航天器沖擊響應譜試驗模擬方法概述

高文碩，朱子宏，沈志強，郭健龍，姜 強

（北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點試驗室，北京 100094）

航天器沖擊響應譜試驗模擬方法概述

高文碩，朱子宏，沈志強，郭健龍，姜 強

（北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點試驗室，北京 100094）

文章介紹了航天器沖擊譜模擬試驗技術的發展過程，對目前國內外應用較廣的各類沖擊試驗方法進行了整理和分類，從典型脈沖模擬技術，振動試驗系統模擬技術，機械碰撞模擬技術和火工品裝置模擬技術四個主要方面，對各類沖擊技術的特點及實現方式進行了著重的分析。通過對各方法的優缺點和適用范圍進行比較，給經受不同沖擊環境的航天器進行試驗方法選擇時提供了參考。

航天器；沖擊響應譜

引言

航天器產品的在研制過程、運輸和飛行過程中，其產品結構及星載的儀器設備可能會經歷由于產品運輸引起的運輸沖擊、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，可能會對航天產品的結構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品在沖擊載荷下的可靠性驗證，航天器產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來完成的。

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

1 沖擊響應譜試驗技術發展

上世紀60年代，國外開始高度重視沖擊響應譜試驗技術。沖擊響應譜模擬試驗技術研究早期主要是利用跌落或擺錘式沖擊試驗裝置進行模擬，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，產生一個具有衰減波形響應的反復震蕩。之后，在諧振響應方法的基礎上，逐漸提出了利用諧振結構的固有模態的諧振響應進行沖擊響應譜模擬，可以通過調整諧振結構的固有模態特性和品質因子等特性實現了沖擊響應譜的拐點頻率和響應量級在一定范圍內可調。沖擊響應譜模擬技術隨著振動臺技術和振動試驗控制技術的發展，也可以在振動臺上進行這種復雜振蕩衰減波形的模擬。自上世紀90年代，國內外相關標準紛紛對沖擊響應譜試驗進行規范，例如：NASA—STD.7003、NASA—HDBK.7005、MIL．STD一810F和GJB一150A等技術標準都對沖擊響應譜模擬試驗技術進行了規定，對技術的推廣和發展起到了重要作用[2]。

本文著重介紹沖擊響應譜試驗技術發展的現狀和趨勢，對典型脈沖模擬技術，振動臺模擬技術，機械碰撞模擬技術，火工品裝置模擬技術等四種方法進行總結和對比分析。

2 沖擊響應譜模擬試驗方法

對于典型脈沖模擬技術，振動臺模擬技術，機械碰撞模擬試驗技術和火工品裝置模擬技術，這幾種沖擊響應譜模擬試驗方法的模擬能力和適用范圍都存在較大的差異。在選用試驗方法時，應根據航天器產品所經歷的沖擊環境、頻率分布和沖擊量級的區別，選擇最合適的試驗方法進行模擬試驗。

2．1 典型脈沖模擬技術

典型脈沖模擬技術是指采用沖擊譜包絡的方法，將復雜的振蕩型沖擊轉換為典型脈沖進行試驗模擬技術。

典型脈沖模擬爆炸分離沖擊環境，可以采用傳統的跌落式沖擊臺完成，其優點是方法簡單，容易實現，而且成本較低。但是這種方法具有一定的局限性，單個脈沖與復雜振蕩型沖擊的作用原理存在較大的差別，單脈沖對產品的結構特性影響較大，而復雜振蕩沖擊則更多的影響產品的電測性能。用單脈沖模擬復雜振蕩型沖擊，往往在低頻段考核“過試驗”，而在高頻段則會“欠試驗”，也就是說單脈沖試驗對產品的考核失真[3]。

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

2．2 振動臺模擬沖擊響應譜技術

振動臺模擬沖擊響應譜技術是振動控制系統利用功率放大器驅動振動臺臺體輸出滿足要求的振蕩衰減沖擊，對產品實施考核，其原理如圖2所示。振動臺控制系統的波形再現技術主要針對的是以低頻成分為主的沖擊波形，可以振動臺上實現沖擊時間歷程的模擬[4]。

圖1 典型沖擊響應譜圖

圖2 振動試驗系統控制原理示意圖

利用振動臺進行沖擊響應譜的模擬方法已經發展了近40年，方法成熟且應用廣泛，采用振動臺進行沖擊響應譜模擬試驗的優點是成本低、投入少，可以減少試驗設備及經費的投入，縮短了試驗的周期，而且振動臺模擬沖擊試驗的自動化程度高，具有較好的可控性和重復性。但是這種方法受振動臺推力、位移等參數的限制，瞬態作用時間很難控制在20 ms以內，尤其是對于大質量試件、高譜值條件的試驗很難完成。受到振動臺頻率范圍（3 KHz以下）的限制，因此振動臺系統主要用來進行產品要求的沖擊量級低，頻率范圍窄的試驗模擬。

2．3 機械式碰撞模擬技術

工程上經常使用機械撞擊式模擬沖擊響應譜的方法進行較高量級的沖擊響應譜模擬，該方法原理是用一個集中質量塊撞擊一個諧振響應結構，使被撞諧振裝置產生類似與爆炸沖擊的沖擊響應譜。該方法常見的模擬設備有：擺錘沖擊臺、跌落沖擊臺，氣動沖擊臺和諧振板模擬設備等。以下將從這幾個方面進行機械式碰撞模擬技術的介紹和分析。

2.3.1 跌落式沖擊

跌落式碰撞沖擊臺試驗時，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，構成一個多自由度的彈簧-質量系統。如圖3所示，通過調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）和臺面與夾具的質量比，獲得滿足要求的沖擊響應譜模擬曲線。

通過該方法產生的振蕩型脈沖時間歷程曲線與實際的爆炸分離沖擊相類似，試驗時，可以根據試驗要求，結合試驗調試經驗，調整有關調試參數，獲得理想的沖擊譜形，而且重復性較好。缺點是收到設備能力和能量的限制，進行試驗的產品的尺寸和質量受到限制，不適用于大型產品的試驗模擬，可進行部、組件產品的沖擊響應譜試驗模擬[5]。

2.3.2 擺錘式沖擊

擺錘式沖擊與跌落式沖擊類似，都屬于傳統的機械式碰撞沖擊設備，在模擬沖擊響應譜試驗過程中，擺錘式沖擊應用更廣泛。試驗時，試件安裝在臺面上，諧振臺面前后分別通過波形發生墊與剛性連接件作用，由此構成一個雙自由度彈簧-質量系統，試驗時擺錘提升到一定高度，落下錘頭撞擊臺面一側的剛性連接面，諧振臺面在此載荷下產生類似爆炸沖擊的振蕩衰減的時間歷程曲線。對此種方法，北京衛星環境工程研究所進行了大量的試驗研究，結果表明對一個確定的擺錘沖擊試驗系統來說，影響擺錘沖擊試驗的因素有三個，擺錘提升角度（主要調節速度、能量），波形發生器的剛度（調整拐點頻率），試驗件與夾具組合體的裝夾方式等[6，7]。

該方法的優點也是沖擊響應譜形具有一定的可控性和重復性，適合用于中小型產品的試驗，不適用于大型產品的沖擊響應譜模擬。

2.3.3 氣動式沖擊

圖3 跌落式沖擊臺示意圖

圖4 擺錘沖擊試驗臺

氣動式沖擊按能量傳遞方式和擺錘式沖擊類似，是一種新型的機械式沖擊響應譜模擬設備，原理上都是通過給質量塊加速，讓其撞擊響應裝置產生要求的沖擊環境。跟跌落和擺錘式沖擊利用重力加速不同的是，氣動式沖擊推動質量塊運動的是氣壓，通過控制氣壓來實現對質量塊速度的控制，能夠獲得更大的速度和沖擊能量[8]。當前研制的航天器單機產品，大多數均要求進行沖擊響應譜試驗，試驗量級普遍要求1 000～2 000 g，有些型號產品的試驗量級甚至超過3 000 g。對于較大質量產品（如50 kg以上）高量級的沖擊試驗，振動臺、傳統的擺錘式沖擊或跌落式沖擊試驗臺均很難滿足相關要求。2013年，北京衛星環境工程研究所研制的基于氣動式水平向氣動沖擊響應譜模擬試驗系統能夠實現臺面尺寸1.25 m×1.25 m，負載2 000 kg，沖擊響應譜8 000 g的試驗模擬，當減小臺面到600 mm×600 mm時，可實現沖擊響應譜20 000 g的試驗模擬，極大地推動了沖擊響應譜模擬試驗技術的發展。

2.3.4 諧振裝置技術

還有一種機械碰撞式沖擊裝置試利用諧振板（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，從而使其產生與要求的沖擊響應譜類似的響應曲線，通常情況下，諧振桿裝置應有足夠的剛度和質量，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，均是利用諧振結構在一定頻率范圍內的彎曲模態響應，根據固有模態的放大效應實現對試件的沖擊響應譜加載，如圖6所示為梁式諧振裝置，該裝置是對試件進行側向沖擊。試驗裝置尺寸的選擇應使其基頻與給定試驗沖擊譜的峰值頻率對應，為了使裝置的基頻能夠被激勵，撞擊產生的脈沖載荷持續時間應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18 000 g。

當規定沖擊譜試驗條件與單自由度系統響應曲線很相近時，用上述的諧振裝置比較適用，可以用該響應曲線模擬所要求的試驗條件。2015年，北京衛星環境工程研究所沈志強等人，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能力[10]。

利用諧振裝置進行沖擊響應譜試驗模擬時，可以利用有限元數值仿真技術進行諧振裝置的設計，經過優化設計，得到滿足沖擊響應譜模擬試驗的最優結構。諧振裝置可以根據需要，為受試產品設計專用諧振裝置，具有簡單易行的特點。

2．4 火工品爆炸模擬技術

火工品爆炸沖擊模擬技術是利用火工品爆炸產生沖擊環境。系統級試驗和正式部段分離試驗時，一般采用真實的火工品爆炸模擬方法。這種方法的特點是能夠真實地模擬航天產品實際飛行中經受的火工品爆炸沖擊環境，但是，由于其試驗量級不可控，模擬量級與真實量級之間缺乏余量，有些產品結構在試驗過程中可能出現不可恢復的損壞，增加了試驗費用和試驗周期。因此，利用火工品爆炸模擬方法進行部、組件產品的沖擊環境試驗時，通常采用結構件代替正樣產品進行沖擊環境，獲取試驗數據。在實際應用中，將受試產品安裝在具有諧振響應的響應板合適的位置，然后將火工品安裝在響應板的背面或側面，起爆火工品激勵響應板使之產生類似爆炸沖擊環境振蕩衰減脈沖。通過調整響應板的設計參數、產品的安裝位置、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的沖擊響應譜載荷。

圖5 氣動沖擊響應譜模擬試驗系統

圖6 機械碰撞沖擊的諧振裝置

表1 各種沖擊響應譜模擬方法比較

火工品爆炸模擬技術的優點是能夠真實的再現航天器爆炸沖擊環境，具有高量級的沖擊載荷特點，加載方向具有多維的屬性，不用單獨完成產品正交的三個方向沖擊試驗模擬；缺點是試驗成本高、試驗結果重復性差、試驗模擬曲線的可控性差，并具在火工品爆炸的過程具有一定的危險性[11，12]。

3 結論

本文對沖擊響應譜的模擬試驗方法進行了全面的總結和分析，并且介紹了各個方法的優缺點和適用范圍。總結如表1所示。

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

[1]毛勇建,李玉龍. 爆炸分離沖擊環境的模擬試驗技術進展[J].導彈與航天運載技術, 2007(04):37-44.

[2]穆瑞忠,張建華,皮本樓. 航天器的沖擊譜模擬試驗方法[J]. 強度與環境, 2008, 35(5):32-37.

[3]李鴻儒. 小型跌落沖擊臺的設計原理[J]. 氣象水文海洋儀器, 2002,03:19-30.

[4] 趙于鑒. 在經典沖擊下電動振動臺最大加速度值的能力估算分析[J].國外電子測量技術, 2005, 24(11):35-38.

[5]徐剛. 大負荷長持續時間的跌落沖擊臺[J].試驗技術與試驗機,2002, 42(1,2):23-26.

[6] Marcus D. Billings, Edwin L. Fasanella. IMPACT TEST AND SIMULATION OF ENERGY ABSORBING CONCEPTS FOR EARTH ENTRY VEHICLES. AIAA-2001-1602.

[7] 王招霞,宋超. 擺錘式沖擊響應譜試驗機的調試方法[J].航天器環境工程, 2010,27(3):336-338.

[8] Yan Tingfei, Shen Zhiqiang. Design and Analysis of a pneumatic test system for shock response spectrum[C].International Conference Vibro-engineering 2014.

[9]李含忠,王招霞. 諧振板式大型試件沖擊譜模擬技術研究[J].航天器環境工程, 2008,25(2):159-162.

[10]沈志強,朱子宏. 改變連接特性提高振動臺沖擊響應譜模擬能力[J].裝備環境工程, 2016,13(2).

[11]馬斌捷,張建華. 火工品爆炸加載方法在火箭分離沖擊環境模擬試驗中的應用與效果[A]. 2006年度結構強度與環境工程專委會與航天空間環境工程信息網學術研討會[C].

[12]劉斌,吳江. 用火工品產生中高量級沖擊的試驗技術研究[J].強度與環境, 2007,34(3):8-13.

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,男動力學環境試驗技術研究。

朱子宏,男，高級工程師，從事動力學環境試驗技術研究。