回收式固態彈載記錄儀抗高沖擊設計*

劉建偉，裴東興* ，尤文斌，武耀艷

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

隨著航天科技的發展及未來戰爭精確打擊的需求，需要對導彈飛行過程中的自身動態參數及環境參數進行更精確更細致的測試、存儲及分析。根據實際測試需要，某型導彈需將存儲記錄儀安裝固定于彈體，隨導彈飛行至彈體分離墜落，硬著陸回收的方法進行實時測試存儲，要求回收后的存儲記錄儀內部數據完整正確保存，并能進行讀取、分析[1]。為此，本文設計了回收式固態存儲器，專門測試存儲導彈發射過程中各動態參量[2]。

傳統的存儲記錄儀一般都很容易實現靜態存儲的要求，但在沖擊狀態下存儲器能否完整保存測試的數據[3－4]，這是本文要解決的關鍵問題。為此，采用熱處理后的高強度35CrMnSiA做機械殼體，內部采用具有黏結保護作用的環氧樹脂灌封，有效地提高了存儲記錄儀的抗高沖擊、耐濕熱環境的能力。

1 記錄儀電路模塊設計與實現

記錄儀直接接收彈上系統提供的模擬參量，通過核心控制芯片的控制，經A/D變化器轉換為數字量，并分別按順序存入記錄儀，存儲記錄儀構成獨立的分系統，對彈上系統無干擾。記錄儀的原理框圖如圖1所示，由信號調理電路、模擬開關、A/D變換器、CPLD和單片機組成的控制單元、FIFO+Flash存儲單元等組成。中央控制模塊通過判斷FIFO和Flash的工作狀態來適時地進行數據存儲工作[5]。

圖1 記錄儀原理結構框圖

2 機械殼體設計及ANSYS仿真

固態存儲記錄儀需隨導彈飛行至彈體分離墜落，并硬著陸回收，所以殼體的抗沖擊能力對記錄儀的存儲性能有著至關重要的影響。

2.1 機械殼體模型

本設計中通過對幾種優質鋼材的性能參數的詳細對比，選用了35CrMnSiA作為殼體材料，若要實現抗高過載的沖擊，必須還要對殼體進行特殊的熱處理使其具有適當的硬度。若硬度過低，殼體易變形，不能有效地保護記錄儀電路;硬度過高，殼體結構就會變脆，在硬著陸時易斷裂、破碎。本文通過熱處理工藝解決此問題，其工藝流程是:首先在950℃進行第一次淬火，然后在880℃進行第二次淬火，之后用油冷卻，淬火完成后進行230℃回火處理，最后經油冷或空冷完成熱處理。熱處理后殼體的硬度可達到50HRC，殼體既具有較高的硬度又保證了一定的韌性[6]。

機械殼體設計為90 mm×80 mm×40 mm的矩形結構，壁厚5 mm，如圖2所示。殼蓋與殼體通過四個大螺紋螺釘連接，以增強其連接牢固性。前面板留有兩個矩形接插件固定孔和一個過線孔。

圖2 記錄儀機械殼體圖

2.2 機械殼體的抗沖擊仿真分析

為分析所設計的機械殼體的抗沖擊能力，采用ANSYS有限元軟件建立了殼體的結構模型，如圖3所示[7]。殼體以60 m/s的速度撞擊剛性板，得到殼體的無緩沖的加速度曲線如圖4所示，沖擊加速度峰值達到280 000 gn，脈寬長度為 2.3 μs。為降低其沖擊加速度，在鋼殼外再加一層緩沖材料，相同條件下仿真得到具有膠皮緩沖的鋼殼體加速度曲線，如圖5所示。由圖中可以看出，沖擊加速度峰值降為 16 000 gn，脈寬長度變為 332.8 μs。具有鋁殼緩沖的加速度曲線如圖6所示，沖擊加速度峰值為 5 000 gn，脈寬長度為 624.6 μs[8]。

仿真結果表明，采用環氧樹脂灌封和外部殼體保護，能有效降低記錄儀硬著陸時的沖擊加速度，即能夠有效提高記錄儀的抗高沖擊要求。

圖3 機械殼體的仿真模型

圖4 無緩沖的過載曲線

圖5 膠皮緩沖后的過載曲線

圖6 鋁殼緩沖后的過載曲線

3 環氧樹脂灌封工藝研究

選用緩沖吸能效果好的環氧樹脂灌封材料，并采用合適的灌封工藝，是提高電路系統在高沖擊和振動環境下工作可靠性的有效方法。環氧樹脂固化成型后，具有硬度高、絕緣、耐腐蝕、耐老化、耐冷熱沖擊等特性[9]。

3.1 灌封工藝的技術要點

通過對多種灌封材料的對比和多次試驗研究，本文選用5010A/5010－5B無色透明環氧樹脂灌封膠，固化后無氣泡、透明度佳、硬度高、韌性大，能有效提高電路抗沖擊能力[10－11]。其灌封工藝技術要點主要包括:

(1)氣泡處理 氣泡的存在不僅影響電性能，而且影響機械性能。膠料混合后，應采用真空設備進行排泡處理，真空與常壓交替進行，在膠料不溢出的前提下，真空度盡量高。

(2)降低固化成型溫度 由于大多數環氧基在較低溫度下產生交聯時，可降低放熱峰值，減小灌注料的熱應力。因此，固化結束后灌封體冷卻到室溫的溫差越小，產生的熱應力越小。

(3)控制冷卻速度 在灌封體固化結束后冷卻到室溫的過程中，要避免驟然冷卻，緩慢降溫不會使凍結的大分子網處于不穩定的高彈形變，熱松馳將有利于降低或基本消除內應力。

3.2 不同固化成型溫度對電路的影響

由于環氧基在較低溫度下產生交聯時，可降低放熱峰值，減小灌注料的熱應力。所以，從凝膠預固化到后固化階段的升溫應平緩，固化完畢后灌封件應隨加熱設備同步緩慢降溫，以便從多方面減少、調節制件內的應力分布狀況，避免制件表面產生縮孔、凹陷甚至開裂現象。通過多套電路的固化成型溫度控制灌封試驗，發現在60℃時環氧樹脂固化產生的熱應力最小，成功率最高，而大于70℃時電路有直接被損壞的現象。

3.3 不同固化成型時間對抗沖擊性的影響

將固化成型溫度控制在60℃后，對固化成型的最佳時間進行了探索性試驗[12]，并對所有灌封電路進行模擬跌落試驗(馬歇特錘試驗)，實驗裝置如圖7所示，實驗數據如表1所示。

圖7 馬歇特錘試驗現場

表1 不同固化成型溫度下的抗沖擊能力測試表

在不同固化成型時間條件下，部分存儲模塊的最大抗沖擊能力如圖8所示，其對比變化曲線如圖9所示。

圖8 固化成型時間與最大抗沖擊能力關系

圖9 抗沖擊能力隨固化成型時間的變換曲線

以上實驗結果證明，環氧樹脂灌封后，隨著固化成型時間的延長，系統抗沖擊能力增強，在達到6 h以后，再延長時間，則抗沖擊能力基本不再改變。通過對在高沖擊環境下仍能正常工作的各電路進行測試，得出結論:將固化成型溫度控制在(60±5)℃，時間控制在6 h時，記錄儀的灌封成功率最高，且抗沖擊能力達到最強。

4 結論

通過以上對回收式固態存儲記錄儀的軟件仿真和實際模擬試驗證明，采用特殊熱處理過的高強度35CrMnSiA作機械殼體，內部電路采用具有黏結固化緩沖效果的環氧樹脂灌封，外部再用鋁殼的多重緩沖保護措施，有效地提高了存儲記錄儀的抗高沖擊性能，灌封工藝的實驗證明固態存儲記錄儀達到了最佳抗沖擊能力。在高沖擊下的工作狀態不會發生變化，記錄儀使用可靠、方便、靈活，能滿足抗高沖擊存儲要求，為彈載測試提供了一種更可靠的測試記錄儀器。

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