某航天裝備沖擊響應譜隔離設計

蘇渤

（中國飛機強度研究所，西安710065）

0 引 言

航天器升空時，火工裝置主要起到星箭分離、部件解鎖及設備驅動等功能[1]。而火工裝置在爆炸時，產生劇烈的瞬時沖擊，對周邊設備尤其是電子設備、輕薄結構及脆性材料造成不可預估后果[2]。

近年來，由于沖擊響應譜能有效地模擬裝備實際沖擊特性，沖擊響應譜試驗技術得到了長足發展并日益成熟。陳小慧等[3]研究了沖擊響應譜的時域合成方法；劉洪英等[4]開發了一種沖擊響應譜控制系統。隨著沖擊響應譜試驗的日益成熟，以往采用的經典沖擊試驗（半正弦、后峰鋸齒等典型波形）逐漸被沖擊響應譜試驗代替。

裝備常由于大的過載沖擊而產生精度降低、結構破壞等問題，采用被動隔離設計，能有效降低設備部位沖擊量值，金屬橡膠隔振器，由于其良好的剛度阻尼特性及環境適應性，在設備的減隔振防護領域應用越來越廣泛。金屬橡膠具有較強非線性，陳艷秋等[5]研究了金屬橡膠減震墊的剛度特性及本構關系；劉遠方等[6]研究了金屬橡膠材料恢復力的三維模型；盧成壯[7]通過試驗研究了金屬橡膠墊的阻尼和剛度特性。而本文采用其在預測金屬橡膠沖擊載荷力學行為時，與試驗結果相差較大，這主要是金屬橡膠材料強非線性造成的。

本文設計了一種金屬橡膠隔沖系統，采用試驗方法研究了金屬橡膠密度與沖擊響應最大值的關系，具有一定工程借鑒意義。

1 沖擊響應譜技術

以往沖擊試驗以理想波形為主，如國軍標GJB150、美軍標MIL-STD-810規定的裝備的沖擊試驗多以半正弦、后峰鋸齒等波形為主，對此種波形進行傅里葉變換后，發現能量分布以低頻為主，這與裝備的實際受沖擊載荷狀態不符，尤其是某些帶有減隔振裝置的設備進行沖擊試驗時，經常由于低頻過量值導致設備損壞。裝備實際受載荷沖擊是非常復雜的過程，其沖擊量值和持續時間都是變化的，這與理想沖擊試驗過程差別較大，經常出現在實驗室環境中設備未出現沖擊破壞而在實際使用環境中出現沖擊破壞的問題。隨著裝備對精度、可靠性要求越來越高，裝備實驗室環境試驗要求應能評估裝備實際沖擊效應，由此，沖擊響應譜試驗技術應運而生。布洛特于1963年提出沖擊響應譜的概念：通過將沖擊激勵施加到一系列線性、單自由度彈簧質量系統時，將各自由度系統的最大響應值作為對應于系統固有頻率的函數響應曲線。沖擊響應譜是單自由度系統內頻率與其最大響應的函數，是頻域范圍的函數，它可以較好地模擬裝備在不同頻率下的沖擊響應規律。沖擊響應譜具有以下明顯優勢：具有明確的物理意義，以沖擊引起的響應大小來衡量試驗對象在現實沖擊的破壞力；具有響應等效性，因此比理想簡單沖擊更接近實際沖擊環境；同時，試驗中可以比較明顯看出裝備所承受的最大動載荷，對設備耐沖擊設計起到很好的指導作用。

2 沖擊響應譜計算

沖擊響應譜一般有加速度模型和位移模型。

圖1為單自由度彈簧質量系統，系統質量為m，剛度為k，阻尼為c。該系統運動微分方程為

圖1 單自由度彈簧質量系統模型

式中：δ（t）為質量m相對于基座的位移，δ（t）=x（t）-u（t）；x（t）為質量的絕對位移；u（t）為基礎的絕對位移；ωn為單自由度系統的固有頻率，ωn=；ξ為單自由度系統的阻尼比，ξ=c/2

對于待分析的沖擊加速度時間歷程，當給定一個固有頻率時，可通過解微分方程獲得系統的最大加速度響應或者最大位移響應，當固有頻率從0 Hz逐漸增加時，重復計算過程就可以得到系統最大加速度響應或者最大位移響應關于系統固有頻率的函數。

3 沖擊響應譜隔離設計實例

某航天電子設備，在發射階段受火工裝置工作引發較強的沖擊，導致設備發生沖擊破壞。經實際測試并進行包絡處理，獲取設備部位沖擊響應譜特性如圖2所示，沖擊響應譜加速度達到1000g，10～400 Hz斜率為+6 dB/oct，400～4000 Hz加速度為1000g。在實驗室環境進行垂向沖擊試驗時，設備某元器件發生沖擊破壞，故障在實驗室環境得到重現，說明沖擊響應譜可真實反映設備實際發射過程所受載荷形式。

圖2 沖擊響應譜試驗條件

3.1 隔沖方案設計

航天環境極為嚴酷，隔沖裝置應具有良好的環境適應性；航天器振動環境復雜，振動大小和方向具有隨機統計規律，隔振裝置應具有多軸向的隔振緩沖能力；設備在設備艙內距離頂部僅7 mm，隔振裝置空間尺寸、運動行程和緩沖效果是一對矛盾體，良好的緩沖效果需要足夠的緩沖位移。

本文采用金屬橡膠進行隔沖安裝設計。金屬橡膠是由金屬絲制成螺旋卷，再經過一定順序排列鋪放，制成毛坯，再經過模壓制成的一種均質的彈性多孔物質，金屬橡膠既具有所選金屬的優異物理力學性能，又具有類似橡膠的彈性和大阻尼特性。其優點是抗老化、真空不揮發、耐輻射、耐空間高低溫環境、壽命長等，可滿足航天空間飛行器的特殊復雜使用環境。

如圖3所示，金屬橡膠阻尼器具有硬彈簧特性，隨著位移增加，阻尼器的剛度會逐漸增加，在低量值隨機振動時，金屬橡膠阻尼器處于低變形、低剛度區域，隔振系統頻率較低，具有良好的隔振效率。在大變形沖擊過程中，隔振系統的剛度會急劇增加，設計合理時，在較小的位移形變空間內達到緩沖效果。

設計的金屬橡膠阻尼器安裝形式如圖4所示，整體安裝示意如圖5所示。由圖4可知，金屬橡膠阻尼器由上下金屬橡膠阻尼墊、金屬骨架組成，承受軸向相反方向載荷時，金屬橡膠墊始終有一側屬于受壓狀態，承受徑向正負方向載荷時，金屬橡膠墊也始終有一個方向承受壓力，因此，在大載荷沖擊時，不會由于位移限制而剛度較低導致二次磕碰。

圖3 金屬橡膠阻尼器剛度特性曲線

圖4 金屬橡膠阻尼器結構示意

圖5 隔振緩沖安裝示意圖

3.2 樣件制作

本文采用的原材料為絲徑0.1 mm、外徑1 mm的金屬彈簧絲，其材質為奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。如圖6所示，將原材料拉伸為螺距為1 mm的試樣，以45°角度交叉纏繞于模具中，通過電子萬能試驗機壓制成型，樣件試樣如圖7所示。

3.3 隔沖系統的試驗研究

設備緩沖位移較小，垂直方向極限緩沖位移為±3.5 mm，金屬橡膠墊密度較低時，設備沖擊時會由于支撐力較小而導致二次碰撞；密度過大時，會由于緩沖位移較小而隔沖效果較差。因此，設計了一系列密度的金屬橡膠墊，采用模擬工裝進行了金屬橡膠墊的實驗研究。

圖6 金屬彈簧絲及拉制示意圖

圖7 金屬阻尼墊樣件

在沖擊試驗臺進行了系統的沖擊響應試驗，設計的試驗框圖如圖8所示。

設計的系列密度及最大響應值如表1所示，系統最大響應值隨金屬橡膠密度的變化規律如圖9所示。從圖9可以看出，系統響應最大值先是隨著密度的增大逐漸減小，經過最低點后，隨著密度的增大而逐漸增大，這是由于密度過低時系統在沖擊時造成二次碰撞導致量值增加，而密度過大時，隔沖系統近似于剛性連接。當金屬橡膠墊密度為1.5 g/cm3，系統響應最大值達到最低點，為385g，隔沖效率達到61.5% ，沖擊試驗后，檢驗光學設備狀態，光學設備精度在允許范圍。在后續的實際整機試驗中，設備圓滿完成了檢測任務。

圖8 試驗框圖

圖9 系統最大響應值隨金屬橡膠密度的變化規律

表1 金屬橡膠密度與最大響應值

4 結 論

1）簡單介紹了沖擊響應譜的特點，沖擊響應譜能有效模擬航天裝備點火時所受沖擊特性，實驗室環境進行設備的沖擊響應實驗可驗證設備在真實環境中的響應特性。2）利用金屬橡膠阻尼墊特點，設計一種兼顧隔振和緩沖的金屬阻尼隔振裝置。在實驗室環境研究了金屬橡膠密度和隔振裝置最大響應的關系，在較小的尺寸空間內，使沖擊響應譜最大值由1000g降低到385g，降低了61.5%，該種設計方式也可以推廣到其它裝備的緩沖設計。