不同星箭分離方式下整星沖擊環境特征分析

楊艷靜，向樹紅，馮國松，韓曉健

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不同星箭分離方式下整星沖擊環境特征分析

楊艷靜，向樹紅，馮國松，韓曉健

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

目的研究不同星箭分離方式下衛星的沖擊環境特征。方法分析采用點源、線源和組合源火工裝置完成星箭分離的衛星整星級沖擊試驗中不同位置測點加速度的實測值，研究其時域譜、頻域譜和沖擊響應譜特征，對不同星箭分離方式下整星沖擊環境特點進行總結。結果三種分離方式下單位長度沖擊響應的衰減率均在60%~70%之間。從頻譜特點上來說，點源引起的沖擊響應頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。結論不同星箭分離方式下整星的沖擊環境有一定的區別，在進行衛星抗沖擊設計時，應考慮分離方式的不同。

火工沖擊；星箭分離；衛星；響應特性

近年來，隨著新型航天器的大型化和輕量化，發射過程將經歷越來越嚴酷的高量級火工沖擊環境，給航天器的研制帶來了新的問題和挑戰[1—2]。航天器火工裝置動作時會產生大量級、高頻響、短時間的復雜震蕩性火工沖擊載荷，對航天器電子儀器、脆性材料、輕薄結構的破壞作用十分突出。NASA曾統計1963—1985年間的所有飛行故障，經過分析，63次直接與火工沖擊相關[3]。1983—1998年美國全部22次發射失敗中，5次與分離分系統產生的火工沖擊相關，占22.7%[4]。對于沖擊引起的損傷，國內外普遍采用等效損傷原則模擬復雜振蕩型沖擊環境。在此基礎上，也有不少學者開展了更加深入的研究，探討損傷機理[5—9]。結果發現，沖擊損傷除了和邊界條件及材料特性緊密相關外，損傷和沖擊載荷特性之間也有關聯，因此有必要開展火工沖擊載荷特性的研究。

航天器火工裝置動作時產生沖擊載荷的來源主要有三個部分[10]，火工品爆炸、結構預緊力釋放和結構撞擊。根據分離原理不同，航天火工沖擊裝置通常可以分為兩類：點源和線源[11]。典型的點源包括爆炸螺栓、分離螺母、拔銷器、切割器、電爆閥等。典型的線源包括柔性爆炸索、線性切割器等。點源和線源也可以結合起來，演變成組合源，例如V型包帶。考慮到沖擊載荷特性與火工品的種類是密切相關的，文中針對航天器整星火工沖擊中常用的幾種分離裝置產生的沖擊環境特點進行分析，為衛星抗沖擊設計、試驗條件的制定和剪裁工作提供參考。

1 點源沖擊環境特點分析

點式連接方式可以作為一箭多星發射中、高軌道直接入軌衛星優先采用的連接方式[12]。本節以某遙感衛星為例，對爆炸螺栓引起的點源沖擊環境特點進行分析。該衛星采用四點連接方式與運載連接，這里關注的12個測點分別位于推進艙立柱根部、中部和頂部，距離推進艙底面的高度分別為40，140，1130 mm，以向響應為例，分析整星沖擊環境的特點，測點布置如圖1所示，測點描述見表1。

表1 某點式連接衛星沖擊測點布置

1.1 對接面附近測點沖擊響應分析

對接面附近測點沖擊響應時域曲線如圖2所示，可以看出，曲線中有不止一個峰。表2中列出了不同測點的時域峰值和峰值對應的時間，可以看出，相鄰峰值的時間間隔在0.015 s左右，在此時間內沖擊波的傳播距離要遠大于測點和沖擊源的距離。因此可以判定，多個沖擊峰值的出現是由于不同爆炸螺栓起爆和應力釋放的時間差異引起的。

表2 對接面附近測點沖擊響應特征分析

圖3給出了對接面附近不同測點的沖擊響應譜計算結果(按=10，起始頻率為10 Hz，間隔1/12 Oct計算)?？梢钥闯觯膫€測點的沖擊響應譜斜率接近，拐點頻率區別較大，拐點頻率最大的測點是脈寬最小、時域峰值最大的C01點。這印證了沖擊響應譜的低頻斜率主要由支撐條件確定，以及拐點頻率與脈寬呈反比的規律[13]。

1.2 點源沖擊響應隨距離衰減特性分析

對不同測點方向沖擊響應沿航天器縱向方向上的沖擊響應變化特性進行分析，以對點源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況進行了解。

圖4給出了沿推進艙各個立柱測點的向響應沖擊響應譜計算結果，可以看出，對同一立柱的測點來說，測點的響應有隨著距沖擊源距離的增加而減小的趨勢，并且距離較遠的測點響應譜曲線斜率也較小。圖5給出了加速度沖擊響應譜峰值隨距離變化的情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有明顯的衰減。

圖6給出了沿推進艙各個立柱測點的向響應去掉零頻分量之后的功率譜密度計算結果，可以看出，距離沖擊源較近的測點沖擊響應頻譜較寬，但是隨著距沖擊源距離的增加，高頻響應衰減明顯，低頻響應出現先增加后衰減的趨勢。

2 線源沖擊環境特點分析

線型解鎖裝置通過導爆索點火后膨脹形成的側向剪切力實現結構分離。根據結構形式的不同，線型解鎖裝置的種類有聚能炸藥索、氣囊式炸藥索和膨脹管等[14]。這里以某線型解鎖航天器為例，對線源沖擊環境的特點進行分析。分析的12個測點分別分布在航天器的4個象限線上，測點位置分別位于對接面象限線，對接面象限線400，800 mm，同樣以向響應為例分析沖擊響應沿距離的衰減，了解線型解鎖裝置星箭分離時整星沖擊環境的特點，測點布置見表3。

表3 某線型解鎖衛星沖擊測點布置

2.1 對接面附近測點沖擊響應分析

圖7給出了對接面測點沖擊響應時域曲線，可以看出，曲線呈現單峰，符合典型的火工沖擊時域曲線特征。

圖8給出了對接面測點的沖擊響應譜計算結果?？梢钥闯?，對于線源分離裝置來說，沖擊響應最大的位置發生在點火器附近測點(A01測點)。結合表4中數據可以看出，沖擊響應的時域和響應譜峰值有沿周向遞減的趨勢。

表4 對接面測點沖擊響應特征分析

2.2 線源沖擊響應隨距離衰減特性分析

通過對不同測點向響應沿航天器縱向方向上的沖擊響應變化特性進行分析，對線源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況進行了解。

圖9給出了航天器各象限線距離對接面不同距離測點的向響應沖擊響應譜的計算結果，可以看出，對沿同一象限線的測點來說，測點的響應有隨著距沖擊源距離的增加而減小的趨勢，并且測點響應譜曲線斜率也有隨著距離增加而減小的趨勢。圖10給出了加速度沖擊響應譜峰值隨距離變化情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有明顯的衰減。

圖11給出了各象限線測點的向響應的功率譜密度計算結果，可以看出，距離沖擊源較近的分離面上的測點沖擊響應能量主要集中在10 000 Hz以下。隨著距沖擊源距離的增加，沖擊響應在全頻段的能量都有較為明顯的衰減。

3 組合源沖擊環境特點分析

包帶式連接結構通過點源如爆炸螺栓連接，在星箭分離時包帶的應變能釋放引起的沖擊環境類似于線源，因此可以將包帶連接結構看做點源和線源的組合[15]。這里以某衛星為例，對包帶式連接衛星的整星分離沖擊環境進行分析。該衛星采用的包帶式星箭解鎖裝置一共使用3個爆炸螺栓。這里分析的9個測點分別位于三個解鎖點附近、解鎖點上方和解鎖點上方靠近承力筒上端面，以向響應為例分析，了解包帶式解鎖方式中整星沖擊環境的特點，測點布置見表5。

表5 某包帶解鎖衛星沖擊測點布置

3.1 對接面附近測點沖擊響應分析

圖12給出了對接面測點沖擊響應時域曲線，可以看出，具有多個解鎖點的包帶式分離在衛星結構上產生的沖擊響應也具有多峰值特性。

圖13給出了包帶式分離的解鎖點附近測點加速度沖擊響應譜曲線，可以看出，盡管三個爆炸螺栓型號完全相同，其解鎖引起的沖擊響應大小有明顯的區別。結合表6中的時域數據分析可以看出，分離峰值出現較早的測點其響應量級較小一些。考慮到每個螺栓的裝藥量基本一樣，推測出現這種現象的原因可能是由于爆炸螺栓起爆的時間差異導致包帶預緊力釋放在三個爆炸點處引起的加速度響應有了區別。由此可見，除了爆炸螺栓本身引起的沖擊外，預緊力的釋放對沖擊響應也有相當的影響。

3.2 組合源沖擊響應隨距離衰減特性分析

對不同測點向響應沿衛星縱向上的沖擊響應變化進行分析，以了解組合源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況。圖14給出了各個解鎖點及其上方測點向響應沖擊響應譜計算結果，可以看出，隨距沖擊源距離的增加，測點的沖擊響應譜在高頻有較為明顯的衰減，低頻部分有時反而會增加(例如T03和T06)。圖15中給出了加速度沖擊響應譜峰值隨距離變化情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有衰減的趨勢。

表6 解鎖點附近測點沖擊響應特征分析

圖16給出了各解鎖點及其上方測點的向響應的功率譜密度計算結果，可以看出，解鎖點附近測點沖擊響應能量同樣主要集中在10 000 Hz以下。隨著距沖擊源距離的增加，沖擊響應在高頻段的能量都有較為明顯的衰減，但低頻段的能量反而增加，這與沖擊響應譜曲線的變化相呼應。

4 討論

41 結構沖擊衰減率

為了了解不同分離方式下結構的衰減率，這里定義一個衰減率指標：

式中：ΔSRS max i為距離沖擊源不同高度測點的沖擊響應譜峰值差；ΔSRS源為分離面測點的沖擊響應譜；為幾組數據的數學期望；為測點之間的距離。

分別對三種分離方式中航天器結構上分離面測點和艙段頂部測點的衰減率進行分析，結果顯示，點源、線源、組合源的衰減率分別為66.3%，60.4%，63.4%?？梢钥闯?，三種分離方式下單位長度沖擊響應的衰減率均在60%~70%之間，其中點源的衰減最多，線源最少，組合源居中。

4.2 沖擊響應功率譜

文中討論的三種航天器其響應量級受多種因素影響，沒有可比性。由于這里只關注按功率譜在不同頻率內的能量相對分布，所以在每一種分離沖擊數據中，挑選分離面測點中響應最大的一個，計算其功率譜密度并用其最大值進行歸一化，然后進行比對，如17圖所示。可以看出，功率譜峰值對應的頻率點源最高，組合源最低，線源在兩者之間。從頻譜寬度上來說，點源引起的沖擊響應頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。

5 結論

通過分析可以發現，不同分離方式下航天器結構上的沖擊響應既有共性又有區別。

共同的特點是最大的沖擊響應一般發生在沖擊源附近，航天器結構上的響應隨著據沖擊源距離的增加發生衰減，且高頻衰減比低頻更加明顯，但衰減的速度在變緩。

不同之處在于以下幾方面。

1）點源和組合源引起沖擊時域響應呈現多峰值特性，而線源引起的沖擊時域響應呈現單峰值特性。

2）沖擊響應頻率譜密度分析表明，從頻譜寬度上來說，點源引起的沖擊響應頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。

就單位長度沖擊響應的衰減率來說，點源的衰減最多，線源最少，組合源居中。

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Pyrotechnic Shock Environment in Pyro-shock Separation of Different Rocket-Satellite Separation Manners

YANG Yan-jing, XIANG Shu-hong, FENG Guo-song, HAN Xiao-jian

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Objective To study the pyrotechnic shock environment of different pyro-shock separation manners. Methods Pyro-shock accelerations measured at different locations on satellites with different separation pyrotechnic devices, including point source devices, line source devices and combined source devices, were analyzed. Time domain, frequency domain and shock response spectrum of the measured accelerations were studied and the features of different satellites pyro-shock environment were summarized. Results The satellite SRS peak value attenuation ratio in three different separation manners was between 60%~70%. The power spectrum of the shock response induced by point source devices was richer than that of the other two devices. The Power spectrum distribution of line source devices and combined source devices was relatively concentrated. Conclusion The satellite pyro-shock environment of different separation manual is different to a certain extent. The separation manners should be taken into consideration in anti-shock design of the satellite.

pyro-shock, rocket-satellite separation, satellite, response feature.

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.014

TJ01

A

1672-9242(2017)08-0070-09

2017-03-02；

2017-04-02

國防科工局技術基礎“十二五”重點項目“航天器環境試驗基線和剪裁技術(JSJC2013203B002)”。

楊艷靜（1981—），女，河南南陽人，高級工程師，主要研究方向為航天器動力學環境工程。