高文碩，朱子宏，沈志強(qiáng)，郭健龍，姜 強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100094）

航天器沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)M方法概述

高文碩，朱子宏，沈志強(qiáng)，郭健龍，姜 強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100094）

文章介紹了航天器沖擊譜模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展過程，對目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的各類沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行了整理和分類，從典型脈沖模擬技術(shù)，振動試驗(yàn)系統(tǒng)模擬技術(shù)，機(jī)械碰撞模擬技術(shù)和火工品裝置模擬技術(shù)四個主要方面，對各類沖擊技術(shù)的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了著重的分析。通過對各方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行比較，給經(jīng)受不同沖擊環(huán)境的航天器進(jìn)行試驗(yàn)方法選擇時提供了參考。

航天器；沖擊響應(yīng)譜

引言

航天器產(chǎn)品的在研制過程、運(yùn)輸和飛行過程中，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及星載的儀器設(shè)備可能會經(jīng)歷由于產(chǎn)品運(yùn)輸引起的運(yùn)輸沖擊、由于星箭分離和火工品解鎖引起的爆炸分離沖擊等各種沖擊時間歷程載荷。由于爆炸沖擊載荷具有作用時間短、量級高的特點(diǎn)，可能會對航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能造成重大損傷，甚至是損壞，因此有必要研究航天器產(chǎn)品在沖擊載荷下的可靠性驗(yàn)證，航天器產(chǎn)品在沖擊載荷作用下的可靠性分析主要是通過地面模擬沖擊試驗(yàn)來完成的。

而目前工程上遇到的沖擊環(huán)境絕大多數(shù)以復(fù)雜的振蕩波形為主。其主要特點(diǎn)為：①沖擊作用時間短，一般小于20 ms；②沖擊加速度量級高，目前航天器上的產(chǎn)品通常要求加速度達(dá)到1 000～4 000 g，甚至有些產(chǎn)品達(dá)到8 000～10 000g；③頻率高和頻帶寬，通常要求在100 ～5 000 Hz。根據(jù)這樣的環(huán)境要求，工程上提出了沖擊響應(yīng)譜（SRS）概念，典型沖擊響應(yīng)譜如圖1所示。但是由于沖擊響應(yīng)譜缺少相位信息，同一個沖擊響應(yīng)譜可以通過無數(shù)個沖擊波形得到。某個沖擊譜條件可以與很多個時間歷程對應(yīng)，不存在唯一性。因此用不同方法進(jìn)行航天器產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)將會產(chǎn)生不同的效果[1]。本文將針對沖擊響應(yīng)譜幾種不同模擬方法進(jìn)行介紹，歸納比較各種方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，根據(jù)航天器產(chǎn)品的實(shí)際工作環(huán)境和模擬要求，并給出選用的指導(dǎo)意見。

1 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

上世紀(jì)60年代，國外開始高度重視沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)。沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)技術(shù)研究早期主要是利用跌落或擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬，這種方法是將諧振裝置安裝在一個剛性臺面周圍，通過撞擊剛性臺面，產(chǎn)生一個具有衰減波形響應(yīng)的反復(fù)震蕩。之后，在諧振響應(yīng)方法的基礎(chǔ)上，逐漸提出了利用諧振結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)的諧振響應(yīng)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜模擬，可以通過調(diào)整諧振結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)特性和品質(zhì)因子等特性實(shí)現(xiàn)了沖擊響應(yīng)譜的拐點(diǎn)頻率和響應(yīng)量級在一定范圍內(nèi)可調(diào)。沖擊響應(yīng)譜模擬技術(shù)隨著振動臺技術(shù)和振動試驗(yàn)控制技術(shù)的發(fā)展，也可以在振動臺上進(jìn)行這種復(fù)雜振蕩衰減波形的模擬。自上世紀(jì)90年代，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)紛紛對沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)進(jìn)行規(guī)范，例如：NASA—STD.7003、NASA—HDBK.7005、MIL．STD一810F和GJB一150A等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都對沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了規(guī)定，對技術(shù)的推廣和發(fā)展起到了重要作用[2]。

本文著重介紹沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，對典型脈沖模擬技術(shù)，振動臺模擬技術(shù)，機(jī)械碰撞模擬技術(shù)，火工品裝置模擬技術(shù)等四種方法進(jìn)行總結(jié)和對比分析。

2 沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)方法

對于典型脈沖模擬技術(shù)，振動臺模擬技術(shù)，機(jī)械碰撞模擬試驗(yàn)技術(shù)和火工品裝置模擬技術(shù)，這幾種沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)方法的模擬能力和適用范圍都存在較大的差異。在選用試驗(yàn)方法時，應(yīng)根據(jù)航天器產(chǎn)品所經(jīng)歷的沖擊環(huán)境、頻率分布和沖擊量級的區(qū)別，選擇最合適的試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

2．1 典型脈沖模擬技術(shù)

典型脈沖模擬技術(shù)是指采用沖擊譜包絡(luò)的方法，將復(fù)雜的振蕩型沖擊轉(zhuǎn)換為典型脈沖進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)。

典型脈沖模擬爆炸分離沖擊環(huán)境，可以采用傳統(tǒng)的跌落式?jīng)_擊臺完成，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而且成本較低。但是這種方法具有一定的局限性，單個脈沖與復(fù)雜振蕩型沖擊的作用原理存在較大的差別，單脈沖對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性影響較大，而復(fù)雜振蕩沖擊則更多的影響產(chǎn)品的電測性能。用單脈沖模擬復(fù)雜振蕩型沖擊，往往在低頻段考核“過試驗(yàn)”，而在高頻段則會“欠試驗(yàn)”，也就是說單脈沖試驗(yàn)對產(chǎn)品的考核失真[3]。

由于以上這些原因，近年在航天器產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)中已經(jīng)很少采用典型脈沖模擬方法。

2．2 振動臺模擬沖擊響應(yīng)譜技術(shù)

振動臺模擬沖擊響應(yīng)譜技術(shù)是振動控制系統(tǒng)利用功率放大器驅(qū)動振動臺臺體輸出滿足要求的振蕩衰減沖擊，對產(chǎn)品實(shí)施考核，其原理如圖2所示。振動臺控制系統(tǒng)的波形再現(xiàn)技術(shù)主要針對的是以低頻成分為主的沖擊波形，可以振動臺上實(shí)現(xiàn)沖擊時間歷程的模擬[4]。

圖1 典型沖擊響應(yīng)譜圖

圖2 振動試驗(yàn)系統(tǒng)控制原理示意圖

利用振動臺進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜的模擬方法已經(jīng)發(fā)展了近40年，方法成熟且應(yīng)用廣泛，采用振動臺進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、投入少，可以減少試驗(yàn)設(shè)備及經(jīng)費(fèi)的投入，縮短了試驗(yàn)的周期，而且振動臺模擬沖擊試驗(yàn)的自動化程度高，具有較好的可控性和重復(fù)性。但是這種方法受振動臺推力、位移等參數(shù)的限制，瞬態(tài)作用時間很難控制在20 ms以內(nèi)，尤其是對于大質(zhì)量試件、高譜值條件的試驗(yàn)很難完成。受到振動臺頻率范圍（3 KHz以下）的限制，因此振動臺系統(tǒng)主要用來進(jìn)行產(chǎn)品要求的沖擊量級低，頻率范圍窄的試驗(yàn)?zāi)M。

2．3 機(jī)械式碰撞模擬技術(shù)

工程上經(jīng)常使用機(jī)械撞擊式模擬沖擊響應(yīng)譜的方法進(jìn)行較高量級的沖擊響應(yīng)譜模擬，該方法原理是用一個集中質(zhì)量塊撞擊一個諧振響應(yīng)結(jié)構(gòu)，使被撞諧振裝置產(chǎn)生類似與爆炸沖擊的沖擊響應(yīng)譜。該方法常見的模擬設(shè)備有：擺錘沖擊臺、跌落沖擊臺，氣動沖擊臺和諧振板模擬設(shè)備等。以下將從這幾個方面進(jìn)行機(jī)械式碰撞模擬技術(shù)的介紹和分析。

2.3.1 跌落式?jīng)_擊

跌落式碰撞沖擊臺試驗(yàn)時，試件通過夾具安裝在臺面和基座之間，夾具兩端各安裝一組彈性阻尼裝置，構(gòu)成一個多自由度的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。如圖3所示，通過調(diào)整彈性阻尼裝置的剛度和阻尼特性，跌落高度（撞擊速度和能量）和臺面與夾具的質(zhì)量比，獲得滿足要求的沖擊響應(yīng)譜模擬曲線。

通過該方法產(chǎn)生的振蕩型脈沖時間歷程曲線與實(shí)際的爆炸分離沖擊相類似，試驗(yàn)時，可以根據(jù)試驗(yàn)要求，結(jié)合試驗(yàn)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整有關(guān)調(diào)試參數(shù)，獲得理想的沖擊譜形，而且重復(fù)性較好。缺點(diǎn)是收到設(shè)備能力和能量的限制，進(jìn)行試驗(yàn)的產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量受到限制，不適用于大型產(chǎn)品的試驗(yàn)?zāi)M，可進(jìn)行部、組件產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)M[5]。

2.3.2 擺錘式?jīng)_擊

擺錘式?jīng)_擊與跌落式?jīng)_擊類似，都屬于傳統(tǒng)的機(jī)械式碰撞沖擊設(shè)備，在模擬沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)過程中，擺錘式?jīng)_擊應(yīng)用更廣泛。試驗(yàn)時，試件安裝在臺面上，諧振臺面前后分別通過波形發(fā)生墊與剛性連接件作用，由此構(gòu)成一個雙自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，試驗(yàn)時擺錘提升到一定高度，落下錘頭撞擊臺面一側(cè)的剛性連接面，諧振臺面在此載荷下產(chǎn)生類似爆炸沖擊的振蕩衰減的時間歷程曲線。對此種方法，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明對一個確定的擺錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)來說，影響擺錘沖擊試驗(yàn)的因素有三個，擺錘提升角度（主要調(diào)節(jié)速度、能量），波形發(fā)生器的剛度（調(diào)整拐點(diǎn)頻率），試驗(yàn)件與夾具組合體的裝夾方式等[6，7]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)也是沖擊響應(yīng)譜形具有一定的可控性和重復(fù)性，適合用于中小型產(chǎn)品的試驗(yàn)，不適用于大型產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)譜模擬。

2.3.3 氣動式?jīng)_擊

圖3 跌落式?jīng)_擊臺示意圖

圖4 擺錘沖擊試驗(yàn)臺

氣動式?jīng)_擊按能量傳遞方式和擺錘式?jīng)_擊類似，是一種新型的機(jī)械式?jīng)_擊響應(yīng)譜模擬設(shè)備，原理上都是通過給質(zhì)量塊加速，讓其撞擊響應(yīng)裝置產(chǎn)生要求的沖擊環(huán)境。跟跌落和擺錘式?jīng)_擊利用重力加速不同的是，氣動式?jīng)_擊推動質(zhì)量塊運(yùn)動的是氣壓，通過控制氣壓來實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量塊速度的控制，能夠獲得更大的速度和沖擊能量[8]。當(dāng)前研制的航天器單機(jī)產(chǎn)品，大多數(shù)均要求進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)，試驗(yàn)量級普遍要求1 000～2 000 g，有些型號產(chǎn)品的試驗(yàn)量級甚至超過3 000 g。對于較大質(zhì)量產(chǎn)品（如50 kg以上）高量級的沖擊試驗(yàn)，振動臺、傳統(tǒng)的擺錘式?jīng)_擊或跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)臺均很難滿足相關(guān)要求。2013年，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的基于氣動式水平向氣動沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)臺面尺寸1.25 m×1.25 m，負(fù)載2 000 kg，沖擊響應(yīng)譜8 000 g的試驗(yàn)?zāi)M，當(dāng)減小臺面到600 mm×600 mm時，可實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)譜20 000 g的試驗(yàn)?zāi)M，極大地推動了沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

2.3.4 諧振裝置技術(shù)

還有一種機(jī)械碰撞式?jīng)_擊裝置試?yán)弥C振板（梁）或諧振夾具的裝置，它的主要想法是利用撞擊激起裝置的固有頻率，從而使其產(chǎn)生與要求的沖擊響應(yīng)譜類似的響應(yīng)曲線，通常情況下，諧振桿裝置應(yīng)有足夠的剛度和質(zhì)量，使其免于受到安裝其上的試件本身特性影響[9]。

諧振梁和諧振板的基本原理是相似的，均是利用諧振結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)的彎曲模態(tài)響應(yīng)，根據(jù)固有模態(tài)的放大效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對試件的沖擊響應(yīng)譜加載，如圖6所示為梁式諧振裝置，該裝置是對試件進(jìn)行側(cè)向沖擊。試驗(yàn)裝置尺寸的選擇應(yīng)使其基頻與給定試驗(yàn)沖擊譜的峰值頻率對應(yīng)，為了使裝置的基頻能夠被激勵，撞擊產(chǎn)生的脈沖載荷持續(xù)時間應(yīng)近似等于基頻周期的一半。用這種裝置獲得的沖擊譜曲線在2 000 Hz可達(dá)18 000 g。

當(dāng)規(guī)定沖擊譜試驗(yàn)條件與單自由度系統(tǒng)響應(yīng)曲線很相近時，用上述的諧振裝置比較適用，可以用該響應(yīng)曲線模擬所要求的試驗(yàn)條件。2015年，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所沈志強(qiáng)等人，利用諧振臺面安裝在16 t振動臺上，將振動臺最大沖擊試驗(yàn)量級由原來的1 000 g，提升至2 000 g，極大的提高了振動臺沖擊試驗(yàn)?zāi)芰10]。

利用諧振裝置進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)?zāi)M時，可以利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行諧振裝置的設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。諧振裝置可以根據(jù)需要，為受試產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用諧振裝置，具有簡單易行的特點(diǎn)。

2．4 火工品爆炸模擬技術(shù)

火工品爆炸沖擊模擬技術(shù)是利用火工品爆炸產(chǎn)生沖擊環(huán)境。系統(tǒng)級試驗(yàn)和正式部段分離試驗(yàn)時，一般采用真實(shí)的火工品爆炸模擬方法。這種方法的特點(diǎn)是能夠真實(shí)地模擬航天產(chǎn)品實(shí)際飛行中經(jīng)受的火工品爆炸沖擊環(huán)境，但是，由于其試驗(yàn)量級不可控，模擬量級與真實(shí)量級之間缺乏余量，有些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)不可恢復(fù)的損壞，增加了試驗(yàn)費(fèi)用和試驗(yàn)周期。因此，利用火工品爆炸模擬方法進(jìn)行部、組件產(chǎn)品的沖擊環(huán)境試驗(yàn)時，通常采用結(jié)構(gòu)件代替正樣產(chǎn)品進(jìn)行沖擊環(huán)境，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，將受試產(chǎn)品安裝在具有諧振響應(yīng)的響應(yīng)板合適的位置，然后將火工品安裝在響應(yīng)板的背面或側(cè)面，起爆火工品激勵響應(yīng)板使之產(chǎn)生類似爆炸沖擊環(huán)境振蕩衰減脈沖。通過調(diào)整響應(yīng)板的設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)品的安裝位置、火工品的分布形式和用量（激勵力的位置和激勵力的大小）等，獲得滿足要求的沖擊響應(yīng)譜載荷模擬。通過火工品爆炸的方法可以獲得量級超過100 000 g、主要頻率分布高于10 kHz的沖擊響應(yīng)譜載荷。

圖5 氣動沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

圖6 機(jī)械碰撞沖擊的諧振裝置

表1 各種沖擊響應(yīng)譜模擬方法比較

火工品爆炸模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠真實(shí)的再現(xiàn)航天器爆炸沖擊環(huán)境，具有高量級的沖擊載荷特點(diǎn)，加載方向具有多維的屬性，不用單獨(dú)完成產(chǎn)品正交的三個方向沖擊試驗(yàn)?zāi)M；缺點(diǎn)是試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差、試驗(yàn)?zāi)M曲線的可控性差，并具在火工品爆炸的過程具有一定的危險性[11，12]。

3 結(jié)論

本文對沖擊響應(yīng)譜的模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行了全面的總結(jié)和分析，并且介紹了各個方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍?？偨Y(jié)如表1所示。

目前尚沒有一種沖擊試驗(yàn)方法能夠完全替代真實(shí)的沖擊試驗(yàn)過程。需要不斷的研究和改進(jìn)，期待研究出更好的，可控性好的沖擊試驗(yàn)方法。

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Summarization of Simulation Test Methods for Spacecraft Shock Response Spectrum

GAO Wen-shuo, ZHU Zi-hong, SHEN Zhi-qiang，GUO Jian-long，JIANG Qiang
(Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China)

This paper introduces the development process of the shock response spectrum simulation test technology of spacecraft, sorts and classifies all kinds of impact test methods which are widely used both at home and abroad, then mainly talked about the characteristics and different operation ways of all impact technology from the four main aspects :typical pulse simulation technology, simulation technology of vibration testing system, mechanical collision simulation technology and pyrotechnics device simulation technology. By comparing the advantages and disadvantages of each method and its applicable range, the paper provided reference for the selection of test methods for spacecraft in different impact environments.

spacecraft；shock response spectrum

V416.2

A

1004-7204(2017)04-0060-05

高文碩,男動力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究。

朱子宏,男，高級工程師，從事動力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究。