微納衛(wèi)星火工沖擊載荷緩沖裝置設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

趙相禹， 趙春娟， 張 雷， 陳善搏， 石有勝

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；3.長光衛(wèi)星技術(shù)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(jīng)歷的最為苛刻的力學(xué)環(huán)境之一，是由火工品起爆作用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的高頻、高量級(jí)的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)，加速度幅值可高達(dá)104～105g，持續(xù)時(shí)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(chǎn)生的火工沖擊載荷對(duì)航天器主結(jié)構(gòu)的影響較小，但是卻能夠?qū)袥_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(shè)備造成損傷，從而導(dǎo)致航天任務(wù)的失敗，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的事故[1-5]。

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，對(duì)航天器的載荷比要求越來越高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大衛(wèi)星采用蜂窩板的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)十分緊湊，星箭分離產(chǎn)生的沖擊波在結(jié)構(gòu)上衰減十分緩慢，想要通過結(jié)構(gòu)布局將單機(jī)布置在距離沖擊源較遠(yuǎn)的區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)。因此，低沖擊星箭分離裝置的研制以及整星系統(tǒng)級(jí)的降沖擊技術(shù)研究對(duì)改善衛(wèi)星的沖擊環(huán)境，提高單機(jī)的工作可靠性至關(guān)重要。

對(duì)于爆炸環(huán)境的減沖擊措施，僅有少量文獻(xiàn)。丁繼峰等[6]對(duì)某衛(wèi)星平臺(tái)上沖擊環(huán)境過大的問題設(shè)計(jì)了緩沖孔、緩沖墊和過渡段3種衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)緩沖方案，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yán)魯濤等[7]制作了減沖擊環(huán)樣機(jī)，大幅衰減了沖擊幅值，并討論了阻尼層對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(dòng)及沖擊隔離裝置，并完成了多項(xiàng)運(yùn)載火箭的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

本文研究了一種整星系統(tǒng)級(jí)金屬橡膠雙層隔沖擊裝置，通過雙層轉(zhuǎn)接增加安裝界面、延長沖擊載荷傳遞路徑，同時(shí)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(chǔ)起來，在金屬橡膠變形過程，金屬絲之間發(fā)生相對(duì)滑移，在接觸面之間的干摩擦?xí)拇蟛糠譀_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(diǎn)處的沖擊響應(yīng)，通過沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置在高量級(jí)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(jí)減沖擊設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)，該裝置為整星系統(tǒng)級(jí)減沖擊裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，加工周期短、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合研制周期較短的微納衛(wèi)星整星系統(tǒng)級(jí)降沖擊。

1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及沖擊響應(yīng)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(jié)構(gòu)，底板采用蜂窩板，整星質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jī)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(gòu)型，發(fā)射方式為搭載發(fā)射，火箭對(duì)整星的包絡(luò)及質(zhì)量要求嚴(yán)格。衛(wèi)星分離機(jī)構(gòu)采用三點(diǎn)爆炸螺栓式分離裝置，衛(wèi)星通過分離裝置與運(yùn)載系統(tǒng)相連，星箭分離時(shí)刻，3個(gè)爆炸螺栓同時(shí)起爆，4個(gè)分離彈簧實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與運(yùn)載系統(tǒng)分離，3個(gè)爆炸螺栓產(chǎn)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(yīng)通過實(shí)驗(yàn)采集超過15 000g,各單機(jī)安裝點(diǎn)處分離沖擊超過2 000g，不滿足單機(jī)任務(wù)書中沖擊小于2 000g的要求，因此需要對(duì)爆炸螺栓產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)。

圖1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分解圖

2 緩沖設(shè)計(jì)基本理論

2.1 沖擊載荷來源

航天器火工裝置動(dòng)作時(shí)產(chǎn)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(yīng)力波的傳播；②火工裝置突然動(dòng)作(如斷裂、解鎖、切割等)預(yù)載荷產(chǎn)生的應(yīng)變能突然釋放，形成應(yīng)力波傳播和結(jié)構(gòu)諧振響應(yīng)；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(jié)構(gòu)特定部位，形成應(yīng)力波和結(jié)構(gòu)諧振響應(yīng)。[8-9]

2.2 火工沖擊傳遞機(jī)理

沖擊載荷在結(jié)構(gòu)中以波的形式傳播，根據(jù)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(jì)70年代對(duì)大量火工品在航天典型結(jié)構(gòu)中的傳遞特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論認(rèn)為沖擊響應(yīng)會(huì)隨著傳遞距離的增加，響應(yīng)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(lì)結(jié)構(gòu)的諧振將高頻能量轉(zhuǎn)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(jù)火工沖擊的來源及傳遞機(jī)理，工程上可以從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行抗沖擊載荷設(shè)計(jì)：

(1) 從源頭(火工品)上降低沖擊源輸出沖擊載荷的量級(jí)，即優(yōu)化火工裝置的藥型、藥量及預(yù)緊力，降低火工沖擊量級(jí)[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(shè)計(jì)狀態(tài)的改變都需要大量的地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，因此，火工品的改進(jìn)設(shè)計(jì)難度大、費(fèi)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(jī)構(gòu)火工裝置重新設(shè)計(jì)時(shí)間很難滿足現(xiàn)有型號(hào)的進(jìn)度要求。

(2) 優(yōu)化星上單機(jī)布局，將對(duì)沖擊敏感的儀器安裝在距火工沖擊源較遠(yuǎn)的距離；爆炸和應(yīng)變能釋放引起的響應(yīng)頻率成分較高，主要表現(xiàn)為應(yīng)力波傳播，因此隨距離的增加而迅速衰減。在航天器設(shè)計(jì)論證初期，可以將對(duì)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(yuǎn)的位置。由于該微納衛(wèi)星布局緊湊，緊靠優(yōu)化單機(jī)布局，難以實(shí)現(xiàn)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(jù)沖擊載荷的傳遞機(jī)理，在其傳播路徑上附加緩沖措施是工程型號(hào)進(jìn)行緩沖設(shè)計(jì)的主要途徑，爆炸和應(yīng)變能釋放引起的響應(yīng)頻率成分較高，主要表現(xiàn)為應(yīng)力波的傳播，連接結(jié)構(gòu)僅能傳遞彈性波，傳遞路徑中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)會(huì)加大沖擊響應(yīng)幅值的降低，特別是高頻成分，而連接結(jié)構(gòu)本身不容易受到爆炸沖擊的影響。

(4) 加強(qiáng)航天器沖擊敏感儀器抗火工沖擊載荷設(shè)計(jì)；火工沖擊是航天器全生命周期間所經(jīng)歷的最為嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境之一，需要開展系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)工作，以提高產(chǎn)品環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。商業(yè)航天背景下衛(wèi)星選用的單機(jī)通常都是成熟的商用貨架產(chǎn)品或者性價(jià)比較高的單機(jī)，在較短的研制周期下，通常難以進(jìn)行抗沖擊載荷設(shè)計(jì)。

3 緩沖方案設(shè)計(jì)

3.1 緩沖方案緩沖原理

通過對(duì)火工沖擊傳遞機(jī)理的研究并結(jié)合衛(wèi)星結(jié)構(gòu)形式。在衛(wèi)星底板與側(cè)面主承力框架中間設(shè)計(jì)一層由兩層轉(zhuǎn)接板加金屬橡膠墊圈的隔沖擊裝置，如圖2所示。雙層轉(zhuǎn)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(jù)衛(wèi)星框架尺寸修改，結(jié)構(gòu)簡單，剛度高，質(zhì)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(shí)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(jīng)過曲折的路徑才能繼續(xù)傳到2a，進(jìn)而傳遞到整星框架，這種交錯(cuò)的設(shè)計(jì)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(chǔ)起來，在金屬橡膠變形過程中，金屬絲之間發(fā)生相對(duì)滑移，而在接觸面之間的干摩擦?xí)拇蟛糠譀_擊能量。

3.2 緩沖方案仿真分析

針對(duì)上述緩沖方案進(jìn)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(duì)模型進(jìn)行合理簡化。

(2) 將火工品產(chǎn)生的沖擊條件作為輸入在模型中進(jìn)行仿真計(jì)算。

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

(4) 計(jì)算完成后輸出整星沖擊云圖，并提取關(guān)鍵點(diǎn)處的響應(yīng)值。

本方案最終經(jīng)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(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元建模，帆板采用殼單元，單機(jī)采用質(zhì)量點(diǎn)用MPC(multipoint constraint)連接至整星，緩沖裝置采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。

圖5 衛(wèi)星有限元模型

采用有限元軟件進(jìn)行瞬態(tài)分析，仿真云圖，如圖6所示。在近場位置提取關(guān)鍵點(diǎn)加速度時(shí)域響應(yīng)，對(duì)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到?jīng)_擊響應(yīng)譜，沖擊譜分析范圍為10～5 000 Hz，品質(zhì)因子為10。沖擊響應(yīng)如圖7所示。圖7中將有無緩沖方案沖擊響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，從圖7數(shù)據(jù)能夠看出該緩沖方案能夠?qū)_擊響應(yīng)從5 147g降低至721.1g，相比無隔沖裝置時(shí)隔沖效率達(dá)到86%，緩沖效果良好。

(a) 無隔沖方案云圖

4 緩沖方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證緩沖方案的有效性，本文在落錘實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用與飛行件同一批次的火工品進(jìn)行分離沖擊實(shí)驗(yàn)，同一批次火工品一致性差異較小,火工品和分離機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 分離機(jī)構(gòu)及爆炸螺栓

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用初樣衛(wèi)星與分離機(jī)構(gòu)組合狀態(tài)進(jìn)行，爆炸螺栓解鎖后，點(diǎn)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(shè)厚度不小于20 mm，大小不小于1 m×1 m的海綿墊。分離實(shí)驗(yàn)流程如圖10所示。分離實(shí)驗(yàn)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(diǎn)布置信息如下。由于分離沖擊沿縱向最大，在數(shù)據(jù)處理時(shí)僅對(duì)縱向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 沖擊傳感器測點(diǎn)布置

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程沖擊響應(yīng)測量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)相同測點(diǎn)的響應(yīng)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(dá)到70%以上，與仿真結(jié)果相符，1 000 Hz以內(nèi)基本無衰減或者衰減很小。最為關(guān)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(yīng)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?qū)⒕C合電箱安裝點(diǎn)處的沖擊值降至單機(jī)任務(wù)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

圖10 分離實(shí)驗(yàn)流程圖

圖11 隔沖前后沖擊響應(yīng)譜實(shí)測數(shù)據(jù)

5 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

減沖環(huán)節(jié)不僅需要滿足各單機(jī)沖擊環(huán)境，同時(shí)需要滿足衛(wèi)星在發(fā)射段的力學(xué)環(huán)境，對(duì)加有減沖擊環(huán)節(jié)的整星進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)證，并與未加減沖環(huán)節(jié)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，各單機(jī)力學(xué)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)如下，從中能夠發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致整星縱向出現(xiàn)共振峰，正弦響應(yīng)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(jī)排列的金屬螺旋卷彼此相互勾嵌而成，當(dāng)其承受外部載荷時(shí)，靠金屬螺旋卷接觸點(diǎn)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(jī)緩沖方面作用較小，導(dǎo)致隨機(jī)響應(yīng)僅略有減小。

圖12 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(jī)正弦隨機(jī)響應(yīng)

表5 減沖后星上單機(jī)正弦隨機(jī)響應(yīng)

6 結(jié) 論

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，衛(wèi)星上搭載的單機(jī)越來越多，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)布局更加緊湊，對(duì)于搭載衛(wèi)星而言，力學(xué)環(huán)境更為苛刻，沖擊響應(yīng)尤為惡劣，通過整星布局優(yōu)化使沖擊響應(yīng)敏感設(shè)備避開沖擊響應(yīng)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(shè)備，如星敏、中心機(jī)的安全性及可靠性，必須開展整星級(jí)降沖擊設(shè)計(jì)。本文以某微納衛(wèi)星平臺(tái)星箭分離實(shí)驗(yàn)過程中沖擊響應(yīng)過大的問題為背景，基于沖擊響應(yīng)來源、沖擊響應(yīng)傳遞機(jī)理及防護(hù)原則進(jìn)行了整星級(jí)降沖擊設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，星箭分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 通過多層轉(zhuǎn)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(yīng)強(qiáng)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(chǎn)生的動(dòng)能快速轉(zhuǎn)化為金屬橡膠的變形能，同時(shí)金屬橡膠變形過程中，金屬絲之間發(fā)生相對(duì)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(yīng)。

(3) 該裝置為整星系統(tǒng)級(jí)減沖擊裝置，方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低、加工周期短、質(zhì)量輕，適合研制周期較短的金屬框架微納衛(wèi)星整星級(jí)降沖擊。