不同星箭分離方式下整星沖擊環(huán)境特征分析

楊艷靜，向樹紅，馮國松，韓曉健

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不同星箭分離方式下整星沖擊環(huán)境特征分析

楊艷靜，向樹紅，馮國松，韓曉健

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

目的研究不同星箭分離方式下衛(wèi)星的沖擊環(huán)境特征。方法分析采用點(diǎn)源、線源和組合源火工裝置完成星箭分離的衛(wèi)星整星級沖擊試驗中不同位置測點(diǎn)加速度的實測值，研究其時域譜、頻域譜和沖擊響應(yīng)譜特征，對不同星箭分離方式下整星沖擊環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。結(jié)果三種分離方式下單位長度沖擊響應(yīng)的衰減率均在60%~70%之間。從頻譜特點(diǎn)上來說，點(diǎn)源引起的沖擊響應(yīng)頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。結(jié)論不同星箭分離方式下整星的沖擊環(huán)境有一定的區(qū)別，在進(jìn)行衛(wèi)星抗沖擊設(shè)計時，應(yīng)考慮分離方式的不同。

火工沖擊；星箭分離；衛(wèi)星；響應(yīng)特性

近年來，隨著新型航天器的大型化和輕量化，發(fā)射過程將經(jīng)歷越來越嚴(yán)酷的高量級火工沖擊環(huán)境，給航天器的研制帶來了新的問題和挑戰(zhàn)[1—2]。航天器火工裝置動作時會產(chǎn)生大量級、高頻響、短時間的復(fù)雜震蕩性火工沖擊載荷，對航天器電子儀器、脆性材料、輕薄結(jié)構(gòu)的破壞作用十分突出。NASA曾統(tǒng)計1963—1985年間的所有飛行故障，經(jīng)過分析，63次直接與火工沖擊相關(guān)[3]。1983—1998年美國全部22次發(fā)射失敗中，5次與分離分系統(tǒng)產(chǎn)生的火工沖擊相關(guān)，占22.7%[4]。對于沖擊引起的損傷，國內(nèi)外普遍采用等效損傷原則模擬復(fù)雜振蕩型沖擊環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，也有不少學(xué)者開展了更加深入的研究，探討損傷機(jī)理[5—9]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊損傷除了和邊界條件及材料特性緊密相關(guān)外，損傷和沖擊載荷特性之間也有關(guān)聯(lián)，因此有必要開展火工沖擊載荷特性的研究。

航天器火工裝置動作時產(chǎn)生沖擊載荷的來源主要有三個部分[10]，火工品爆炸、結(jié)構(gòu)預(yù)緊力釋放和結(jié)構(gòu)撞擊。根據(jù)分離原理不同，航天火工沖擊裝置通?？梢苑譃閮深悾狐c(diǎn)源和線源[11]。典型的點(diǎn)源包括爆炸螺栓、分離螺母、拔銷器、切割器、電爆閥等。典型的線源包括柔性爆炸索、線性切割器等。點(diǎn)源和線源也可以結(jié)合起來，演變成組合源，例如V型包帶?？紤]到?jīng)_擊載荷特性與火工品的種類是密切相關(guān)的，文中針對航天器整星火工沖擊中常用的幾種分離裝置產(chǎn)生的沖擊環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析，為衛(wèi)星抗沖擊設(shè)計、試驗條件的制定和剪裁工作提供參考。

1 點(diǎn)源沖擊環(huán)境特點(diǎn)分析

點(diǎn)式連接方式可以作為一箭多星發(fā)射中、高軌道直接入軌衛(wèi)星優(yōu)先采用的連接方式[12]。本節(jié)以某遙感衛(wèi)星為例，對爆炸螺栓引起的點(diǎn)源沖擊環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析。該衛(wèi)星采用四點(diǎn)連接方式與運(yùn)載連接，這里關(guān)注的12個測點(diǎn)分別位于推進(jìn)艙立柱根部、中部和頂部，距離推進(jìn)艙底面的高度分別為40，140，1130 mm，以向響應(yīng)為例，分析整星沖擊環(huán)境的特點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖1所示，測點(diǎn)描述見表1。

表1 某點(diǎn)式連接衛(wèi)星沖擊測點(diǎn)布置

1.1 對接面附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)分析

對接面附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)時域曲線如圖2所示，可以看出，曲線中有不止一個峰。表2中列出了不同測點(diǎn)的時域峰值和峰值對應(yīng)的時間，可以看出，相鄰峰值的時間間隔在0.015 s左右，在此時間內(nèi)沖擊波的傳播距離要遠(yuǎn)大于測點(diǎn)和沖擊源的距離。因此可以判定，多個沖擊峰值的出現(xiàn)是由于不同爆炸螺栓起爆和應(yīng)力釋放的時間差異引起的。

表2 對接面附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)特征分析

圖3給出了對接面附近不同測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜計算結(jié)果(按=10，起始頻率為10 Hz，間隔1/12 Oct計算)?？梢钥闯?，四個測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜斜率接近，拐點(diǎn)頻率區(qū)別較大，拐點(diǎn)頻率最大的測點(diǎn)是脈寬最小、時域峰值最大的C01點(diǎn)。這印證了沖擊響應(yīng)譜的低頻斜率主要由支撐條件確定，以及拐點(diǎn)頻率與脈寬呈反比的規(guī)律[13]。

1.2 點(diǎn)源沖擊響應(yīng)隨距離衰減特性分析

對不同測點(diǎn)方向沖擊響應(yīng)沿航天器縱向方向上的沖擊響應(yīng)變化特性進(jìn)行分析，以對點(diǎn)源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況進(jìn)行了解。

圖4給出了沿推進(jìn)艙各個立柱測點(diǎn)的向響應(yīng)沖擊響應(yīng)譜計算結(jié)果，可以看出，對同一立柱的測點(diǎn)來說，測點(diǎn)的響應(yīng)有隨著距沖擊源距離的增加而減小的趨勢，并且距離較遠(yuǎn)的測點(diǎn)響應(yīng)譜曲線斜率也較小。圖5給出了加速度沖擊響應(yīng)譜峰值隨距離變化的情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有明顯的衰減。

圖6給出了沿推進(jìn)艙各個立柱測點(diǎn)的向響應(yīng)去掉零頻分量之后的功率譜密度計算結(jié)果，可以看出，距離沖擊源較近的測點(diǎn)沖擊響應(yīng)頻譜較寬，但是隨著距沖擊源距離的增加，高頻響應(yīng)衰減明顯，低頻響應(yīng)出現(xiàn)先增加后衰減的趨勢。

2 線源沖擊環(huán)境特點(diǎn)分析

線型解鎖裝置通過導(dǎo)爆索點(diǎn)火后膨脹形成的側(cè)向剪切力實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分離。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，線型解鎖裝置的種類有聚能炸藥索、氣囊式炸藥索和膨脹管等[14]。這里以某線型解鎖航天器為例，對線源沖擊環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行分析。分析的12個測點(diǎn)分別分布在航天器的4個象限線上，測點(diǎn)位置分別位于對接面象限線，對接面象限線400，800 mm，同樣以向響應(yīng)為例分析沖擊響應(yīng)沿距離的衰減，了解線型解鎖裝置星箭分離時整星沖擊環(huán)境的特點(diǎn)，測點(diǎn)布置見表3。

表3 某線型解鎖衛(wèi)星沖擊測點(diǎn)布置

2.1 對接面附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)分析

圖7給出了對接面測點(diǎn)沖擊響應(yīng)時域曲線，可以看出，曲線呈現(xiàn)單峰，符合典型的火工沖擊時域曲線特征。

圖8給出了對接面測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜計算結(jié)果?？梢钥闯?，對于線源分離裝置來說，沖擊響應(yīng)最大的位置發(fā)生在點(diǎn)火器附近測點(diǎn)(A01測點(diǎn))。結(jié)合表4中數(shù)據(jù)可以看出，沖擊響應(yīng)的時域和響應(yīng)譜峰值有沿周向遞減的趨勢。

表4 對接面測點(diǎn)沖擊響應(yīng)特征分析

2.2 線源沖擊響應(yīng)隨距離衰減特性分析

通過對不同測點(diǎn)向響應(yīng)沿航天器縱向方向上的沖擊響應(yīng)變化特性進(jìn)行分析，對線源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況進(jìn)行了解。

圖9給出了航天器各象限線距離對接面不同距離測點(diǎn)的向響應(yīng)沖擊響應(yīng)譜的計算結(jié)果，可以看出，對沿同一象限線的測點(diǎn)來說，測點(diǎn)的響應(yīng)有隨著距沖擊源距離的增加而減小的趨勢，并且測點(diǎn)響應(yīng)譜曲線斜率也有隨著距離增加而減小的趨勢。圖10給出了加速度沖擊響應(yīng)譜峰值隨距離變化情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有明顯的衰減。

圖11給出了各象限線測點(diǎn)的向響應(yīng)的功率譜密度計算結(jié)果，可以看出，距離沖擊源較近的分離面上的測點(diǎn)沖擊響應(yīng)能量主要集中在10 000 Hz以下。隨著距沖擊源距離的增加，沖擊響應(yīng)在全頻段的能量都有較為明顯的衰減。

3 組合源沖擊環(huán)境特點(diǎn)分析

包帶式連接結(jié)構(gòu)通過點(diǎn)源如爆炸螺栓連接，在星箭分離時包帶的應(yīng)變能釋放引起的沖擊環(huán)境類似于線源，因此可以將包帶連接結(jié)構(gòu)看做點(diǎn)源和線源的組合[15]。這里以某衛(wèi)星為例，對包帶式連接衛(wèi)星的整星分離沖擊環(huán)境進(jìn)行分析。該衛(wèi)星采用的包帶式星箭解鎖裝置一共使用3個爆炸螺栓。這里分析的9個測點(diǎn)分別位于三個解鎖點(diǎn)附近、解鎖點(diǎn)上方和解鎖點(diǎn)上方靠近承力筒上端面，以向響應(yīng)為例分析，了解包帶式解鎖方式中整星沖擊環(huán)境的特點(diǎn)，測點(diǎn)布置見表5。

表5 某包帶解鎖衛(wèi)星沖擊測點(diǎn)布置

3.1 對接面附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)分析

圖12給出了對接面測點(diǎn)沖擊響應(yīng)時域曲線，可以看出，具有多個解鎖點(diǎn)的包帶式分離在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)也具有多峰值特性。

圖13給出了包帶式分離的解鎖點(diǎn)附近測點(diǎn)加速度沖擊響應(yīng)譜曲線，可以看出，盡管三個爆炸螺栓型號完全相同，其解鎖引起的沖擊響應(yīng)大小有明顯的區(qū)別。結(jié)合表6中的時域數(shù)據(jù)分析可以看出，分離峰值出現(xiàn)較早的測點(diǎn)其響應(yīng)量級較小一些?？紤]到每個螺栓的裝藥量基本一樣，推測出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于爆炸螺栓起爆的時間差異導(dǎo)致包帶預(yù)緊力釋放在三個爆炸點(diǎn)處引起的加速度響應(yīng)有了區(qū)別。由此可見，除了爆炸螺栓本身引起的沖擊外，預(yù)緊力的釋放對沖擊響應(yīng)也有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

3.2 組合源沖擊響應(yīng)隨距離衰減特性分析

對不同測點(diǎn)向響應(yīng)沿衛(wèi)星縱向上的沖擊響應(yīng)變化進(jìn)行分析，以了解組合源分離情況下沖擊沿距離的衰減情況。圖14給出了各個解鎖點(diǎn)及其上方測點(diǎn)向響應(yīng)沖擊響應(yīng)譜計算結(jié)果，可以看出，隨距沖擊源距離的增加，測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜在高頻有較為明顯的衰減，低頻部分有時反而會增加(例如T03和T06)。圖15中給出了加速度沖擊響應(yīng)譜峰值隨距離變化情況，可以看出，加速度的峰值隨著距離沖擊源距離的增加有衰減的趨勢。

表6 解鎖點(diǎn)附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)特征分析

圖16給出了各解鎖點(diǎn)及其上方測點(diǎn)的向響應(yīng)的功率譜密度計算結(jié)果，可以看出，解鎖點(diǎn)附近測點(diǎn)沖擊響應(yīng)能量同樣主要集中在10 000 Hz以下。隨著距沖擊源距離的增加，沖擊響應(yīng)在高頻段的能量都有較為明顯的衰減，但低頻段的能量反而增加，這與沖擊響應(yīng)譜曲線的變化相呼應(yīng)。

4 討論

41 結(jié)構(gòu)沖擊衰減率

為了了解不同分離方式下結(jié)構(gòu)的衰減率，這里定義一個衰減率指標(biāo)：

式中：ΔSRS max i為距離沖擊源不同高度測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜峰值差；ΔSRS源為分離面測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜；為幾組數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望；為測點(diǎn)之間的距離。

分別對三種分離方式中航天器結(jié)構(gòu)上分離面測點(diǎn)和艙段頂部測點(diǎn)的衰減率進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，點(diǎn)源、線源、組合源的衰減率分別為66.3%，60.4%，63.4%?？梢钥闯?，三種分離方式下單位長度沖擊響應(yīng)的衰減率均在60%~70%之間，其中點(diǎn)源的衰減最多，線源最少，組合源居中。

4.2 沖擊響應(yīng)功率譜

文中討論的三種航天器其響應(yīng)量級受多種因素影響，沒有可比性。由于這里只關(guān)注按功率譜在不同頻率內(nèi)的能量相對分布，所以在每一種分離沖擊數(shù)據(jù)中，挑選分離面測點(diǎn)中響應(yīng)最大的一個，計算其功率譜密度并用其最大值進(jìn)行歸一化，然后進(jìn)行比對，如17圖所示?？梢钥闯觯β首V峰值對應(yīng)的頻率點(diǎn)源最高，組合源最低，線源在兩者之間。從頻譜寬度上來說，點(diǎn)源引起的沖擊響應(yīng)頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。

5 結(jié)論

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，不同分離方式下航天器結(jié)構(gòu)上的沖擊響應(yīng)既有共性又有區(qū)別。

共同的特點(diǎn)是最大的沖擊響應(yīng)一般發(fā)生在沖擊源附近，航天器結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)隨著據(jù)沖擊源距離的增加發(fā)生衰減，且高頻衰減比低頻更加明顯，但衰減的速度在變緩。

不同之處在于以下幾方面。

1）點(diǎn)源和組合源引起沖擊時域響應(yīng)呈現(xiàn)多峰值特性，而線源引起的沖擊時域響應(yīng)呈現(xiàn)單峰值特性。

2）沖擊響應(yīng)頻率譜密度分析表明，從頻譜寬度上來說，點(diǎn)源引起的沖擊響應(yīng)頻率成分最為豐富，線源和組合源的功率譜分布相對集中。

就單位長度沖擊響應(yīng)的衰減率來說，點(diǎn)源的衰減最多，線源最少，組合源居中。

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Pyrotechnic Shock Environment in Pyro-shock Separation of Different Rocket-Satellite Separation Manners

YANG Yan-jing, XIANG Shu-hong, FENG Guo-song, HAN Xiao-jian

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Objective To study the pyrotechnic shock environment of different pyro-shock separation manners. Methods Pyro-shock accelerations measured at different locations on satellites with different separation pyrotechnic devices, including point source devices, line source devices and combined source devices, were analyzed. Time domain, frequency domain and shock response spectrum of the measured accelerations were studied and the features of different satellites pyro-shock environment were summarized. Results The satellite SRS peak value attenuation ratio in three different separation manners was between 60%~70%. The power spectrum of the shock response induced by point source devices was richer than that of the other two devices. The Power spectrum distribution of line source devices and combined source devices was relatively concentrated. Conclusion The satellite pyro-shock environment of different separation manual is different to a certain extent. The separation manners should be taken into consideration in anti-shock design of the satellite.

pyro-shock, rocket-satellite separation, satellite, response feature.

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.014

TJ01

A

1672-9242(2017)08-0070-09

2017-03-02；

2017-04-02

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)“十二五”重點(diǎn)項目“航天器環(huán)境試驗基線和剪裁技術(shù)(JSJC2013203B002)”。

楊艷靜（1981—），女，河南南陽人，高級工程師，主要研究方向為航天器動力學(xué)環(huán)境工程。