彈載數(shù)據(jù)存儲模塊抗高過載防護(hù)技術(shù)研究

姬永強(qiáng)，李映輝，聶 飛

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;2.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

在導(dǎo)彈飛行試驗中，彈上環(huán)境參數(shù)是飛行試驗測試的主要內(nèi)容，通常包括飛行姿態(tài)、加速度、溫度、應(yīng)力應(yīng)變以及在火工品爆炸分離環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等。彈載測試系統(tǒng)具備這些數(shù)據(jù)的實(shí)時采集功能，由測量模塊、采集模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等組成，其中數(shù)據(jù)存儲模塊是整個系統(tǒng)的核心，測試數(shù)據(jù)主要以數(shù)字量的方式記錄在數(shù)據(jù)存儲模塊中，在試驗完成后回收數(shù)據(jù)存儲模塊并對數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀分析。所以將數(shù)據(jù)存儲模塊作為保護(hù)的重點(diǎn)對象，確保數(shù)據(jù)在發(fā)射、分離、拋射及碰地等高過載條件下能保持完好且能正?；刈x，這一模式在解決多通道測試數(shù)據(jù)回收中發(fā)揮著重要的作用。

國內(nèi)外學(xué)者對用于彈載電子產(chǎn)品防護(hù)的材料性能和緩沖機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。徐鵬等［1］利用泡沫鋁對彈載存模塊作了緩沖研究，陳魯疆等［2－3］利用橡膠泡沫材料對侵徹彈載測試模塊進(jìn)行了防護(hù)研究;吳曉莉等［4］從高聚物材料特性方面對高沖擊下電子線路灌封的緩沖機(jī)理進(jìn)行了研究。國外sandia實(shí)驗室［5－6］給出的報告中只可用于侵徹的測試裝置大致構(gòu)成，未見具體緩沖措施和相關(guān)理論推導(dǎo)。

本文將從能量吸收角度對基于復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)的彈載數(shù)據(jù)模塊保護(hù)技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 數(shù)據(jù)存儲模塊破壞機(jī)理

彈載測試系統(tǒng)主要由測試傳感器、采集模塊、存儲模塊和供電系統(tǒng)等組成。測試傳感器主要用于飛行環(huán)境參數(shù)測量采集，采集模塊用于測量信號的模電轉(zhuǎn)換，測量數(shù)據(jù)以數(shù)字方式保存在存儲模塊中，供電系統(tǒng)是用于保證系統(tǒng)正常工作的電源。彈載測試存儲系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 彈載測試系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 On-board test system working diagram

數(shù)據(jù)存儲模塊在發(fā)射、飛行以及終點(diǎn)侵徹中會經(jīng)歷高溫、高動能、強(qiáng)沖擊等極端惡劣環(huán)境，其中伴隨高動能撞擊過程產(chǎn)生的應(yīng)力波過載幅值最大可達(dá)數(shù)萬g。當(dāng)彈體在終點(diǎn)彈道與硬目標(biāo)碰撞時，高幅值應(yīng)力波會引起電路板破壞，電子元器件的嚴(yán)重變形甚至諧振。這些現(xiàn)象都會造成存儲模塊邏輯甚至物理功能的失效，致使數(shù)據(jù)不能正?；刈x。

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵就是為了吸收數(shù)據(jù)存儲模塊的動能并衰減碰撞應(yīng)力波，使存儲模塊自身的動能被緩沖材料吸收，同時降低應(yīng)力波峰值，增加脈沖持續(xù)時間［1，4］。

存儲模塊保護(hù)裝置如圖2所示。復(fù)合緩沖模塊主要用于碰撞動能的吸收，由兩種以上不同的材料分次灌封而成，其中的高分子材料用于對彈塑性應(yīng)力波的隔離衰減。圖2(a)為存儲模塊保護(hù)裝置原理示意圖，圖2(b)為灌封后的存儲模塊保護(hù)裝置。

圖2 存儲模塊保護(hù)裝置Fig.2 Sketch of storage protection device

3 緩沖機(jī)理

當(dāng)緩沖模塊受到軸向沖擊力達(dá)到一定幅值時，緩沖模塊會發(fā)生部分延性斷裂，繼而另一部分會發(fā)生塑性變形。設(shè)存儲模塊為剛體，在碰撞過程中不吸收能量，又設(shè)其質(zhì)量為m;當(dāng)彈體碰到靶體瞬間，假設(shè)彈體速度變?yōu)?，存儲模塊仍以相對速度ν0對緩沖模塊進(jìn)行沖擊，則緩沖模塊在延性斷裂階段吸收的能量為:

其中:Eh為斷裂階段的剪切變形能，Ec為緩沖模塊在斷裂過程的塑性變形能和熱能。ν1為斷裂階段后存儲模塊的剩余速度。

存儲模塊以速度ν1繼續(xù)對緩沖模塊進(jìn)行壓縮，緩沖模塊在與存儲模塊接觸的區(qū)域附近發(fā)生了永久的塑性變形，而遠(yuǎn)離接觸區(qū)的地方存在彈性變形:

式中:E1為塑性變形能，E2為彈性變形能。

由式(1)、式(2)可得:

由式(3)可見，減小存儲模塊的質(zhì)量，并選取能耗系數(shù)較大的緩沖材料，可以使存儲模塊在碰撞過程的動能被緩沖材料有效吸收。

另一方面，碰撞產(chǎn)生的彈塑性壓縮波越過自由界面時在材料內(nèi)部引起的拉應(yīng)力［7］為:

其中:σm為脈沖峰值應(yīng)力，λ為脈沖波長，δ為截面距自由邊界的距離。

由式(4)知引起材料動態(tài)破壞的應(yīng)力與應(yīng)力峰值和脈沖波長相關(guān)。通常情況下，電路板是由幾種材料層壓復(fù)合而成，當(dāng)應(yīng)力波陣面掃過電路板時，應(yīng)使得應(yīng)力波峰值小于電路板及電子元件材料的臨界破壞應(yīng)力，并應(yīng)避免元器件產(chǎn)生諧振。

分次灌封的復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)，具有非線性粘彈材料的典型耗能特征，加劇了應(yīng)力波傳播過程的幅值衰減和波形彌散［4］，降低應(yīng)力波脈沖峰值應(yīng)力，并使脈沖波長變長(脈沖持續(xù)時間增加)，從而防止存儲模塊發(fā)生破壞。

4 防護(hù)技術(shù)驗證及試驗考核

試驗通過高過載沖擊放大器來輸入相應(yīng)峰值的波形，用以模擬導(dǎo)彈侵徹硬目標(biāo)時的高過載、窄脈沖的試驗環(huán)境，測試復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖效果并驗證相應(yīng)峰值脈沖下防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)可靠性，試驗件采用鋁合金的外殼作為夾具，存儲模塊保護(hù)裝置質(zhì)量約190 g。

試驗使用了10萬g量程的沖擊加速度傳感器。試件通過夾具與試驗臺面剛性連接。在夾具底座和存儲模塊上各安裝一只傳感器，用以測量臺面的輸入波形和經(jīng)緩沖結(jié)構(gòu)緩沖后的響應(yīng)，如圖3。

試驗獲得曲線如圖4所示，為緩沖前臺面輸入波形和經(jīng)復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)緩沖后的輸出波形比較圖。由圖4曲線可以看出，經(jīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)緩沖后的波形明顯變得平滑、峰值大幅降低、脈沖持續(xù)時間拉長、峰值出現(xiàn)時間滯后，這是高分子粘彈材料耗能性質(zhì)的典型表現(xiàn)。圖4的特征數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，經(jīng)緩沖后的過載最大峰值僅為緩沖前臺面輸入過載最大峰值的23.8%，峰值出現(xiàn)時間明顯滯后，緩沖后峰值脈寬約為緩沖前峰值脈寬的300%。

對同一試件連續(xù)進(jìn)行三次沖擊試驗(表2)，結(jié)果表明，存儲模塊數(shù)據(jù)保存完好，讀取正常，說明該結(jié)構(gòu)緩沖效果較為理想。

5 結(jié)論

介紹了彈載飛行參數(shù)測試系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)據(jù)存儲模塊在高過載條件下的防護(hù)技術(shù)，對用于彈載數(shù)據(jù)存儲模塊防護(hù)的復(fù)合緩沖機(jī)理進(jìn)行了探討和研究，并通過高過載沖擊試驗對存儲模塊保護(hù)裝置進(jìn)行了驗證和考核。該復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)經(jīng)沖擊試驗驗證，可抗峰值45 000～65 000 g、峰值脈寬為35～40 us的多次沖擊，緩沖后波形峰值為緩沖前峰值的23.8%，緩沖效果明顯?？梢杂糜陲w行試驗中多通道測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊防護(hù)。

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