空空導彈爆炸分離沖擊試驗分析

郭迅，郭強嶺

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

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空空導彈爆炸分離沖擊試驗分析

郭迅，郭強嶺

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

目的 獲取某型空空導彈爆炸分離沖擊試驗的條件及方法。方法 針對爆炸分離沖擊環境高頻響、高量級、短時間等特性，分析獲取爆炸分離沖擊信號的方法，以及相應的沖擊響應譜、歸納數據處理方法。結果 通過測試得到某型空空導彈的爆炸分離數據，進行了沖擊響應譜和歸納分析，得到了不同測點位置爆炸分離沖擊的特性。結論 形成了一種適用于空空導彈的合理、易實施的爆炸分離沖擊試驗條件及試驗方法。

空空導彈；爆炸分離沖擊；沖擊響應譜

空空導彈是由載機攜帶并從載機上進行發射、攻擊并摧毀敵方各類空中目標的制導武器。而在空空導彈的發射過程中，需完成各種動作，如彈射拋放、執行機構解鎖等，而這些解鎖和分離很多情況下都是通過火工裝置（如利用炸藥、推進劑驅動）進行實現。這些爆炸（由火工品裝置工作時產生）在局部的彈體結構上會產生高沖擊、寬頻帶、低速度、持續時間短的瞬態機械響應，這個就是爆炸分離沖擊環境［1—3］，也是空空導彈所經歷的最嚴酷的力學環境之一。

爆炸分離沖擊可能造成微電子芯片結構完成性遭到破壞、繼電器抖動、電路板/電連接器短路、陶瓷/晶體/環氧樹脂/玻璃等出現裂紋或斷裂。美國航天局曾經統計分析了從1963—1985年20多年間的所有飛行故障，經故障分析，其中超過63次是由爆炸沖擊直接或間接引起的。在美國和西歐的導彈、火箭的研制過程中，爆炸分離沖擊試驗是必不可少的試驗項目[4]。

由于爆炸分離沖擊的特殊性，雖然GJB 150.27給出爆炸分離沖擊試驗的標準，但很難直接使用。因此文中針對某型空空導彈的典型爆炸分離沖擊問題開展分析，以期得到相應的試驗條件和方法。

1　環境數據

環境數據是制定環境試驗條件的依據，必須獲取相應的數據并進行分析，才能制定合理的試驗條件。

1.1數據獲取

獲取空空導彈爆炸分離沖擊環境數據的方法一般有三種[5]：分析模型、數據外推和實際測量。

1）分析模型方法主要通過建立爆炸分離沖擊的模型，得到對爆炸沖擊環境的預示結果。目前已經有利用統計能量、有限元等方法進行建模計算的先例［6—9］，但統計能量法無法準確地預示具體的位置或頻率上的量級，而有限元法對于很難準確預示爆炸分離沖擊高頻部分的量級，同時需耗費大量時間和費用用于模型的建立/修正，且一旦設計或工藝稍有改動的則需要重新建模計算。因此截止目前，工程上還不能直接使用分析模型進行爆炸分離沖擊數據的獲取，即使需使用分析模型數據，也必須通過真實數據對其進行修正。

2）數據外推是在已經有類似結構測量數據的情況下，通過火工裝置釋放的總能量、爆炸點與結構響應位置的距離以及裝備的結構形式等方面對測量數據進行換算及外推［1，5］。雖然在GJB 150.27中也給出了數據外推的一個指南，但由于國內較少開展爆炸分離沖擊相關的環境試驗，實測數據量很少，且其準確性與以往型號所用的結構和火工裝置的近似程度直接相關，使用不當時可能產生較嚴重的誤差。

3）實際測量是獲取數據的主要方式，也是最直接的方式，需要通過大量的試驗實測數據對環境進行預示。目前主要通過外場實際測量、系統級地面試驗、地面模擬試驗等方式進行數據測量。這些測量數據可以提供較準確的環境預示結果。

對于空空導彈上一種新型結構的爆炸分離沖擊環境，只能通過大量的試驗實測數據對其真實爆炸分離沖擊環境進行預示。由于爆炸分離沖擊環境頻帶寬（10 kHz）、量級大（可達上萬個重力加速度）的特征常常超出了工業用測量系統的能力，因此必須采取一定措施避免數據的失真[10]。如：采用高頻響、高量程的傳感器，并具有良好的敏感軸向的承受能力；必須牢靠的固定傳感器，防止安裝座造成的搖擺誤差；采樣頻率盡量高于信號帶寬，保證具有良好的測量裕度。

1.2數據分析

針對某型導彈尾部的典型爆炸分離事件，進行了地面實測，各信號數據如圖1所示。

圖1　實測爆炸分離沖擊原始信號Fig.1　Original signal of measured pyroshock

從圖1中可看出此爆炸分離沖擊的時間歷程，其存在兩個峰值響應。第一個響應峰值為火工品爆炸所產生，后續峰值為火工裝置動作而產生的結構部件之間的高速撞擊。其中C1測點位于爆炸點的較遠位置（約3 m，結構較柔性），C2測點位于爆炸點的較近位置（約0.2 m），C3測點位于C1 及C2測點之間（約1.5 m，結構較剛性），C4測點位于爆炸點附近。爆炸分離沖擊的量值隨著距離的變化顯著衰減，但由于結構剛性的不同，時域信號中的第二個峰值，C1測點信號的峰值較C3測點高，故分別對火工裝置爆炸造成的沖擊、結構高速撞擊造成的沖擊以及爆炸分離的全過程，分別進行沖擊響應譜分析，以C4為例，如圖2所示。

圖2　實測數據的沖擊響應譜Fig.2　SRS of Original signal

從圖2中可明顯看出，爆炸分離沖擊的全過程主要由火工裝置爆炸造成的高頻沖擊成分和高速撞擊造成的結構低頻響應成分組成。故造成了結構剛性較好的C3測點在響應量值上低于結構剛性較差的C1測點，但爆炸分離過程必須包含此兩種因素，故爆炸分離試驗的考核時應同時考慮此兩種情況。圖2b為對四個不同測點分別進行全程沖擊響應譜分析，也可看出，隨著距離的增大，產品所承受的爆炸分離沖擊環境明顯減弱。

2　試驗條件

試驗條件一般是根據飛行可靠性要求及爆炸沖擊環境的分布特性，對數據進行一定的統計和處理給出的。同時必須考慮試驗條件可實施性，使裝備得到合理的考核。

2.1試驗條件的歸納

當有足夠多的實測數據時，可以通過對數據進行沖擊響應譜的計算，并對沖擊響應譜進行包絡估計，也可以通過統計的方法得到預期最大沖擊環境，歸納結果作為爆炸分離沖擊試驗的基本試驗條件。因此推薦采用具有一定置信度的統計方法，可計算得到一個偏差，使其可覆蓋至少95%的沖擊量級，且置信度為50%，即歸納P95/50單邊對數正態容差上限。若測量數據不足，考慮到可能存在因為火工品爆炸的離散性，建議對包絡后形成的沖擊響應譜數據進行一定量的增加，一般考慮增加+3～+6 dB。一個包絡規范譜的情況如圖3所示。

圖3　爆炸分離沖擊的規范譜Fig.3　SRS of pyroshock

如果一個單一軸向的試驗不能反映其他軸向的響應時，要進行三個軸向的試驗。如果有理由認為僅需要一個軸向的試驗（如裝備沖擊響應僅對一個方向敏感），可以只進行單軸向試驗。盡管裝備在壽命期內可能只經歷一次爆炸分離沖擊，但考慮試驗結果評定時統計置信度的要求，GJB 150.27—2009建議每軸向試驗至少3次。若采用極值包絡，則產生的沖擊響應譜結果具有一定的保守性，直接用于試驗可能引起過試驗。

2.2試驗的實施

沖擊試驗是考核沖擊環境對設備的影響，評定設備承受沖擊環境的能力。早期的沖擊試驗，主要是以簡單經典脈沖波形（如半正弦）來模擬實際的沖擊環境。半正弦波有較大的低頻能量，試驗時常使許多設備，特別是帶減震器的設備，由于低頻過試驗而損壞。另外，由于在實際環境中產品經常遇到的是復雜沖擊，因此用半正弦脈沖做為試驗規范還可能導致在實驗室已通過半正弦波沖擊試驗的設備，在實際環境中又可能被損壞。

圖4　經典沖擊與爆炸分離沖擊的對比Fig.4　Contrast between classic shock and pyroshock

爆炸分離沖擊是典型的復雜振蕩型沖擊，具有高幅值的振蕩波形，且持續時間很短，一般在20 ms內衰減到0。針對爆炸分離沖擊的特點，宜采用等效損傷準則來對其進行模擬，即用沖擊響應譜來模擬。若產品在爆炸沖擊模擬裝置的沖擊激勵作用下產生的沖擊響應譜與實際沖擊環境產生的沖擊響應譜相當，就可以認為該產品經受了爆炸沖擊環境試驗。

目前,模擬爆炸沖擊環境的方法主要有如下3類［11—15］：

1）火工品爆炸方式?？梢援a生最精確的模擬結果以及近區爆炸沖擊環境所特有的高加速度和高頻率范圍，但存在安全性差及加載量級離散性大等問題。

2）機械撞擊方式。利用機械裝置的撞擊產生瞬態響應環境，模擬爆炸沖擊類似的響應環境，其具備操作成本相對較低、重復性好和加載量級可預見性高等優點，但在產生沖擊譜的能力上存在一些局限性。

3）振動臺模擬，可以實現模擬低幅值復雜沖擊環境沖擊譜的能力，這種方式的操作成本低、可控性高，但幅值、頻譜范圍和方向受到限制。

這三種模擬方式在GJB 150.27中也對應了不同的程序，詳見表1。

表1　爆炸分離沖擊試驗程序Table 1　Procedures of pyroshock test

由于導彈組成復雜，整機結構細長不利于實驗實施，若對整機進行爆炸分離沖擊試驗，存在費用高、安全性差的問題。因此將以某型導彈全彈各部組件按距離爆炸源的位置進行分析，結合地面實測數據，分別給出導彈遠端（前部）、導彈近端（后部）的試驗條件和試驗方法，以解決導彈在研制、生產中所需的爆炸分離沖擊試驗技術難題。

從典型的爆炸沖擊環境（如圖2所示）可看出，中遠距測點沖擊響應譜幅值一般不超過200g，故離爆炸源較遠的導彈中前部可通過振動臺沖擊響應譜實現部組件的考核。相應的爆炸源附近測點因歸納出的沖擊響應譜可達10 000g以上，振動臺無法實現模擬。同時因導彈結構相對較復雜，較難采用機械撞擊方式模擬，建議直接采取導彈中后部，保持正式部段結構及正式火工品，直接進行模擬試驗。此試驗方式可避免進行導彈整機的試驗，僅進行導彈尾部部組件的實際爆炸分離試驗，可有效地減少試驗準備時間。

3　結語

空空導彈在壽命期內需經歷爆炸分離沖擊環境，文中通過數據獲取的方式分析了如何獲取制定爆炸分離沖擊環境的數據，并針對某型空空導彈的實測數據，給出了相應的分析結果。同時分析了如何通過實測數據進行條件的歸納，并考慮試驗實施的困難，針對產品及爆炸分離沖擊的特性，設計了一種對空空導彈爆炸分離沖擊的考核方法，以使產品得到合理的考核。

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Pyroshock Test for Air-to-Air Missile

GUO Xun,GUO Qiang-ling
(ChinaAirborne MissileAcademy,Luoyang 471009,China)

Objective To obtain the conditions and methods of pyroshock test for air-to-air missile.Methods According to the characteristics of pyroshock,such as high frequency,high acceleration and short-time duration,the method to obtain the pyroshock signal as well as the shock response spectrum and inductive data processing method were analyzed.Results Pyroshock data of air-to-air missile were obtained by test.Characteristics of pyroshock at different measuring points were acquired through shock response spectrum(SRS)and statistical induction.Conclusion Testing conditions and methods of a reasonable and implementary pyroshock test for air-to-air missile are given.

air-to-air missile;pyroshock;SRS

2016-03-19；Revised：2016-04-01

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.013

TJ73

A

1672-9242(2016)04-0078-05

2016-03-19；

2016-04-01

郭迅（1987—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要研究方向為環境預示。

Biography：GUO Xun(1987—),Male,from Luoyang,Henan,Master,Engineer,Research focus:environmental signal.