傳感器安裝對爆炸沖擊測試結果影響的試驗研究

孫 璟，侯金瑛，丁 沛，李 巖，赫志亮，張志峰

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.北京強度環境研究所，北京 100076)

0 引言

爆炸分離裝置是一種兼有連接、解鎖和分離功能的裝置，是實現航天運輸系統級間、頭體、頭罩、尾罩、口蓋等正常分離的關鍵元件，是運載火箭的重要組成部分[1]。它的主要任務是在有效載體發射到預定目標位置后，使運載火箭、載人飛船和航天飛機等航天飛行器完成預定工作后的艙段與主體解鎖、分離，其分離解鎖的成功直接關系到空間飛行器任務的完成，以及人員與設備的安全[2]。

爆炸分離產生的高量級沖擊環境是航天運載器在總裝、運輸、發射和飛行等全壽命周期中需要經受的嚴酷的力學環境之一。火工品爆炸沖擊環境的頻率范圍為100 kHz以上，沖擊量級可達100 000g[3]。嚴酷的沖擊環境極易使航天器上各種產品中的沖擊敏感元件發生損傷失效，甚至造成災難性的飛行事故。NASA曾對1963—1985年間的所有飛行故障進行了統計，其中與沖擊環境相關的故障超過63次，并且多數為災難性故障。

近些年，隨著我國航天發射任務密度的快速增長，沖擊環境導致的航天產品故障多發。然而航天產品的沖擊響應和測試方法都不夠成熟，尤其爆炸沖擊引起的加速度具有幅值高、頻率帶寬等特性，導致沖擊響應測量難度進一步增加[4-5]。之前一些學者采用結構的動態應變、位移、速度和加速度等參數進行描述[6-7]。目前，在航天工程單位采用壓阻式沖擊傳感器作為工程中主要測量工具之一，其沖擊測量結果一方面與傳感器自身性能有關[8-9]，另一方面與傳感器的實際安裝過程中的各因素有關。為了研究傳感器安裝狀態對沖擊測試結果的影響，本文開展了多個影響因素的試驗研究，給出了各因素影響程度及后續使用建議和禁忌。

1 試驗設計

利用輕氣炮作為沖擊加載裝置[10]，T形工裝豎直安裝到輕氣炮響應板上，兩組對比傳感器分別背對背安裝在工裝的兩側(同一個安裝孔)，每組傳感器通過1個安裝塊連接3個單向壓阻式傳感器分別測量3個垂直軸向的沖擊響應(豎直板的上下為X，左右為Y，豎直板法向為Z)，見圖1。

圖1 對比試驗裝置

在T形工裝的豎直板上直接螺接安裝兩個單向壓阻式傳感器分別作為X向和Y向標準測試結果，Z向通過轉接塊連接在T形工裝上，作為法向測試結果對比基準。以上3個標準測試結果是經多次試驗激光多普勒測振儀校準過的，典型對比見圖2。傅里葉分析的高低通濾波測試信號處理方法[11]，在忽略小量級影響的情況下，可以作為對比基準。

圖2 單向壓阻式傳感器對激光多普勒測振儀的對比圖(典型)

2 沖擊測試對比試驗

本文分別比對了耦合劑種類、連接螺栓規格、表面粗糙度、安裝力矩以及傳感器安裝數量等因素對測試結果的影響。

2.1 耦合劑種類的影響

理論上，當轉接塊(壓阻式傳感器安裝基座)和測試件接觸表面不是十分光滑時，在兩者之間使用薄薄的一層耦合劑將改善高頻性能。為了驗證沖擊試驗測量中耦合劑的影響大小，分別選用硅脂(沖擊測試推薦使用的耦合劑)和502膠作為耦合劑，對測點B的傳感器安裝塊與試件的接觸面進行處理后安裝在T形工裝豎直板上，如圖3和4所示。

圖3 涂抹硅脂

圖4 背靠背測點安裝狀態示意圖

在轉接塊和被測對象之間涂抹專用硅脂的方式將傳感器安裝到測點A，按不同量級進行2次對比試驗，試驗結果如圖5和6所示。

(a)X向

(a)X向

在轉接塊和被測對象之間添加502膠作為耦合劑，進行了2次沖擊對比，試驗結果如圖7和8所示。

(a)X向

(a)X向

2.2 連接螺釘規格的影響

為了研究轉接塊與被測對象連接螺釘規格對沖擊測量的影響設計如下試驗，試驗狀態與耦合劑種類影響一致，背對背測量如圖4所示，豎直板兩邊分別用M5與M6的螺釘連接轉接塊，分別進行2次沖擊對比。試驗結果如圖9和10所示。

5.2 防治方法：①農業防治：深翻土壤，消滅越冬蛹；及時打杈掐尖，結合整枝把嫩葉、嫩枝上的卵及幼蟲一起帶走燒毀或深埋，可有效地減少卵量；摘除蟲果，減少幼蟲轉株危害。②生物防治：在棉鈴蟲產卵始、盛末期釋放赤眼蜂，每畝冬暖大棚放蜂1.5萬頭，每次放蜂間隔期為3～5天，連續3～4次。③藥劑防治：應掌握在百株卵量達20～30粒時開始用藥，尤其在半數卵變黑時為好，可選用90%敵百蟲可濕性粉劑1000倍液，或50%辛硫磷乳油1000倍液，或2.5%溴氰菊酯乳油3000倍液，或40%菊馬乳油2000～3000倍液噴霧。

(a)X向

(a)X向

2.3 表面粗糙度的影響

為了研究被測對象與轉接塊的表面粗糙度對測量結果的影響，精加工一個同等材質粗糙度低(粗糙度1.6)的轉接塊，如圖11所示，與平時使用的轉接塊(粗糙度6.3)進行2次背對背測試，試驗狀態如圖4所示。試驗結果如圖12和13所示。

圖11 轉接塊實物圖片

(a)X向

(a)X向

2.4 安裝力矩的影響

把轉接塊與被測對象的連接力矩0.3 N·m和3 N·m進行比對, 試驗狀態如圖14所示，試驗結果如圖15所示。

圖14 安裝力矩影響試驗狀態圖

圖15 安裝力矩影響對比結果

2.5 傳感器安裝數量的影響

2.5.1 螺接狀態

為了研究測試安裝狀態對非主振方向測量的影響，采用圖16的試驗裝置，重點對通過轉接塊安裝的傳感器的Y向測量結果進行了比較研究。對比試驗狀態分為3個：1)安裝3支傳感器；2)安裝2支傳感器；3)安裝1支傳感器。試驗狀態見圖16，以T形工裝的豎板側棱上直接螺接的壓阻式傳感器作為標準，在工裝豎直面上螺接轉接塊，轉接塊上分別連接1支、2支和3支傳感器3個狀態進行沖擊試驗。試驗結果見表1。

(a)3支傳感器 (b)2支傳感器

表1 螺接轉接塊上連接不同數量傳感器的測試結果表

2.5.2 焊接狀態

由2.5.1節測試結果可知，將轉接塊與被測對象螺接測量3個方向的沖擊時，非主振方向在600～5 000 Hz 測試結果比標準有所放大，為了減小甚至消除這種影響，將轉接塊焊接在工裝上(如圖17所示)，利用該工裝進行比對試驗。試驗結果如表2所示。

圖17 轉接塊焊接狀態不同傳感器數量試驗狀態圖

表2 焊接轉接塊上連接不同數量傳感器的測試結果表

2.6 小結

分析上述一系列比對試驗可以得出以下結論：

轉接塊與被測對象螺接，僅連接非主振方向的1支單向壓阻式傳感器，在非主振方向全頻段都有所放大，在600～5 000 Hz與激光測試數據和標準測試數據基本一致，5 000～10 000 Hz放大倍數≤2；轉接塊上連接2支和3支單向壓阻式傳感器時，在600～5 000 Hz測試結果比標準有所放大，最大放大倍數≤5，其余頻段與標準測試結果一致。

轉接塊與被測對象焊接，在非主振的Y向測試結果部分頻段還有所放大，放大頻段由原來的600～10 000 Hz縮減到2 000～6 000 Hz，放大倍數也有所下降；轉接塊上其余兩方向的測試結果與工裝上的標準測試結果一致。

3 結論

為提升爆炸沖擊測量能力和數據的準確性，建議后續測量采取如下措施：

1)通過各種渠道購置業界認可的傳感器，進行嚴格篩選、考核；

2)盡量保持每次測試操作狀態的一致性，使用同一種耦合劑(硅脂--沖擊測試推薦使用的耦合劑)、相同規格的連接螺栓、推薦轉接塊的表面粗糙度為1.6、安裝力矩為3 N·m(按照傳感器出廠要求)；

3)禁止使用1支單向壓阻式傳感器加轉接塊的方式對非主沖方向進行測試；

4)為提高測量的準確性，條件允許的情況下近場測量轉接塊可采用焊接。