基于激光激勵(lì)的火工沖擊響應(yīng)及其特性研究

王錫雄， 秦朝燁，丁繼鋒，張志研，褚福磊

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；2. 北京空間飛行器設(shè)計(jì)總體部， 北京 100094；3.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)級間分離、星箭分離及附件展開等航天任務(wù)，航天器中布置了大量的火工分離裝置。這些裝置工作時(shí)將不可避免地產(chǎn)生一種被稱為火工沖擊的瞬態(tài)高頻沖擊[1-3]?；鸸_擊有可能對星箭搭載的精密儀器和硬件設(shè)備造成損壞，進(jìn)而導(dǎo)致航天任務(wù)失敗[4-5]。因此為保證航天任務(wù)的順利完成，火工沖擊地面試驗(yàn)方法在美軍標(biāo)[6]和NASA標(biāo)準(zhǔn)[7-8]等標(biāo)準(zhǔn)中均有體現(xiàn)，是航天器發(fā)射前的重要驗(yàn)收試驗(yàn)。

從沖擊機(jī)理上看，地面試驗(yàn)中采用真實(shí)火工品的爆炸式激勵(lì)方式效果最好，能從時(shí)域與頻域上較好地復(fù)現(xiàn)實(shí)際沖擊力學(xué)環(huán)境。但是該方法成本高，重復(fù)性低，且存在一定的隨機(jī)性和危險(xiǎn)性，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制[1-2]。目前地面沖擊試驗(yàn)使用最廣泛的是基于機(jī)械撞擊的擺錘式或空氣炮激勵(lì)[9]。撞擊法在重復(fù)試驗(yàn)、安全性上比較爆炸式有較大改善，但該方法沖擊時(shí)程較長，很難模擬爆炸沖擊的高頻瞬態(tài)特性。針對目前沖擊試驗(yàn)激勵(lì)方式的不足，韓國Kaist大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在2010年提出激光激勵(lì)模擬火工沖擊，并進(jìn)行了一系列的理論和試驗(yàn)分析[10-15]。該團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了單點(diǎn)激勵(lì)沖擊模擬試驗(yàn)，并確定了激光模擬的主要方法和調(diào)整手段。進(jìn)而，從激勵(lì)源類型[11]、數(shù)據(jù)分析方法[13-14]等方面實(shí)現(xiàn)了不同程度的突破進(jìn)展，逐漸形成了成體系的研究。我國針對激光激勵(lì)也進(jìn)行了一些研究，如馬斌山與宋亞勤等學(xué)者在MEMS應(yīng)用領(lǐng)域分別研究了激光激勵(lì)對硅懸臂梁和石英音叉的振動特性[15-16]。但針對航天分離沖擊問題，現(xiàn)有的研究主要集中在沖擊源的數(shù)值模擬[18-19]與沖擊環(huán)境評估方法方面[20]，利用新型激勵(lì)模式進(jìn)行地面沖擊試驗(yàn)?zāi)M的研究十分有限，需要開展關(guān)于大尺寸典型航天結(jié)構(gòu)激光激勵(lì)的相關(guān)研究?，F(xiàn)有的大部分針對激光激勵(lì)的研究大都基于模擬試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累，其研究的針對性很強(qiáng)，目的在于通過調(diào)整激光激勵(lì)的參數(shù)，使激光激勵(lì)更接近真實(shí)的火工沖擊激勵(lì)。而激光脈沖的本身性質(zhì)，如脈沖激勵(lì)頻率和單脈沖能量的影響，還沒有相關(guān)的研究。

本文通過激光沖擊試驗(yàn)，探究了激光激勵(lì)參數(shù)對平板沖擊響應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果對研究激光沖擊激勵(lì)機(jī)理分析與激光激勵(lì)模擬火工沖擊設(shè)備的設(shè)計(jì)，都有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)原理

激光激勵(lì)的原理是利用熱彈性波的產(chǎn)生引起的結(jié)構(gòu)熱彈性變形。激光超聲利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波(即超聲波)。這種激勵(lì)方式同時(shí)具備高頻、瞬態(tài)激勵(lì)的特點(diǎn)，與火工品爆炸激勵(lì)的特點(diǎn)一致。本文參考經(jīng)典的沖擊試驗(yàn)方法，制定了激光激勵(lì)試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置的照片如圖1所示，其中，圖1(a)為試驗(yàn)采用的激光發(fā)生器，這是一種Nd:YAG泵浦二極管固體激光器，激光波長為1024 nm，激光束的能量和激勵(lì)頻率可以通過控制器進(jìn)行控制。由于產(chǎn)生激光時(shí)產(chǎn)生較大的熱量，激光圖1(b)為激光器配套的水冷裝置。由于激光激勵(lì)載荷較小，試驗(yàn)對象選擇為圖1(c)所示的尺寸為800 mm×800 mm×2 mm鋁合金薄板的，為方便吊裝自由邊界，板的四個(gè)角中都打了直徑20 mm的圓孔。P1、P2、P3、P4為試驗(yàn)設(shè)置的四個(gè)加速度計(jì)，用以測試鋁板的沖擊加速度響應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置原理如圖2所示，激勵(lì)端采用泵浦二極管激光發(fā)生器發(fā)射激光激勵(lì)平板，平板采用橡皮繩吊裝實(shí)現(xiàn)自由邊界。

E= 145.2exp(-((V-657.2)/64.85)2)+

25.45exp(-((V-548)/15.4)2)

(1)

激光器的電壓/能量對應(yīng)關(guān)系如式(1)和圖3所示高斯擬合關(guān)系。根據(jù)此關(guān)系，可以取得典型的脈沖能量5 mJ、25 mJ、50 mJ、75 mJ、100 mJ、125 mJ及其對應(yīng)輸入電壓值作為輸入變量。在輸出端，采用4個(gè)加速度傳感器測量板上不同位置的沖擊響應(yīng)，并進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析與處理。試驗(yàn)的真實(shí)裝置與傳感器測點(diǎn)布置如圖1(c)所示，從上往下分別為P1，P2，P3，P4四個(gè)測點(diǎn)。以板中心為零點(diǎn)，四個(gè)測點(diǎn)的位置坐標(biāo)為表1所示，激光激勵(lì)的位置位于P2背面，鋁合金板的另一側(cè)中心位置，坐標(biāo)為(0,0)。

表1 測點(diǎn)坐標(biāo)與距離Table 1 The coordinate value and distance of gauging points

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

由于激光脈沖激勵(lì)屬于典型的沖擊載荷，具有很強(qiáng)的瞬態(tài)、高頻特征，經(jīng)典的穩(wěn)態(tài)分析方法如快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform Algorithm, FFT)或功率譜密度(Power Spectral Sensity，PSD)等頻譜分析方法不再適用。因此本節(jié)將分別采用適合分析時(shí)變信號的短時(shí)傅里葉(Short Time Fourier Transform, STFT)和適合分析沖擊信號的沖擊響應(yīng)譜(Shock Response Apectrum, SRS)兩種分析手段進(jìn)行分析。

2.1 時(shí)頻分析

采用圖1所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行激光激勵(lì)沖擊模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)中，激光脈沖的激勵(lì)頻率控制為[1, 3, 5, 7, 10]Hz。激光光斑直徑為10 mm，面積約為78.54 mm2，脈沖能量為[5 25 50 75 100 125]mJ，單位面積能量為[0.0637, 0.3183, 0.6366, 0.9549, 1.2732, 1.5915]mJ/mm2。傳感器采用Dytran公司的加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為9.7656×106Hz。以測點(diǎn)P2為例，激光激勵(lì)時(shí)域響應(yīng)為典型的沖擊響應(yīng)曲線如圖4所示。其過程包含了短時(shí)瞬態(tài)強(qiáng)迫振動響應(yīng)和長時(shí)自由振動衰減響應(yīng)。從長時(shí)程時(shí)域信號看，沖擊響應(yīng)中存在周期變化的趨勢，這一現(xiàn)象與鋁板本身的模態(tài)響應(yīng)有關(guān)。

從圖5中所示頻譜中可看出，激光沖擊在整個(gè)寬頻帶中都有較豐富的信息。頻帶較寬說明激光沖擊的沖擊時(shí)程很短，與真實(shí)火工沖擊的激勵(lì)機(jī)理較為類似。進(jìn)一步從時(shí)頻圖上可以看出，由于整體響應(yīng)量級較小，整個(gè)時(shí)間域都存在低頻噪聲信號。而在沖擊開始的瞬間(t=0.15 s)，全頻段的沖擊信號開始出現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)的動態(tài)衰減響應(yīng)主要在10000 Hz以下。

2.2 響應(yīng)譜分析

沖擊響應(yīng)譜由Biot最早提出，是一種評價(jià)火工沖擊嚴(yán)酷程度的重要指標(biāo)[21]。也是航天沖擊力學(xué)中使用的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，其定義如下：

(2)

不同測點(diǎn)沖擊響應(yīng)對比如圖6所示，沖擊響應(yīng)大小與測點(diǎn)距離有關(guān)，距離沖擊點(diǎn)越近，沖擊響應(yīng)越大。藍(lán)色(見網(wǎng)站電子版)曲線為距離沖擊點(diǎn)最近的測點(diǎn)P2，直接布置在激勵(lì)點(diǎn)的背面，該點(diǎn)的沖擊響應(yīng)明顯高于其他測點(diǎn)。這是由于沖擊激勵(lì)發(fā)生后，沖擊響應(yīng)由于薄板的內(nèi)阻尼產(chǎn)生了能量損耗，沖擊隨距離增加而衰減導(dǎo)致。

為更好地研究系統(tǒng)的沖擊參數(shù)特性，下一節(jié)中將結(jié)合時(shí)頻分析、響應(yīng)譜分析等分析手段，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)分析，并進(jìn)行結(jié)果對比。

3 結(jié)果對比與分析

試驗(yàn)中可控的主要參數(shù)為單個(gè)脈沖頻率和單個(gè)脈沖能量，本節(jié)將主要對這兩種參數(shù)影響分別開展研究。最后通過激光激勵(lì)與火工沖擊試驗(yàn)響應(yīng)數(shù)據(jù)的對比，討論激光激勵(lì)模擬沖擊試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足。

3.1 脈沖頻率的影響

保持激光脈沖能量不變，改變激光脈沖激勵(lì)頻率，觀察到?jīng)_擊響應(yīng)的變化情況如圖7所示。激光沖擊響應(yīng)隨分析頻率增加而上升，到了10000 Hz還未到達(dá)其拐點(diǎn)。說明在整個(gè)系統(tǒng)中，沖擊響應(yīng)表現(xiàn)為很強(qiáng)的寬頻特性。在[100～10000]Hz的全頻段內(nèi)，都有較大的響應(yīng)能量。這一現(xiàn)象與2.1節(jié)時(shí)頻分析的結(jié)果是一致的；從沖擊響應(yīng)譜中無法看出沖擊響應(yīng)與激勵(lì)頻率之間的相關(guān)關(guān)系。

為了更好地描述參數(shù)響應(yīng)，引入歸一化變量：平均相對沖擊響應(yīng)系數(shù)Er和最大相對沖擊響應(yīng)系數(shù)Mr[22]。

(3)

式中,Er為全頻率范圍內(nèi)的平均相對沖擊響應(yīng)譜系數(shù),Mr為全頻率范圍內(nèi)的最大相對沖擊響應(yīng)譜系數(shù),Sb(f) 為基礎(chǔ)沖擊響應(yīng)譜。在本算例中，以1 Hz的沖擊響應(yīng)譜為基礎(chǔ)沖擊響應(yīng)譜，得到的結(jié)果如圖8所示。

兩種相對響應(yīng)譜系數(shù)都在1左右波動，進(jìn)一步證明了脈沖頻率對系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)影響不大。

3.2 脈沖能量的影響

如圖9所示，保持激光脈沖激勵(lì)頻率為5 Hz不變，改變激光脈沖能量，可以觀察到?jīng)_擊響應(yīng)隨脈沖能量的增大而增大，這一規(guī)律在1000 Hz以上的高頻段尤為突出。

計(jì)算其相對Er、Mr，結(jié)果如圖10所示，通過平均相對沖擊系數(shù)與最大相對沖擊系數(shù)都可以明顯地看出沖擊響應(yīng)隨脈沖能量上升而上升，兩種判據(jù)具有較好的一致性。在脈沖能量水平較低時(shí)，沖擊響應(yīng)增長很快；隨著脈沖能量的增加，沖擊響應(yīng)增速明顯減慢。脈沖能量與沖擊響應(yīng)可以用式(4)所示拋物線模型進(jìn)行擬合描述。

Er≈Mr=-4.037×10-5x2+0.01103x+0.2505

(4)

式中x為單個(gè)脈沖能量，擬合結(jié)果如圖10中粗實(shí)線所示。

3.3 與真實(shí)星箭分離沖擊數(shù)據(jù)對比

本小節(jié)以某星箭分離沖擊試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)為例[23]，與激光激勵(lì)試驗(yàn)測得沖擊響應(yīng)進(jìn)行對比，分析其主要優(yōu)勢特征。由時(shí)域信號圖11和沖擊譜域信號圖12可以看出，實(shí)測激光激勵(lì)信號相對真實(shí)沖擊信號很小，其峰峰值之比Ga高達(dá)717，激光沖擊激勵(lì)測得響應(yīng)量級不到真實(shí)火工沖擊量級的七百分之一。同樣的在圖12所示的沖擊譜中可以看出，二者差別很大。

將激光激勵(lì)乘以增益Ga之后在與火工沖擊進(jìn)行比較，可以由圖13和圖14看出其時(shí)域和沖擊譜域都有較好的一致性。由于激光激勵(lì)響應(yīng)幅值較小，因此乘以增益后，噪聲信號也同時(shí)得到放大，因此修正后的激光激勵(lì)在整個(gè)時(shí)域存在噪聲信號。在高頻段，激光激勵(lì)頻率很高，10000 Hz以內(nèi)幾乎看不到頻率拐點(diǎn)。這種高頻激勵(lì)的優(yōu)勢正是目前機(jī)械撞擊式模擬方法所欠缺的。激光激勵(lì)在頻率帶寬上具有高頻特性，能夠較好地復(fù)現(xiàn)真實(shí)沖擊譜的頻率特征，對研究火工沖擊頻率機(jī)理和復(fù)現(xiàn)沖擊頻率環(huán)境具有較大意義。但是由于其量級較小，目前的應(yīng)用存在一定限制。

4 結(jié) 論

本文首先闡述了激光激勵(lì)沖擊源模擬方法的原理，搭建了激光激勵(lì)試驗(yàn)臺，開展了激光激勵(lì)試驗(yàn)研究。隨后，針對試驗(yàn)實(shí)測的信號進(jìn)行了時(shí)頻分析和響應(yīng)譜分析，并討論了激光激勵(lì)參數(shù)對沖擊響應(yīng)的影響。最后，采用該方法對實(shí)測星箭分離沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

(1)激光激勵(lì)所得到的沖擊響應(yīng)中，含有豐富的高頻成分。沖擊響應(yīng)幅值受激光束發(fā)射頻率影響較小，而隨激光脈沖能量增大而增加。

(2)激光沖擊響應(yīng)的響應(yīng)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)火工沖擊響應(yīng)。本文試驗(yàn)中的參數(shù)下，激光沖擊響應(yīng)的量級僅為火工沖擊的1/717。如何增大沖擊響應(yīng)量級，是激光激勵(lì)方法推廣與應(yīng)用亟待解決的重點(diǎn)。

(3)由于沖擊響應(yīng)量級的限制，本文的研究分析主要基于近場測點(diǎn)；而中遠(yuǎn)場沖擊響應(yīng)與真實(shí)航天器結(jié)構(gòu)模態(tài)有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

[1] Lee J R, Chia C C, Kong C W. Review of pyroshock wave measurement and simulation for space systems[J]. Measurement, 2012, 45(4): 631-642.

[2] 丁繼鋒, 趙欣, 韓增堯. 航天器火工沖擊技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 1339-1349. [Ding Ji-feng, Zhao Xin, Han Zeng-yao. Research development of spacecraft pyroshock technique[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(12): 1339-1349]

[3] 馬興瑞, 韓增堯, 鄒元杰, 等. 航天器力學(xué)環(huán)境分析與條件設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 1-12. [Ma Xing-rui, Han Zeng-yao, Zou Yuan-jie, et al. Review and assessment of spacecraft mechanical environment analysis and specification determination[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(1): 1-12]

[4] Moening C J. Pyrotechnic shock flight failures[C]. Institute of environmental sciences pyrotechnic shock tutorial program, 31st Annual Technical Meeting, Las Vegas, USA, April 30-May 2, 1985.

[5] Bement L J, Schimmel M L. A manual for pyrotechnic design, development and qualification[J]. 1995.

[6] MIL-STD-810G Committee. Environmental Test Methods and Engineering Guides[S], 2009. United States Department of Defense, Washington, D.C., USA, 2008.

[7] Ryschkewitsch M G. Pyroshock test criteria[S]. NASA Technical Standard NASA-STD-7003, NASA, Washington, DC, USA, 2011.

[8] Mulville D R. Pyroshock Test Criteria, NASA Technical Standard[S]. Report NASA-STD-7003A, 2010.

[9] 丁繼鋒. 星箭分離緩沖設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2016, 43(2): 17-24. [Ding Ji-feng. Shock isolation of satellite-rocket separation and its test verification[J]. Journal of Astronautics, 2016, 43(2): 17-24]

[10] Jang J K, Lee J R. Nondestructive prediction of point source pyroshock response spectra based on experimental conditioning of laser-induced shocks[J]. Optics & Laser Technology, 2014, 61: 24-33.

[11] Jang J K, Lee J R. Non-destructive visualization of linear explosive-induced Pyroshock using phase arrayed laser-induced shock in a space launcher composite[C]. 11th International Conference on Damage Assessment of Structures. Ghent, Belgium, August 24-26, 2015.

[12] William T T, Marie D D. Theory of vibration with applications[M]. Boca raton, Florida: CRC Press, 1996.

[13] Chong S Y, Lee J R, Kong C W. Shock response spectra reconstruction of pointwise explosive-induced pyroshock based on signal processing of laser shocks[J]. Shock and Vibration, 2014, 2014.

[14] Lee J R, Jang J K, Choi M, Kong C W. Visualization and simulation of a linear explosive-induced pyroshock wave using Q-switched laser and phased array transducers in a space launcher composite structure[J]. Optics & Laser Technology, 2015, 67: 12-19.

[15] Abbas S H, Jang J K, Lee J R, et al. Development of an FPGA-based multipoint laser pyroshock measurement system for explosive bolts[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(7): 073302.

[16] 馬斌山, 賈書海, 張周強(qiáng), 等. 激光激勵(lì)下石英音叉的振動分析與測量[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(10): 49-53. [Ma Bing-shan, Jia Shu-hai, Zhang Zhou-qiang et al. Vibration analysis and measurement for quartz tuning fork under laser irradiation[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 43(2): 17-24]

[17] 宋亞勤. 激光激勵(lì)微型硅懸臂梁的振動特性研究[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2010 42(4): 758-764. [Song Ya-qin. Study on the vibration silicon cantilevers under laser excitation[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2010, 42(4): 758-764]

[18] 趙欣, 韓增堯, 鄒元杰, 等. 一種航天器火工沖擊源建模和分析方法[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2015, 36(10): 1210-1218. [Zhao Xin, Han Zeng-yao, Zou Yuan-jie et all. A Feasible method for modeling and analyzing the pyroshock source of spacecraft [J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(10). 1210-1218]

[19] 趙欣, 鄭世貴, 韓增堯, 等. 點(diǎn)式分離火工沖擊源仿真分析及載荷形成機(jī)理[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2016, 37(6): 657-663. [Zhao Xin, Zheng Shi-gui, Han Zeng-yao, et all. Numerical simulation and analysis for point separating pyroshock source and load forming mechanism[J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(6). 657-663]

[20] 楊新峰, 鄒軼群, 鄧衛(wèi)華, 等. 航天器組件高量級沖擊環(huán)境的一種評估方法[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2017, 38(8): 872-878. [Yang Xin-feng, Zou Zhi-qun, Deng Wei-hua, et all. An Approach to evaluate high level shock for aerospace units[J]. Journal of Astronautics, 2017, 38(8). 872-878]

[21] Thomson W. Theory of vibration with applications[M]. CRC Press, 1996.

[22] Wang X X, Qin Z Y, Ding J F, et al. Finite element modeling and pyroshock response analysis of separation nuts[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 68:380-390.

[23] 王錫雄, 秦朝燁, 丁繼鋒, 等. 基于離散小波分解的火工沖擊數(shù)據(jù)有效性分析與校正方法[J]. 振動與沖擊, 2016, 35(14): 1-6. [Wang Xi-xiong, Qin Zhao-ye, Ding Ji-feng, et all. Validation and correction of pyroshock data based on discrete wavelet decomposition[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(14). 1-6]