傳感器安裝對爆炸沖擊測試結(jié)果影響的試驗研究

孫 璟，侯金瑛，丁 沛，李 巖，赫志亮，張志峰

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

爆炸分離裝置是一種兼有連接、解鎖和分離功能的裝置，是實現(xiàn)航天運輸系統(tǒng)級間、頭體、頭罩、尾罩、口蓋等正常分離的關(guān)鍵元件，是運載火箭的重要組成部分[1]。它的主要任務(wù)是在有效載體發(fā)射到預(yù)定目標(biāo)位置后，使運載火箭、載人飛船和航天飛機等航天飛行器完成預(yù)定工作后的艙段與主體解鎖、分離，其分離解鎖的成功直接關(guān)系到空間飛行器任務(wù)的完成，以及人員與設(shè)備的安全[2]。

爆炸分離產(chǎn)生的高量級沖擊環(huán)境是航天運載器在總裝、運輸、發(fā)射和飛行等全壽命周期中需要經(jīng)受的嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境之一?；鸸て繁_擊環(huán)境的頻率范圍為100 kHz以上，沖擊量級可達100 000g[3]。嚴(yán)酷的沖擊環(huán)境極易使航天器上各種產(chǎn)品中的沖擊敏感元件發(fā)生損傷失效，甚至造成災(zāi)難性的飛行事故。NASA曾對1963—1985年間的所有飛行故障進行了統(tǒng)計，其中與沖擊環(huán)境相關(guān)的故障超過63次，并且多數(shù)為災(zāi)難性故障。

近些年，隨著我國航天發(fā)射任務(wù)密度的快速增長，沖擊環(huán)境導(dǎo)致的航天產(chǎn)品故障多發(fā)。然而航天產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)和測試方法都不夠成熟，尤其爆炸沖擊引起的加速度具有幅值高、頻率帶寬等特性，導(dǎo)致沖擊響應(yīng)測量難度進一步增加[4-5]。之前一些學(xué)者采用結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變、位移、速度和加速度等參數(shù)進行描述[6-7]。目前，在航天工程單位采用壓阻式?jīng)_擊傳感器作為工程中主要測量工具之一，其沖擊測量結(jié)果一方面與傳感器自身性能有關(guān)[8-9]，另一方面與傳感器的實際安裝過程中的各因素有關(guān)。為了研究傳感器安裝狀態(tài)對沖擊測試結(jié)果的影響，本文開展了多個影響因素的試驗研究，給出了各因素影響程度及后續(xù)使用建議和禁忌。

1 試驗設(shè)計

利用輕氣炮作為沖擊加載裝置[10]，T形工裝豎直安裝到輕氣炮響應(yīng)板上，兩組對比傳感器分別背對背安裝在工裝的兩側(cè)(同一個安裝孔)，每組傳感器通過1個安裝塊連接3個單向壓阻式傳感器分別測量3個垂直軸向的沖擊響應(yīng)(豎直板的上下為X，左右為Y，豎直板法向為Z)，見圖1。

圖1 對比試驗裝置

在T形工裝的豎直板上直接螺接安裝兩個單向壓阻式傳感器分別作為X向和Y向標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果，Z向通過轉(zhuǎn)接塊連接在T形工裝上，作為法向測試結(jié)果對比基準(zhǔn)。以上3個標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果是經(jīng)多次試驗激光多普勒測振儀校準(zhǔn)過的，典型對比見圖2。傅里葉分析的高低通濾波測試信號處理方法[11]，在忽略小量級影響的情況下，可以作為對比基準(zhǔn)。

圖2 單向壓阻式傳感器對激光多普勒測振儀的對比圖(典型)

2 沖擊測試對比試驗

本文分別比對了耦合劑種類、連接螺栓規(guī)格、表面粗糙度、安裝力矩以及傳感器安裝數(shù)量等因素對測試結(jié)果的影響。

2.1 耦合劑種類的影響

理論上，當(dāng)轉(zhuǎn)接塊(壓阻式傳感器安裝基座)和測試件接觸表面不是十分光滑時，在兩者之間使用薄薄的一層耦合劑將改善高頻性能。為了驗證沖擊試驗測量中耦合劑的影響大小，分別選用硅脂(沖擊測試推薦使用的耦合劑)和502膠作為耦合劑，對測點B的傳感器安裝塊與試件的接觸面進行處理后安裝在T形工裝豎直板上，如圖3和4所示。

圖3 涂抹硅脂

圖4 背靠背測點安裝狀態(tài)示意圖

在轉(zhuǎn)接塊和被測對象之間涂抹專用硅脂的方式將傳感器安裝到測點A，按不同量級進行2次對比試驗，試驗結(jié)果如圖5和6所示。

(a)X向

(a)X向

在轉(zhuǎn)接塊和被測對象之間添加502膠作為耦合劑，進行了2次沖擊對比，試驗結(jié)果如圖7和8所示。

(a)X向

(a)X向

2.2 連接螺釘規(guī)格的影響

為了研究轉(zhuǎn)接塊與被測對象連接螺釘規(guī)格對沖擊測量的影響設(shè)計如下試驗，試驗狀態(tài)與耦合劑種類影響一致，背對背測量如圖4所示，豎直板兩邊分別用M5與M6的螺釘連接轉(zhuǎn)接塊，分別進行2次沖擊對比。試驗結(jié)果如圖9和10所示。

5.2 防治方法：①農(nóng)業(yè)防治：深翻土壤，消滅越冬蛹；及時打杈掐尖，結(jié)合整枝把嫩葉、嫩枝上的卵及幼蟲一起帶走燒毀或深埋，可有效地減少卵量；摘除蟲果，減少幼蟲轉(zhuǎn)株危害。②生物防治：在棉鈴蟲產(chǎn)卵始、盛末期釋放赤眼蜂，每畝冬暖大棚放蜂1.5萬頭，每次放蜂間隔期為3～5天，連續(xù)3～4次。③藥劑防治：應(yīng)掌握在百株卵量達20～30粒時開始用藥，尤其在半數(shù)卵變黑時為好，可選用90%敵百蟲可濕性粉劑1000倍液，或50%辛硫磷乳油1000倍液，或2.5%溴氰菊酯乳油3000倍液，或40%菊馬乳油2000～3000倍液噴霧。

(a)X向

(a)X向

2.3 表面粗糙度的影響

為了研究被測對象與轉(zhuǎn)接塊的表面粗糙度對測量結(jié)果的影響，精加工一個同等材質(zhì)粗糙度低(粗糙度1.6)的轉(zhuǎn)接塊，如圖11所示，與平時使用的轉(zhuǎn)接塊(粗糙度6.3)進行2次背對背測試，試驗狀態(tài)如圖4所示。試驗結(jié)果如圖12和13所示。

圖11 轉(zhuǎn)接塊實物圖片

(a)X向

(a)X向

2.4 安裝力矩的影響

把轉(zhuǎn)接塊與被測對象的連接力矩0.3 N·m和3 N·m進行比對, 試驗狀態(tài)如圖14所示，試驗結(jié)果如圖15所示。

圖14 安裝力矩影響試驗狀態(tài)圖

圖15 安裝力矩影響對比結(jié)果

2.5 傳感器安裝數(shù)量的影響

2.5.1 螺接狀態(tài)

為了研究測試安裝狀態(tài)對非主振方向測量的影響，采用圖16的試驗裝置，重點對通過轉(zhuǎn)接塊安裝的傳感器的Y向測量結(jié)果進行了比較研究。對比試驗狀態(tài)分為3個：1)安裝3支傳感器；2)安裝2支傳感器；3)安裝1支傳感器。試驗狀態(tài)見圖16，以T形工裝的豎板側(cè)棱上直接螺接的壓阻式傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)，在工裝豎直面上螺接轉(zhuǎn)接塊，轉(zhuǎn)接塊上分別連接1支、2支和3支傳感器3個狀態(tài)進行沖擊試驗。試驗結(jié)果見表1。

(a)3支傳感器 (b)2支傳感器

表1 螺接轉(zhuǎn)接塊上連接不同數(shù)量傳感器的測試結(jié)果表

2.5.2 焊接狀態(tài)

由2.5.1節(jié)測試結(jié)果可知，將轉(zhuǎn)接塊與被測對象螺接測量3個方向的沖擊時，非主振方向在600～5 000 Hz 測試結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)有所放大，為了減小甚至消除這種影響，將轉(zhuǎn)接塊焊接在工裝上(如圖17所示)，利用該工裝進行比對試驗。試驗結(jié)果如表2所示。

圖17 轉(zhuǎn)接塊焊接狀態(tài)不同傳感器數(shù)量試驗狀態(tài)圖

表2 焊接轉(zhuǎn)接塊上連接不同數(shù)量傳感器的測試結(jié)果表

2.6 小結(jié)

分析上述一系列比對試驗可以得出以下結(jié)論：

轉(zhuǎn)接塊與被測對象螺接，僅連接非主振方向的1支單向壓阻式傳感器，在非主振方向全頻段都有所放大，在600～5 000 Hz與激光測試數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)基本一致，5 000～10 000 Hz放大倍數(shù)≤2；轉(zhuǎn)接塊上連接2支和3支單向壓阻式傳感器時，在600～5 000 Hz測試結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)有所放大，最大放大倍數(shù)≤5，其余頻段與標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果一致。

轉(zhuǎn)接塊與被測對象焊接，在非主振的Y向測試結(jié)果部分頻段還有所放大，放大頻段由原來的600～10 000 Hz縮減到2 000～6 000 Hz，放大倍數(shù)也有所下降；轉(zhuǎn)接塊上其余兩方向的測試結(jié)果與工裝上的標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果一致。

3 結(jié)論

為提升爆炸沖擊測量能力和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建議后續(xù)測量采取如下措施：

1)通過各種渠道購置業(yè)界認(rèn)可的傳感器，進行嚴(yán)格篩選、考核；

2)盡量保持每次測試操作狀態(tài)的一致性，使用同一種耦合劑(硅脂--沖擊測試推薦使用的耦合劑)、相同規(guī)格的連接螺栓、推薦轉(zhuǎn)接塊的表面粗糙度為1.6、安裝力矩為3 N·m(按照傳感器出廠要求)；

3)禁止使用1支單向壓阻式傳感器加轉(zhuǎn)接塊的方式對非主沖方向進行測試；

4)為提高測量的準(zhǔn)確性，條件允許的情況下近場測量轉(zhuǎn)接塊可采用焊接。