微納衛(wèi)星火工沖擊載荷緩沖裝置設計及驗證

趙相禹， 趙春娟， 張 雷， 陳善搏， 石有勝

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100039；3.長光衛(wèi)星技術股份有限公司，長春 130033)

星箭分離沖擊環(huán)境是衛(wèi)星在發(fā)射過程中所經歷的最為苛刻的力學環(huán)境之一，是由火工品起爆作用于衛(wèi)星結構上產生的高頻、高量級的瞬態(tài)沖擊響應，加速度幅值可高達104～105g，持續(xù)時間僅為幾毫秒，主要頻率范圍在102～106Hz。通常情況下，星箭分離產生的火工沖擊載荷對航天器主結構的影響較小，但是卻能夠對含有沖擊敏感的元器件和脆性材料(如繼電器、晶振、陶瓷、環(huán)氧材料、玻璃材料、釬焊以及微電子芯片等)的儀器設備造成損傷，從而導致航天任務的失敗，甚至會造成災難性的事故[1-5]。

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，對航天器的載荷比要求越來越高，復雜結構的大衛(wèi)星采用蜂窩板的結構，具有較好的沖擊緩沖及吸收效果，而小衛(wèi)星通常采用鋁合金等金屬框架，采用搭載的方式發(fā)射，其結構十分緊湊，星箭分離產生的沖擊波在結構上衰減十分緩慢，想要通過結構布局將單機布置在距離沖擊源較遠的區(qū)域難以實現。因此，低沖擊星箭分離裝置的研制以及整星系統(tǒng)級的降沖擊技術研究對改善衛(wèi)星的沖擊環(huán)境，提高單機的工作可靠性至關重要。

對于爆炸環(huán)境的減沖擊措施，僅有少量文獻。丁繼峰等[6]對某衛(wèi)星平臺上沖擊環(huán)境過大的問題設計了緩沖孔、緩沖墊和過渡段3種衛(wèi)星系統(tǒng)級緩沖方案，通過實驗結果表明，緩沖孔和過渡段方案緩沖效果更優(yōu)，相比無緩沖方案衰減量提高了30%；嚴魯濤等[7]制作了減沖擊環(huán)樣機，大幅衰減了沖擊幅值，并討論了阻尼層對結構動力學特性及減沖擊特性的影響；CSA公司的Conor等研制了多種類型的整星振動及沖擊隔離裝置，并完成了多項運載火箭的衛(wèi)星發(fā)射任務。

本文研究了一種整星系統(tǒng)級金屬橡膠雙層隔沖擊裝置，通過雙層轉接增加安裝界面、延長沖擊載荷傳遞路徑，同時在傳遞路徑上安裝金屬橡膠減振墊，通過金屬橡膠減振墊變形，把急劇輸入的能量存儲起來，在金屬橡膠變形過程，金屬絲之間發(fā)生相對滑移，在接觸面之間的干摩擦會消耗大部分沖擊能量，從而有效降低金屬框架微納衛(wèi)星星上載荷安裝點處的沖擊響應，通過沖擊實驗驗證了該裝置在高量級火工品爆炸沖擊下的有效性，為金屬框架微納衛(wèi)星整形系統(tǒng)級減沖擊設計提供了經驗，該裝置為整星系統(tǒng)級減沖擊裝置，具有結構簡單、成本低，加工周期短、質量輕等優(yōu)點，適合研制周期較短的微納衛(wèi)星整星系統(tǒng)級降沖擊。

1 衛(wèi)星結構及沖擊響應要求分析

某微納衛(wèi)星整體主要采用輕量化鋁合金框架結構，底板采用蜂窩板，整星質量約20 kg，衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)外形尺寸為600 mm×420 mm×450 mm。

整星結構分解圖，如圖1所示。從整星分解圖中能夠看出衛(wèi)星布局十分緊湊，各單機距離星箭分離面均較近，沖擊在金屬框架上衰減較小。該微納衛(wèi)星為立方體構型，發(fā)射方式為搭載發(fā)射，火箭對整星的包絡及質量要求嚴格。衛(wèi)星分離機構采用三點爆炸螺栓式分離裝置，衛(wèi)星通過分離裝置與運載系統(tǒng)相連，星箭分離時刻，3個爆炸螺栓同時起爆，4個分離彈簧實現衛(wèi)星與運載系統(tǒng)分離，3個爆炸螺栓產生的沖擊波沿著衛(wèi)星底板即星箭分離界面直接傳遞到衛(wèi)星框架，分離面處沖擊響應通過實驗采集超過15 000g,各單機安裝點處分離沖擊超過2 000g，不滿足單機任務書中沖擊小于2 000g的要求，因此需要對爆炸螺栓產生的沖擊進行緩沖設計。

圖1 衛(wèi)星結構分解圖

2 緩沖設計基本理論

2.1 沖擊載荷來源

航天器火工裝置動作時產生的沖擊載荷來源有以下3種：①含能材料(如火藥、炸藥)爆炸引起沖擊波和應力波的傳播；②火工裝置突然動作(如斷裂、解鎖、切割等)預載荷產生的應變能突然釋放，形成應力波傳播和結構諧振響應；③火工裝置部件(如爆炸螺栓的螺柱頭)以一定速度和沖量撞擊結構特定部位，形成應力波和結構諧振響應。[8-9]

2.2 火工沖擊傳遞機理

沖擊載荷在結構中以波的形式傳播，根據介質結構的構型和材料的不同，其傳遞和衰減的特性也隨之變化。NASA(National Aeronautics and Space Administration),于20世紀70年代對大量火工品在航天典型結構中的傳遞特性進行了統(tǒng)計分析，結論認為沖擊響應會隨著傳遞距離的增加，響應不斷衰減，其衰減的原因主要有：①傳遞過程中能量的耗散；②通過激勵結構的諧振將高頻能量轉化為低頻能量；③波的反射和折射造成頻率成份的變化[10]。

2.3 火工沖擊抑制方法

根據火工沖擊的來源及傳遞機理，工程上可以從以下幾個環(huán)節(jié)進行抗沖擊載荷設計：

(1) 從源頭(火工品)上降低沖擊源輸出沖擊載荷的量級，即優(yōu)化火工裝置的藥型、藥量及預緊力，降低火工沖擊量級[11-14]。由于星箭分離用火工品需要極高的可靠性和穩(wěn)定性，一旦定型，任何設計狀態(tài)的改變都需要大量的地面實驗驗證其可靠性，因此，火工品的改進設計難度大、費用高、周期長，商業(yè)航天環(huán)境下衛(wèi)星的研制周期普遍較短，分離機構火工裝置重新設計時間很難滿足現有型號的進度要求。

(2) 優(yōu)化星上單機布局，將對沖擊敏感的儀器安裝在距火工沖擊源較遠的距離；爆炸和應變能釋放引起的響應頻率成分較高，主要表現為應力波傳播，因此隨距離的增加而迅速衰減。在航天器設計論證初期，可以將對沖擊敏感的儀器如星敏感器、綜合電箱等儀器布置在離火工品較遠的位置。由于該微納衛(wèi)星布局緊湊，緊靠優(yōu)化單機布局，難以實現所有沖擊敏感元件具有較好的沖擊環(huán)境。

(3) 在沖擊傳遞路徑上通過隔離、附加連接環(huán)節(jié)等手段增加沖擊載荷的衰減量；根據沖擊載荷的傳遞機理，在其傳播路徑上附加緩沖措施是工程型號進行緩沖設計的主要途徑，爆炸和應變能釋放引起的響應頻率成分較高，主要表現為應力波的傳播，連接結構僅能傳遞彈性波，傳遞路徑中的不連續(xù)結構會加大沖擊響應幅值的降低，特別是高頻成分，而連接結構本身不容易受到爆炸沖擊的影響。

(4) 加強航天器沖擊敏感儀器抗火工沖擊載荷設計；火工沖擊是航天器全生命周期間所經歷的最為嚴酷的力學環(huán)境之一，需要開展系統(tǒng)級和部件級抗力學環(huán)境設計工作，以提高產品環(huán)境的適應性和可靠性。商業(yè)航天背景下衛(wèi)星選用的單機通常都是成熟的商用貨架產品或者性價比較高的單機，在較短的研制周期下，通常難以進行抗沖擊載荷設計。

3 緩沖方案設計

3.1 緩沖方案緩沖原理

通過對火工沖擊傳遞機理的研究并結合衛(wèi)星結構形式。在衛(wèi)星底板與側面主承力框架中間設計一層由兩層轉接板加金屬橡膠墊圈的隔沖擊裝置，如圖2所示。雙層轉接板分上下兩層，下層1a與整星底板連接，上層2a隔一層2b與整星框架連接，1a和2a之間隔一層1b通過螺釘連接。1a與2a為2A12鋁合金加工而成，尺寸可根據衛(wèi)星框架尺寸修改，結構簡單，剛度高，質量輕。2a與2b為金屬橡膠隔振墊。

(a)

該緩沖裝置在星上的布局,如圖3所示。減沖擊原理如下：

圖3 隔沖裝置實物圖

(1) 延長沖擊載荷傳遞路徑。沖擊載荷從整星底板傳到1a框架后要經過曲折的路徑才能繼續(xù)傳到2a，進而傳遞到整星框架，這種交錯的設計方式極大的延長了沖擊路徑，增加了沖擊波在安裝界面處的反射、折射和吸收，從而增加了沖擊載荷的衰減。

(2) 附加緩沖措施。在1a與2a以及2a與整星框架之間增加金屬橡膠減振墊，通過減振墊的變形，把急劇輸入的能量存儲起來，在金屬橡膠變形過程中，金屬絲之間發(fā)生相對滑移，而在接觸面之間的干摩擦會消耗大部分沖擊能量。

3.2 緩沖方案仿真分析

針對上述緩沖方案進行仿真分析。分析方法如下：

(1) 首先建立整星和緩沖裝置的有限元模型，對模型進行合理簡化。

(2) 將火工品產生的沖擊條件作為輸入在模型中進行仿真計算。

(3) 通過調整金屬橡膠尺寸等參數，得到綜合性能最優(yōu)的隔沖墊方案。

(4) 計算完成后輸出整星沖擊云圖，并提取關鍵點處的響應值。

本方案最終經過仿真分析優(yōu)化所選金屬橡膠墊直徑為10 mm，厚5 mm，金屬絲直徑為0.2 mm。方案示意,如圖4所示。

整星與隔沖裝置有限元模型，如圖5所示。整星結構采用實體單元建模，帆板采用殼單元，單機采用質量點用MPC(multipoint constraint)連接至整星，緩沖裝置采用實體單元進行建模。

圖5 衛(wèi)星有限元模型

采用有限元軟件進行瞬態(tài)分析，仿真云圖，如圖6所示。在近場位置提取關鍵點加速度時域響應，對時域響應進行數據處理得到沖擊響應譜，沖擊譜分析范圍為10～5 000 Hz，品質因子為10。沖擊響應如圖7所示。圖7中將有無緩沖方案沖擊響應仿真結果進行了對比，從圖7數據能夠看出該緩沖方案能夠將沖擊響應從5 147g降低至721.1g，相比無隔沖裝置時隔沖效率達到86%，緩沖效果良好。

(a) 無隔沖方案云圖

4 緩沖方案實驗驗證

為驗證緩沖方案的有效性，本文在落錘實驗的基礎上采用與飛行件同一批次的火工品進行分離沖擊實驗，同一批次火工品一致性差異較小,火工品和分離機構實物圖如圖8所示。

圖8 分離機構及爆炸螺栓

4.1 實驗準備

實驗采用初樣衛(wèi)星與分離機構組合狀態(tài)進行，爆炸螺栓解鎖后，點式連接解鎖裝置在重力與彈簧彈力作用下下落至地面，為保證掉落后不發(fā)生損壞，在掉落區(qū)域鋪設厚度不小于20 mm，大小不小于1 m×1 m的海綿墊。分離實驗流程如圖10所示。分離實驗采用的傳感器為PCB三向沖擊加速度傳感器，傳感器靈敏度0.5 mV/g，量程為±10 000gpk，分辨率為0.03 grms。測點布置信息如下。由于分離沖擊沿縱向最大，在數據處理時僅對縱向數據進行分析,數據結果如表1所示。

表1 沖擊傳感器測點布置

4.2 實驗數據分析

通過對實驗過程沖擊響應測量數據的分析，發(fā)現相同測點的響應減沖后比減沖前降低了70%以上，1 000 Hz以上的高頻部分幅值大幅衰減，降沖擊效果非常明顯，隔沖效率達到70%以上，與仿真結果相符，1 000 Hz以內基本無衰減或者衰減很小。最為關注的綜合電箱減沖前及減沖后沿爆炸螺栓爆炸方向的沖擊響應譜如圖11所示，由圖11可知，減沖環(huán)節(jié)將沖擊波中的高頻濾掉，沖擊幅值大幅降低，2 000 Hz以上頻率隔沖效率在70%以上，采用該緩沖裝置緩沖后能夠將綜合電箱安裝點處的沖擊值降至單機任務書中沖擊小于2 000g的要求，并有足夠的安全裕度。

圖9 分離實驗現場

圖10 分離實驗流程圖

圖11 隔沖前后沖擊響應譜實測數據

5 振動實驗驗證

減沖環(huán)節(jié)不僅需要滿足各單機沖擊環(huán)境，同時需要滿足衛(wèi)星在發(fā)射段的力學環(huán)境，對加有減沖擊環(huán)節(jié)的整星進行力學驗證，并與未加減沖環(huán)節(jié)時的振動響應進行對比，各單機力學響應統(tǒng)計如下，從中能夠發(fā)現加有減沖環(huán)節(jié)的整星由于存在金屬橡膠柔性環(huán)節(jié)，整星基頻略有降低，由于加了緩沖環(huán)節(jié)后整星縱向基頻低于100 Hz，導致整星縱向出現共振峰，正弦響應稍有放大，但不是很明顯。由于緩沖裝置中增加了金屬橡膠環(huán)節(jié)，金屬橡膠由許多隨機排列的金屬螺旋卷彼此相互勾嵌而成，當其承受外部載荷時，靠金屬螺旋卷接觸點之間的互相摩擦來耗散能量，起到隔振和緩沖的作用，本方案考慮的整星基頻的影響，選擇的金屬橡膠剛度較高，在隨機緩沖方面作用較小，導致隨機響應僅略有減小。

圖12 振動實驗現場

表2 減沖前整星基頻

表3 減沖后整星基頻

表4 減沖前星上單機正弦隨機響應

表5 減沖后星上單機正弦隨機響應

6 結 論

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，衛(wèi)星上搭載的單機越來越多，衛(wèi)星結構布局更加緊湊，對于搭載衛(wèi)星而言，力學環(huán)境更為苛刻，沖擊響應尤為惡劣，通過整星布局優(yōu)化使沖擊響應敏感設備避開沖擊響應較高的區(qū)域十分困難，因此，為了保證星箭分離過程中星上精密儀器設備，如星敏、中心機的安全性及可靠性，必須開展整星級降沖擊設計。本文以某微納衛(wèi)星平臺星箭分離實驗過程中沖擊響應過大的問題為背景，基于沖擊響應來源、沖擊響應傳遞機理及防護原則進行了整星級降沖擊設計并進行了實驗驗證，星箭分離實驗結果表明：

(1) 通過多層轉接增加安裝界面使沖擊波反射、折射和吸收以及延長沖擊載荷傳遞路徑能夠在很大程度上過濾掉沖擊載荷的高頻成分，衰減沖擊載荷的幅值，從而降低火工沖擊的響應強度。

(2) 通過增加金屬橡膠柔性環(huán)節(jié)，能夠在沖擊傳遞過程中將火工沖擊產生的動能快速轉化為金屬橡膠的變形能，同時金屬橡膠變形過程中，金屬絲之間發(fā)生相對滑移，這種滑移所引起的金屬絲之間的干摩擦將大部分沖擊能量消耗，從而大幅降低沖擊響應。

(3) 該裝置為整星系統(tǒng)級減沖擊裝置，方案結構簡單、成本低、加工周期短、質量輕，適合研制周期較短的金屬框架微納衛(wèi)星整星級降沖擊。