點式星箭分離沖擊環境減緩設計與減沖性能試驗驗證

胡迪科，龍新軍，任海遼，歐陽涵，唐國安

（1.復旦大學 航空航天系，上海 200433； 2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

星箭連接分離解鎖裝置用于實現衛星與運載火箭之間的牢固連接與可靠分離。現階段國內星箭連接分離解鎖裝置以包帶類連接解鎖裝置和點式連接解鎖裝置等火工類分離機構為主。點式連接解鎖裝置具有結構簡單、所需空間小、安裝簡單[1-2]以及承載能力大等優勢，但也存在不可克服的缺點——裝置大多直接與衛星連接，分離過程中傳遞到衛星側的沖擊載荷較大[3]。

火工沖擊載荷可在不破壞衛星結構的情況下，對內部安裝有沖擊敏感元件的設備產生不利影響，導致衛星性能削弱[4-5]和災難性故障[6]。因此，必須開展沖擊載荷減緩設計。NASA-STD-7003 標準[4]指出，除可利用距離衰減沖擊載荷外，結構連接環節能大幅度降低沖擊響應（降幅達20%～75%），具體取決于連接環節的類型以及連接環節改變沖擊載荷傳遞路徑的實現方式。NASA 于20 世紀80 年代針對航天器設備隔沖開展相關試驗[7-9]，研究了在連接環節中間插入不同材料（包括金屬、軟質非金屬和硬質非金屬）對沖擊傳遞特性的影響，結果表明：插入鋼和鎂的多層材料可取得相對最好的隔沖效果，能使沖擊響應降低約30%～40%；但插入材料僅對試驗中較高的頻率范圍有效，當振動頻率處于1500 Hz 以下時隔沖效果不顯著。據相關文獻顯示，國內已有學者將沖擊防護措施歸納為減小火工品沖擊量級、在載荷傳遞路徑安裝緩沖裝置以及進行沖擊敏感儀器防護設計，驗證評估了墊片、減沖環等裝置的減沖效果，并對航天器火工沖擊環境防護技術現狀與應用、緩沖技術及模擬試驗技術等進行了系統總結[10-12]。

為適應某新型衛星平臺接口要求，上海航天技術研究院需為其量身打造4 點式連接解鎖裝置，且要求該裝置與傳統包帶連接解鎖裝置相比具有沖擊小、重量輕、適應性廣的優點。研制初期開展的連接解鎖裝置分離摸底試驗表明，衛星側沖擊載荷較大，遠超衛星平臺上儀器設備的承受范圍，必須進行優化設計。本文在4 點式連接解鎖裝置沖擊載荷傳遞機理研究基礎上，全面分析沖擊減緩途徑，提出在星箭接口不變前提下的沖擊減緩措施，并通過數值仿真和試驗研究驗證該沖擊減緩方案的有效性。

1 沖擊傳遞機理研究

新型衛星平臺與運載的機械接口采用4 點式連接解鎖方案，通過4 組星箭解鎖裝置實現衛星與運載火箭星箭適配結構的可靠連接與解鎖，每個連接點由1 個分離螺母和1 個螺栓收集筒組成——分離螺母用于分離面處的連接，當收到系統解鎖信號后，釋放螺栓；螺栓收集筒主要用于分離螺母的連接鎖緊和解鎖后對連接螺栓進行收集，提高分離可靠性，避免產生多余物。

為進行優化設計，減小分離沖擊載荷，首先需對點式連接分離裝置的沖擊傳遞機理進行研究。點式分離火工裝置工作時產生的沖擊載荷來源包括：1）藥劑爆炸引起的沖擊波和應力波的傳播；2）火工裝置突然動作導致預先施加的載荷產生的應變能瞬間釋放，形成應力波傳播和結構諧振響應；3）火工裝置部件以一定速度和沖量撞擊結構形成應力波和（或）結構諧振響應；4）點式分離火工品相互之間的影響，例如4 點分離方式中4 點同時起爆時其他3 點對1 個點的影響。實際情況下的沖擊是上述4 種沖擊源耦合作用的結果。點式連接分離裝置的沖擊傳遞路徑參見圖1。

圖1 點式連接分離裝置的沖擊傳遞路徑示意Fig.1 Schematic of pyroshock transmission path for the point-type separation device

1）藥劑爆炸沖擊

火工品爆炸產生的沖擊是分離裝置沖擊載荷的最主要來源。分離螺母的工作原理為：點火器工作后，產生的高溫高壓燃氣通過殼體上的燃氣通道作用于活塞和活塞盤上，使活塞帶動箍套克服擋圈解鎖力及摩擦阻力而移動，從而解除對分瓣螺母的徑向約束，使其處于徑向自由狀態；同時，活塞盤運動使分瓣螺母徑向脹開，從而解除對螺栓的軸向約束，實現分離。火工品工作時，在安裝結構處產生巨大的局部壓力，并以高量級、高頻響的應力波形式在結構材料中傳播，除了爆炸源附近有塑性變形外，主體結構僅僅傳遞彈性波，而自身不易受火工沖擊的影響；應力波在結構內的傳播過程中通過不斷地反射、折射以及激勵結構的諧振，使得沖擊能量不斷衰減。

由上述分析可知，可以通過減小火工品的藥量，甚至采用非火工驅動元件從源頭上降低沖擊載荷，或采用優化火工品沖擊傳遞路徑的方式達到相同的目的。但由于火工品選型已定，火工品改進涉及較多環節和試驗驗證，難度大、成本高，故非降低分離沖擊載荷的首選方式，而優化沖擊傳遞路徑的方式相對更優。

2）預緊力釋放沖擊

星箭分離時預緊力蓄積的應變能瞬間轉化為動能，在結構上激起應力波傳播，引起結構沖擊與振動響應。預緊力越大，引起的分離沖擊越大，因此要降低分離沖擊載荷就應盡量減小預緊力。但預緊力須根據火箭發射時星箭界面載荷而定，且火工裝置在安裝后要承受嚴酷的動力學環境，預緊力過小意味著連接部位存在松動甚至脫落的風險。因此，必須在保證結構連接剛度的基礎上，精確控制預緊力加載。可見，降低預緊力不是降低分離沖擊載荷的較好選擇。

3）火工品結構殘體二次沖擊

火工品起爆后，火工品結構殘體在預緊力、彈簧等作用下具有一定的沖量，撞擊收集筒產生沖擊力并經撞擊點傳入結構內，形成應力波向四周傳遞。降低結構殘體的沖量可以有效降低裝置引起的沖擊載荷。因此可在火工品收集筒附近采取措施，在撞擊部位通過塑性變形吸收能量的方式來抑制結構碰撞產生的沖擊，也可以增加彈性體來隔離碰撞沖擊的傳遞。

4）點式分離火工品相互之間的影響

針對本項目研究的4 點分離方式，根據國軍標GJB 150.27—2009[13]總結的典型材料中沖擊隨距離衰減曲線及沖擊隨距離衰減的經驗公式，可初步判斷4 點火工品同時起爆時其他3 點對1 個點的影響。

根據大量試驗數據統計得到不同材料中沖擊能量隨距離衰減關系如圖2[13]所示。基于本研究中運載適配器和衛星底部結構特征，可以判斷當兩火工品間隔一定距離（適配器邊長）時，一個火工品工作產生的沖擊傳到另一個火工品位置的沖擊響應將衰減到10%～20%。

圖2 不同材料中沖擊能量隨距離衰減關系[13]Fig.2 Pyroshock energy attenuation vs.distance in different materials[13]

假設沖擊為點源時，還可以按照以下沖擊隨距離衰減的經驗公式[13]對任意兩位置之間的衰減關系進行估算，

式中：D1和D2分別為任意兩位置到沖擊源的距離，SRS(D1)和SRS(D2)分別為對應位置的沖擊響應譜值；fn為給定的固有頻率。

根據式(1)可初步估計一個火工品工作傳到另一個火工品位置的沖擊響應衰減率，在距離一定的情況下，沖擊響應衰減率隨頻率的增大而增大。如圖3 所示，對于本項目中兩火工品的間距而言，從一個火工品位置傳遞到另一個火工品位置的沖擊響應在頻率大于450 Hz 后可衰減掉90%以上。火工沖擊主要關注高頻范圍，因此可認為4 點同時起爆時其他3 點對所關注的1 個點的沖擊影響可以忽略。

圖3 確定位置點源的沖擊能量衰減率隨頻率變化曲線Fig.3 The curve of pyroshock energy attenuation in frequency domain for certain impact point

綜上分析可知，藥劑爆炸和預緊力釋放導致的沖擊能量基本不能改變，而各點源之間的沖擊相互影響較小，因此本文重點從降低火工品結構殘體二次沖擊和優化沖擊傳遞路徑兩方面入手，進行分離連接解鎖裝置減沖優化設計，并驗證減沖性能。

2 減沖優化設計

根據點式連接解鎖裝置結構形式（見圖4），可在裝置頂部增加緩沖墊，以降低火工品結構殘體碰撞產生的二次沖擊。沖擊傳遞路徑優化的具體途徑包括：1）在上、下接頭之間增加緩沖；2）在火工品與下接頭連接處增加緩沖。途徑1 會改變原有的星箭接口，同時抬高衛星的質心，影響衛星的力學環境；途徑2 不改變星箭接口，只需對火工品與下接頭適配器連接環節進行優化，因此本文采用途徑2 對解鎖裝置進行優化。

圖4 點式連接解鎖裝置結構示意Fig.4 Structural schematic of the point-type separation device

2.1 收集筒增加緩沖，降低火工品結構殘體二次沖擊

如圖5 所示，在火工品收集筒頂部增加蜂窩和橡膠墊，根據分離螺母螺桿最小作用位移、分離彈簧的有效行程、蜂窩和橡膠墊高度，確定收集筒的安裝尺寸。收集筒外形如圖6 所示，做成上、下分體結構，兩部分結構之間通過螺紋連接，并涂膠防松；收集筒材料為2A12，通過機加而成，并在側面開減重孔；收集筒通過下端翻邊上的4 個螺釘孔與艙體連接。后續擬通過分離試驗，驗證在收集筒中增加緩沖措施對二次沖擊的抑制效果。

圖5 火工品收集筒頂部蜂窩和橡膠墊安裝示意Fig.5 Schematic of honeycomb and rubber pad installed at the top of the explosive initiator collector

圖6 火工品收集筒外形Fig.6 Explosive initiator collector

2.2 優化沖擊傳遞路徑，降低藥劑爆炸沖擊

在收集筒與適配器連接處，放置不同材料的緩沖墊片（見圖7），其減沖機理有二：一是在沖擊波通過緩沖材料時能量被材料吸收，沖擊波衰減；二是不同層數的緩沖材料界面可反射沖擊波，起到隔斷沖擊波傳遞的效果。根據文獻[14]，可通過外力實現對振源和結構的解耦分析，建立點式分離裝置仿真模型如圖8 所示，模擬不同墊片組合的減沖效果。在火工品附近位置加載沖擊力載荷激勵，同時輸出火箭側和衛星側位置的加速度時域響應，并進行沖擊響應譜分析。經初步分析發現墊片為鎂合金、不銹鋼、玻璃鋼組合時減沖效果較好，后續擬對不同層數和厚度的墊片分組進行試驗，進一步驗證減沖效果。

圖7 增加材料墊片措施Fig.7 Measures of adding gasket

圖8 點式分離裝置的沖擊仿真模型Fig.8 Pyroshock simulation model of the point-type separation device

3 減沖性能驗證試驗

3.1 試驗方案設計

試驗為單點分離試驗，采用模擬衛星支撐梁、模擬適配器和連接解鎖裝置（參見圖4）組合狀態，利用真實火工品起爆分離。通過連接解鎖裝置把模擬衛星支撐梁、模擬適配器連接到一起，模擬衛星支撐梁與模擬適配器之間通過抗剪錐套配合。連接解鎖裝置安裝后，用力矩扳手進行鎖緊螺母預緊。預緊達標后，將試驗裝置固定到試驗臺支架上進行解鎖分離試驗。解鎖后，模擬適配器和分離螺母下端與模擬支撐梁分離，跌落到地面海綿墊上。

減沖性能驗證試驗同時驗證減沖效果以及點式連接解鎖裝置的連接、分離功能，試驗狀態包括收集筒內有無減沖措施以及收集筒中不同材料墊片的組合，具體見表1。試驗時在模擬衛星支撐梁、模擬適配器和連接解鎖裝置安裝面上布置沖擊傳感器（位置見圖4），用于評價減沖效果。各測點的沖擊加速度傳感器量程±10 000g，分析頻率范圍20～10 000 Hz。

表1 減沖性能驗證試驗狀態Table 1 Status of the pyroshock reduction performance verification test

3.2 試驗結果分析

根據試驗流程，在試驗前對產品、設備進行狀態檢查，隨后完成連接解鎖裝置的安裝，再加載分離螺母的預緊力矩，預緊力矩達標后進行分離前的狀態檢查，最后點火完成分離試驗。試驗前、后狀態見圖9，解鎖裝置成功分離。

圖9 減沖性能驗證試驗Fig.9 Pyroshock reduction performance verification test

4 次試驗中衛星側和火箭側測點的沖擊響應譜實測曲線見圖10，沖擊響應譜最大值統計見表2。

表2 減沖性能驗證試驗沖擊響應最大值比較Table 2 Maximum SRSs and corresponding frequency points of the pyroshock reduction performance verification test

圖10 減沖性能驗證試驗沖擊響應實測曲線Fig.10 Measured shock response curves of the impact reduction performance verification test

由圖10 及表2 可以看出：

1）第1 次分離試驗與第2 次分離試驗，由于試驗狀態一致，各點最大沖擊響應值及對應頻率試驗數據具有較強的一致性；第2 次沖擊試驗無明顯的二次沖擊特征，說明收集筒頂部增加蜂窩和橡膠墊可有效降低二次沖擊響應。

2）在4 次試驗中，第3 次和第4 次試驗的衛星側沖擊響應較小，說明在沖擊傳遞路徑上采取措施（增加鎂合金、不銹鋼和玻璃鋼墊片組合）的降沖擊效果明顯。對比無措施狀態（第1 次試驗），分別降低了43.3%和39.5%。

3）雖然有無墊片時裝置的減沖性能有本質差異，但對比第3 次和第4 次試驗發現，墊片厚度的增加對減沖性能提升效果不明顯。

4 結束語

為改善點式分離星箭界面沖擊載荷環境，以星箭接口不變為前提，對連接解鎖裝置進行了優化設計。在收集筒頂部增加蜂窩和橡膠墊，以降低火工品結構殘體碰撞產生的二次沖擊；在沖擊載荷傳遞路徑上增加不同材料墊片，以降低藥劑爆炸沖擊響應。

仿真和減沖性能驗證試驗表明：增加蜂窩和橡膠墊后，顯著降低了火工品結構殘體碰撞產生的二次沖擊；在沖擊傳遞路徑上增加鎂合金、不銹鋼和玻璃鋼墊片組合，可將沖擊響應降低40%左右；有無墊片時裝置的減沖性能有本質差異，但增加墊片厚度對減沖性能提升效果不明顯。