嚴(yán)魯濤， 李 紅， 丁 洋， 王有杰， 楊志鵬

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

整星減沖擊裝置設(shè)計及試驗(yàn)研究

嚴(yán)魯濤， 李 紅， 丁 洋， 王有杰， 楊志鵬

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

減沖擊裝置可以有效降低基礎(chǔ)對有效載荷的沖擊，在航天領(lǐng)域內(nèi)的有效載荷及箭體分離過程中應(yīng)用廣泛。建立了減沖擊裝置數(shù)學(xué)模型，設(shè)計優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸，并制作了減沖擊環(huán)樣機(jī)；在響應(yīng)板式爆炸沖擊臺上開展了沖擊試驗(yàn)，并對沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了沖擊響應(yīng)譜分析。結(jié)果表明，所設(shè)計的減沖擊裝置滿足指標(biāo)要求，而且大幅衰減了沖擊幅值；此外，討論了阻尼層對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性及減沖擊特性的影響；減沖擊環(huán)結(jié)構(gòu)適用于航空航天沖擊環(huán)境，也適用于各類導(dǎo)彈儀器艙的整體沖擊隔離，具有廣闊的應(yīng)用前景。

整星減沖擊裝置；模型；沖擊試驗(yàn)；沖擊響應(yīng)譜

航天領(lǐng)域內(nèi)，火工裝置可實(shí)現(xiàn)星箭分離、衛(wèi)星艙段分離、星上展開部件解鎖、設(shè)備驅(qū)動等功能[1]。火工裝置爆炸時在鄰近結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生劇烈的局部機(jī)械瞬態(tài)響應(yīng)，應(yīng)變能的突然釋放急劇增加了沖擊環(huán)境的烈度。而后續(xù)沖擊則是以應(yīng)力波形式傳播，對搭載的衛(wèi)星和各類航天器造成高頻沖擊影響，特別是對電子產(chǎn)品、輕薄結(jié)構(gòu)、脆性材料等的破壞作用更為明顯[2]。

沖擊過程中，減沖擊裝置將瞬態(tài)、強(qiáng)烈的沖擊能量以彈性勢能的形式儲存，然后按本身的特性緩慢的將能量釋放出來，從而減少激勵從基礎(chǔ)傳遞到設(shè)備或從設(shè)備傳遞到基礎(chǔ)所引起的響應(yīng)，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的[3]。一般多采用橡膠、泡沫鋁、蜂窩等材料作為各類敏感儀器的減沖擊措施，具有輕量化、高阻尼、壽命長等優(yōu)勢[4-6]。然而，上述材料特性受溫度影響較嚴(yán)重，且具有明顯的剛度非線性特征，對航天器姿控系統(tǒng)造成不可預(yù)知的影響，不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

目前，在衛(wèi)星載荷的邊界設(shè)計集中在振動隔離措施，包括局部隔振及整星隔振，具體方式多采用彈性支撐加粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)[7]。然而，沖擊隔離不同于振動隔離，振動隔離主要研究減少振動基礎(chǔ)或激勵向負(fù)載的傳遞，屬于穩(wěn)態(tài)過程。沖擊隔離主要考慮減少負(fù)載的瞬時加速度值，同時防止過大的相對位移，屬于瞬態(tài)過程。

對于爆炸環(huán)境的減沖擊措施，僅有少量文獻(xiàn)。CSA公司的Conor等[8-10]研制了多種類型的整星振動及沖擊隔離裝置，并完成了多項(xiàng)運(yùn)載火箭的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。然而，國內(nèi)關(guān)于航天領(lǐng)域的爆炸沖擊隔離結(jié)構(gòu)研究較少，且國外文獻(xiàn)未涉及具體的設(shè)計過程及理論模型。

本文建立了應(yīng)用于爆炸沖擊環(huán)境中的減沖擊環(huán)結(jié)構(gòu)模型，圍繞技術(shù)指標(biāo)設(shè)計了減沖擊環(huán)的具體尺寸，并研制樣機(jī)。開展相關(guān)沖擊試驗(yàn)，并研究切向阻尼層對減沖擊效果的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計模型

減沖擊環(huán)位于衛(wèi)星和支架連接界面處，相當(dāng)于串聯(lián)增加了彈性環(huán)節(jié)，將對整體剛度有一定影響。而且，在爆炸沖擊過程中實(shí)現(xiàn)星箭分離，應(yīng)盡量降低支架與衛(wèi)星的相對位移，以防對分離姿態(tài)造成影響。因此，減沖擊環(huán)應(yīng)具有較高剛度而不影響整體頻率。其次，需要盡量降低沖擊應(yīng)力波至衛(wèi)星的傳遞，而影響應(yīng)力波傳遞的主要因素是界面的透射、反射以及傳播路徑距離(由兩側(cè)界面的阻抗性質(zhì)決定)[11]；最后，處于有效載荷及運(yùn)載成本，應(yīng)盡量降低減沖擊環(huán)的整體尺寸及質(zhì)量。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，減沖擊結(jié)構(gòu)一般采用分層式結(jié)構(gòu)，且連續(xù)圓環(huán)層和隔離塊層交錯布置，如圖1所示。

圖1 分層式減沖擊結(jié)構(gòu)Fig. 1 Multi-layered shock isolator

引入變量：hc為連續(xù)層高度；hd為隔離塊層高度；N為連續(xù)層數(shù)；Nd為單層隔離塊數(shù)；ρc為連續(xù)層密度；md為隔離塊質(zhì)量。同時環(huán)形內(nèi)徑r及外徑R均為設(shè)計值。

將隔離塊之間的連續(xù)層視為兩端固支梁，則總體的剛度可以表示為

(1)

式中：K為整體剛度；E為連續(xù)層材料彈性模量。

應(yīng)力波從底面?zhèn)鬟f至頂面的距離為

(2)

沖擊環(huán)整體質(zhì)量：

m=Nπρc(R2-r2)hc+(N-2)Ndmd

(3)

因?yàn)闆_擊環(huán)的整體高度影響到剛度及包括衛(wèi)星在內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動慣量，因此增加約束

Nhc+(N-2)hd≤H0

(4)

此外，當(dāng)最大沖擊載荷P施加時，應(yīng)滿足：

(5)

根據(jù)衛(wèi)星及接口模型可以通過有限元或模態(tài)試驗(yàn)方法，得到整體的各階頻率及振型。將衛(wèi)星及減沖擊環(huán)整體視為單自由度系統(tǒng)，依據(jù)減沖擊環(huán)對各階頻率的允許影響誤差，并結(jié)合有效載荷的整體質(zhì)量，可以得到減沖擊環(huán)的最小允許剛度。根據(jù)整體質(zhì)量及高度指標(biāo)，并結(jié)合上述剛度允許值，結(jié)合式(1)～式(5)，可以得到減沖擊環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸范圍。

在材料選擇方面，為增加沖擊應(yīng)力波的衰減量，首先選擇比剛度差別大的兩種材料作為連續(xù)層及隔離塊材料；其次，在連續(xù)層及隔離塊連接處，使用上、下結(jié)合面分別連接的形式，避免應(yīng)力波未經(jīng)隔離塊而直接通過連接螺栓傳遞至下一連續(xù)層。最后，在減沖擊環(huán)的側(cè)面設(shè)置阻尼層，一方面增加部分垂向剛度，一方面吸收應(yīng)力波的能量。

在已有衛(wèi)星及接口模型的前提下，設(shè)定技術(shù)指標(biāo)為：有效載荷50kg；沖擊載荷峰值衰減>10dB； 減沖擊環(huán)質(zhì)量<20kg； 減沖擊環(huán)厚度<100mm；有效載荷垂向剛度>1.6×107N/m。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，首先分析剛度隨連續(xù)層高度、單層隔離塊數(shù)目及總層數(shù)情況，如圖2所示。從圖2可知，剛度隨連續(xù)層高度及隔離塊數(shù)目的增加而升高，但層數(shù)越多剛度越低。根據(jù)指標(biāo)，結(jié)合質(zhì)量、厚度等指標(biāo)，選擇總層數(shù)為5，連續(xù)層高度為9.5mm，隔離塊數(shù)目為20。

圖2 剛度曲面Fig. 2 Effect of shock isolator parameters on vertical stiffness

設(shè)計并制作了減沖擊環(huán)樣機(jī)，具體形式如圖3所示。詳細(xì)參數(shù)如表1所示。連續(xù)層的材料為鋼，隔離塊選用比剛度較低的膠木材料，以增加應(yīng)力波的傳波界面，且膠木塊與連續(xù)環(huán)的連接接口使用鋼絲螺套結(jié)構(gòu)。

圖3 減沖擊裝置樣機(jī)Fig. 3 Shock isolator

組成材料尺寸參數(shù)連續(xù)層45鋼內(nèi)徑300mm外徑330mm單層7.5mm共5層隔離塊膠木共4層單層20塊占圓環(huán)角度10°高度4.5mm螺套鋼性材料M6-5mm阻尼層ZN-1厚度1mm減沖擊環(huán)整體高度55.5mm;質(zhì)量17.6kg

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 沖擊衰減試驗(yàn)

模擬載荷與減沖擊環(huán)構(gòu)成模擬系統(tǒng)安裝在響應(yīng)板式爆炸沖擊臺(Mechanical Impulse Pyro Shock, MIPS)中，如圖4所示。MIPS是以高壓氣為動力，驅(qū)動彈丸來打擊響應(yīng)板，使之產(chǎn)生類似于爆炸沖擊的高頻振蕩環(huán)境。高速彈丸沖擊在鋼板上以模擬減沖擊環(huán)的基礎(chǔ)激勵，通過采集減沖擊環(huán)上下界面的加速度得到減沖擊特性。

沖擊響應(yīng)譜采用1/12倍頻程分析帶寬，放大倍數(shù)取10(對應(yīng)阻尼比為0.05)，頻率范圍100～10 000 Hz(沖擊拐點(diǎn)頻率為1 000 Hz)。

圖4 沖擊試驗(yàn)Fig.4 Impact test system set-up

2.2 結(jié)果及分析

通過數(shù)據(jù)采集，垂直方向的減沖擊效果如圖5所示。在經(jīng)過迭代運(yùn)算后，MIPS沖擊臺得到了要求的沖擊輸出波形，大量級沖擊波形集中時間<15 ms。

可以明顯看出，沖擊加速度幅值經(jīng)過減沖擊環(huán)后大幅衰減。原始沖擊信號加速度最大峰值為1 500g，經(jīng)無切向阻尼層減沖擊環(huán)后加速度響應(yīng)峰值為48g，衰減了30 dB；經(jīng)有切向阻尼層減沖擊環(huán)減沖擊后系統(tǒng)加速度響應(yīng)峰值為107.5g，衰減了23 dB。

此外，由減沖擊環(huán)及有效載荷構(gòu)成的動力學(xué)系統(tǒng)，在經(jīng)短時間的沖擊載荷作用后，其沖擊響應(yīng)包含沖擊過程中及沖擊停止后的剩余響應(yīng)。尤其對于無切向阻尼層的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)阻尼較小，能量耗散較慢，所以在15 ms以后仍呈現(xiàn)較明顯的動態(tài)響應(yīng)。

圖5 垂向減沖擊效果Fig.5 Shock attenuation in vertical direction

阻尼是動力學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素，在減沖擊環(huán)結(jié)構(gòu)中的阻尼設(shè)置在圓周外側(cè)，起到增加沖擊應(yīng)力波能量耗散的作用。同時由于阻尼層材料為膠粘劑，在固化后在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的垂向剛度。本文采用的阻尼材料為ZN-1型，以丁基橡膠和酚醛樹脂為基礎(chǔ)配制[12]。阻尼層布置于減沖擊環(huán)外側(cè)，厚度為1 mm(內(nèi)徑330 mm，外徑331 mm)，高度為55.5 mm。

為分析阻尼對軸向剛度的影響，開展了振動試驗(yàn)。振動試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)件、振動臺、振動控制儀、加速度傳感器等組成。其中，試驗(yàn)件尺寸為370 mm×370 mm×50 mm，材料為45鋼。振動臺為本單位研制的5t電動振動臺。試驗(yàn)進(jìn)行時，將減沖擊環(huán)通過轉(zhuǎn)接工裝固定在振動臺臺面上，使用振動控制儀生成隨機(jī)振動，同時采集減沖擊環(huán)上下的采集點(diǎn)加速度，并利用傳遞函數(shù)估計得到動態(tài)特性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，阻尼對軸向振動傳遞特性的影響，如圖6所示。

圖6 阻尼對軸向傳遞特性的影響Fig.6 Effect of damping on response function

可以明顯看出，阻尼層提高了軸向剛度，降低了傳遞曲線峰值。具體而言，無阻尼層減沖擊環(huán)的軸向一階諧振頻率為70 Hz，放大倍數(shù)是Q=6.925。施加約束阻尼層后，軸向一階諧振頻率提高到175 Hz，放大倍數(shù)減小為Q=1.968。按照單自由度系統(tǒng)，由頻率175 Hz及質(zhì)量50 kg計算，垂向剛度約為6.0×107，滿足剛度設(shè)計指標(biāo)。

阻尼對減沖擊效果的影響，如圖7所示。阻尼層設(shè)置后，垂向剛度增加，幅值衰減程度略低于無阻尼結(jié)構(gòu)。無阻尼情況下的加速度度峰值更低，但沖擊影響時間更長。此外，沖擊波在經(jīng)過阻尼層的作用后，能量被較大程度耗散，沖擊影響過程較短。

圖7 阻尼對減沖擊效果的影響Fig.7 Effect of damping on shock attenuation

沖擊響應(yīng)譜體現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的沖擊參數(shù)(位移、速度、加速度等)最大值，由系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比以及沖擊持續(xù)時間確定。

采用遞歸算法得到各沖擊波形的沖擊響應(yīng)譜(加速度)，如圖8所示?？梢悦黠@看出，經(jīng)減沖擊環(huán)后的沖擊波形在300 Hz以后譜值衰減較為明顯。沖擊響應(yīng)譜曲線的拐點(diǎn)頻率由動力學(xué)傳遞特性決定，因此無阻尼情況下垂向剛度弱，拐點(diǎn)頻率略低，但低頻段的加速度響應(yīng)略高于施加切向阻尼工況。施加切向阻尼后，拐點(diǎn)頻率較高，低頻段的響應(yīng)有所抑制，但高頻段的最大響應(yīng)值較大?？傮w而言，減沖擊環(huán)起到了減沖擊效果，在具體載荷下可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減沖擊效果。

圖8 沖擊響應(yīng)譜曲線Fig. 8 Shock response spectrum under different damping conditions

3 結(jié) 論

(1)圍繞減沖擊環(huán)的剛度、質(zhì)量、應(yīng)力波傳遞特性建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，并研制了減沖擊環(huán)樣機(jī)；

(2)通過沖擊試驗(yàn)，減沖擊環(huán)可以有效降低沖擊幅值。阻尼層布置于減沖擊環(huán)外側(cè)，由于固化膠劑的作用，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的軸向剛度。施加阻尼及無切向阻尼結(jié)構(gòu)可分別衰減23 dB及30 dB，而且切向阻尼作用下可以縮減沖擊波影響時間；

(3)通過沖擊響應(yīng)譜分析，減沖擊環(huán)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減沖擊作用。切向阻尼作用使曲線拐點(diǎn)后移，但高頻段最大響應(yīng)較大；無切向阻尼作用時，曲線拐點(diǎn)較低，低頻段最大響應(yīng)較大。

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Design and test for the shock isolation structure of a whole spacecraft

YAN Lutao, LI Hong, DING Yang, WANG Youjie, YANG Zhipeng

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076，China)

In spacecraft design, the isolator can be optimally located in the aft part of the satellite in order to attenuate the shock load from the launch vehicle. Based on a proposed analytical model, a shock isolator was designed, analyzed, and tested. Impact tests were conducted on a mechanical impulse pyro shock (MIPS) system. The experimental results show that the multi-layered shock isolator provides obvious reduction in shock load transmission from the support base to payload. Moreover, the effect of structure damping on stiffness, vibration transmission characteristics and shock attenuation was discussed. The shock isolator is suitable for use in spacecraft launch system, and the presented structure will develop to be a very effective means with great application prospect.

whole spacecraft shock isolator; analytical model; impact test; shock response spectrum

民用航天項(xiàng)目資助

2015-10-08 修改稿收到日期： 2016-04-03

嚴(yán)魯濤 男，博士，高級工程師，1984年生

TB535；O324

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.14.022