能和气体,迅速产生强大的压力。这个压力会直接作用于螺栓本体的释放机构。

爆炸螺栓的工作过程(视频来源:[7])


由于爆炸产生的巨大能量,螺栓会在极短时间内断裂或分离。这时,爆炸螺栓的连接功能完成,连接的结构部件会根据设计要求快速解锁或分开。在爆炸过程中,所有爆炸装置的外壳和结构会被严格密封,防止任何爆炸物泄漏到外部环境中。这保证了爆炸螺栓在使用过程中的安全性。

爆炸螺栓的应用领域


爆炸螺栓因其独特的工作原理和安全性能,广泛应用于多个高技术领域。在航天器和航空器中,爆炸螺栓用于紧急分离或拆卸。

例如我国的长征 2F 与神舟飞船采用的包带式分离机构就有爆炸螺栓的身影,包带通常由两个半环钢带相扣而成,每条钢带上装有 V 形卡块,钢带两端装有柱轴,柱轴之间是爆炸螺栓,包带就是通过这些构件将两条钢带连接成一个完整环形的。

当控制系统发出分离指令后,锁紧装置的两个爆炸螺栓会同时引爆,接着包带两端解锁、星箭分离面解锁。最后系留弹簧立刻将包带向下拉到火箭对接框一侧,再由限位弹簧限制包带横向运动,防止包带碰撞卫星。

传统柔性包带解锁装置(图片来源:[5])


在核电站等设施中,爆炸螺栓常用于紧急关闭或释放压力,保障系统在发生事故时能够迅速反应。

此外,爆炸螺栓还用于军事与防御,军事装备中的爆炸螺栓用于快速分离或解除武器系统的连接。在炸弹、导弹等设备中,爆炸螺栓常用于解锁弹药或控制爆炸时机。

石油化工设备中,爆炸螺栓则用于高压或危险环境下的安全释放。例如,防止管道爆裂或化学泄漏时,爆炸螺栓能够起到快速分离管道或容器的作用。


参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/btMDvVTFA9goM-xslARAZQ

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/vehOL0TWf-SOAec2LFY_MQ

[3]谭雪峰,阎绍泽.星箭包带式连接结构动力学研究进展[J].导弹与航天运载技术,2010,(01):1-6.

[4]闫利伟,黄金红,房修义,等.某小型爆炸螺栓设计[J].火工品,2014,(04):9-11.

[5]张婕,武鹏飞,王亚坤,等.国外星箭连接解锁装置技术与应用研究[J].航天器工程,2023,32(02):125-134.

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrotechnic_fastener

[7]https://www.youtube.com/watch?v=CZpa64pn9Js


策划制作

来源丨力学科普(ID:lxkp-cstam)

责编丨何通

审校丨徐来、林林


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