申智春,林小艷,程坤,王海鵬1,
(1. 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109;2. 上海市深空探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201109;3. 探月與航天工程中心,北京 100190)
沖擊環(huán)境是航天產(chǎn)品必須經(jīng)受的環(huán)境之一,沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)已經(jīng)成為大多數(shù)航天產(chǎn)品必做的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目之一。GJB150A技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)沖擊響應(yīng)譜(Shock Response Spectrum,SRS)模擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了規(guī)定,祝耀昌對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)沖擊部分進(jìn)行了詳細(xì)的解釋,文中指出:“沖擊試驗(yàn)是一種瞬態(tài)過程。因此,在結(jié)構(gòu)或性能未發(fā)生永久性變化(即未出現(xiàn)“硬故障”)時(shí),評(píng)價(jià)沖擊試驗(yàn)對(duì)設(shè)備性能或完整性的影響是很困難的”[1]。單機(jī)內(nèi)部器件也需要經(jīng)過沖擊考核試驗(yàn),GJB548B和GJB360B分別對(duì)微電子器件和電子及電氣元件的沖擊試驗(yàn)做了規(guī)定。
我國首次火星探測任務(wù)采用“長征5號(hào)”運(yùn)載火箭發(fā)射,器箭分離采用12發(fā)F18A火攻品解鎖,初樣階段采用結(jié)構(gòu)熱控器與運(yùn)載支架進(jìn)行器箭分離試驗(yàn),試驗(yàn)測試沖擊加速度響應(yīng)較大,分離面最大響應(yīng)達(dá)到8 600 g,單機(jī)安裝面最大響應(yīng)達(dá)到了近3 000 g,超過了單機(jī)的初樣可靠性試驗(yàn)條件。正樣單機(jī)根據(jù)修正后的沖擊條件開展了減沖擊設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工作,有單機(jī)不加任何減沖方式通過考核,也有單機(jī)增加了減沖措施后通過考核,限于篇幅,本文不詳細(xì)展開修正單機(jī)沖擊條件、減沖擊設(shè)計(jì)及沖擊試驗(yàn)的過程。單機(jī)按照修正后的沖擊條件完成沖擊試驗(yàn)考核后,存在以下2個(gè)問題需要回答:①可靠性是否下降?②沖擊試驗(yàn)前后單機(jī)電性能指標(biāo)測試正常,是否可以表明單機(jī)的可靠性不受影響?
本文針對(duì)上述問題,采用可靠性強(qiáng)度/應(yīng)力模型對(duì)單機(jī)的沖擊響應(yīng)譜與廠家給定的器件的半正弦波沖擊指標(biāo)進(jìn)行了比較分析,從試驗(yàn)和分析兩方面表明正樣單機(jī)的可靠性滿足要求,經(jīng)受過沖擊考核的單機(jī)可靠性沒有下降。
GJB150A.27中對(duì)爆炸分離沖擊的特點(diǎn)作了說明,主要有:①高頻率、寬頻帶(100 Hz~1 000 KHz);②結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度大、但速度和位移?。虎鄢掷m(xù)時(shí)間短(< 20 ms);④時(shí)間歷程是隨機(jī)的,重復(fù)性差等;⑤結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)響應(yīng)受結(jié)構(gòu)不連續(xù)性影響較大。爆炸分離沖擊環(huán)境主要取決于火工品的類型和結(jié)構(gòu)的傳遞路徑,典型的航天結(jié)構(gòu)上爆炸分離沖擊響應(yīng)峰值時(shí)間歷程與沖擊源距離的關(guān)系見圖1。
圖1 爆炸分離沖擊時(shí)間歷程峰值與沖擊源距離的關(guān)系Fig.1 The relationship between explode separation impaction time history peak value and impaction origin distance
沖擊響應(yīng)譜是一系列不同頻率、具有一定阻尼的線性單自由度系統(tǒng)受到?jīng)_擊所產(chǎn)生的最大響應(yīng)與系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線[2]。沖擊響應(yīng)譜反映的是線性單自由度系統(tǒng)固有頻率與系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí)所產(chǎn)生的最大響應(yīng)之間的關(guān)系,其間不包含激勵(lì)與響應(yīng)之間的相位信息。但是由于沖擊響應(yīng)譜缺少相位信息,同一個(gè)沖擊響應(yīng)譜可以通過無數(shù)個(gè)沖擊波形得到。某個(gè)沖擊譜條件可以與很多個(gè)時(shí)間歷程對(duì)應(yīng),不存在唯一性。因此用不同方法進(jìn)行航天器產(chǎn)品的沖擊試驗(yàn)將會(huì)產(chǎn)生不同的效果[3]。
半正弦標(biāo)準(zhǔn)脈沖是采用簡單的采用標(biāo)準(zhǔn)脈沖模擬爆炸分離沖擊環(huán)境[4]。這種方法易于采用傳統(tǒng)的跌落式?jīng)_擊機(jī)完成,具有簡便、易行、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
典型的沖擊響應(yīng)譜與半正弦脈沖如圖2和圖3所示。
圖2 沖擊響應(yīng)譜Fig.2 Shock response spectrum
圖3 半正弦波脈沖波形及其容差Fig.3 Half-sine Pulse wave and its tolerance
當(dāng)前航天器單機(jī)級(jí)產(chǎn)品主要采用沖擊響應(yīng)考核單機(jī)設(shè)備的抗沖擊性能,主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB150A.27。而單機(jī)內(nèi)部的電子元器件主要采用半正弦標(biāo)準(zhǔn)脈沖進(jìn)行器件的沖擊考核,主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GJB548B和GJB360B。雖然半正弦脈沖簡便、易行、成本低,但相比爆炸分離沖擊具有很大的局限性,單個(gè)脈沖與復(fù)雜振蕩型沖擊的作用原理存在較大的差別,單脈沖對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性影響較大,而復(fù)雜振蕩沖擊則更多地影響產(chǎn)品的電測性能。用單脈沖模擬復(fù)雜振蕩型沖擊,往往在低頻段考核“過試驗(yàn)”,而在高頻段則會(huì)“欠試驗(yàn)”,也就是說單脈沖試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的考核失真[3-4]。
火星探測器在器箭分離試驗(yàn)后,對(duì)計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器、飛輪等單機(jī)根據(jù)修正后的沖擊試驗(yàn)條件開展了減沖設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證工作。以計(jì)算機(jī)為例,修正后計(jì)算機(jī)的沖擊響應(yīng)譜條件見表1~2。
先采用計(jì)算機(jī)工藝件和計(jì)算機(jī)電性件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)摸底,最后采用計(jì)算機(jī)鑒定件通過了沖擊試驗(yàn)考核。類似驅(qū)動(dòng)控制器和反作用飛輪也是先進(jìn)行沖擊摸底試驗(yàn)后,在有減沖措施情況下完成了各自沖擊試驗(yàn)考核。
沖擊試驗(yàn)考核后,各單機(jī)的電性能測試正常,X光檢測結(jié)果表明無裂紋。但有以下兩個(gè)問題需解決:如何評(píng)價(jià)單機(jī)在經(jīng)過這樣高量級(jí)沖擊條件考核后,可靠性不受影響?單機(jī)電性能測試結(jié)果正常,是否表明經(jīng)過沖擊試驗(yàn)后內(nèi)部元器件沒有損傷,單機(jī)可靠性沒有下降?本文在第3節(jié)給出了評(píng)價(jià)方法。
表1 原計(jì)算機(jī)沖擊響應(yīng)譜條件Table 1 SRS of computers
表2 修正后的計(jì)算機(jī)沖擊響應(yīng)譜條件Table 2 Modified SRS of computers
首先評(píng)價(jià)單機(jī)經(jīng)過高量級(jí)沖擊條件考核后的單機(jī)可靠性是否下降未見可行的理論方法,而且工程上也曾經(jīng)發(fā)生過單機(jī)通過沖擊試驗(yàn)考核后,在整星火工品解鎖試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)過大導(dǎo)致單機(jī)內(nèi)部元器件損壞致單機(jī)功能失效的問題。另外限于探測器一種單機(jī)數(shù)量僅有工藝件或結(jié)構(gòu)熱控件、電性件、鑒定件等幾臺(tái),可靠性樣本少,單機(jī)沖擊試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部布置沖擊測點(diǎn)困難,即便布置測點(diǎn),也很難測到單機(jī)內(nèi)部元器件的最大沖擊響應(yīng),因此直接用單機(jī)內(nèi)部測點(diǎn)的沖擊響應(yīng)與單機(jī)的沖擊閾值相比方法不可行。
本文采用可靠性強(qiáng)度/應(yīng)力模型,將元器件的半正弦波沖擊指標(biāo)視為強(qiáng)度,單機(jī)的沖擊條件視為應(yīng)力,如果應(yīng)力不超過強(qiáng)度,那么認(rèn)為單機(jī)可靠性不受影響,這種方法忽略了從單機(jī)安裝面到元器件安裝點(diǎn)沖擊響應(yīng)的衰減,安全裕度高。但這種方法帶來一個(gè)新的問題:探測器單機(jī)按照GJB150A.27采用沖擊響應(yīng)譜開展沖擊試驗(yàn),沖擊響應(yīng)譜輸入界面為單機(jī)的安裝面,而單機(jī)內(nèi)部電子元器件采用的是半正弦脈沖進(jìn)行沖擊試驗(yàn),參照標(biāo)準(zhǔn)為GJB548B或GJB360B,二者無法直接相比,必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能對(duì)比。
半正弦波條件常用于元器件沖擊試驗(yàn),而響應(yīng)譜條件常用于單機(jī)或整機(jī)試驗(yàn),本文根據(jù)單機(jī)的響應(yīng)譜反推元器件所需的半正弦波沖擊波形,然后與廠家給定的元器件的半正弦沖擊指標(biāo)相比。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)技術(shù)是以等效損傷原則為依據(jù),參考沖擊響應(yīng)譜,采用合成小波等方法構(gòu)造滿足沖擊譜條件的瞬態(tài)波形以模擬復(fù)雜的沖擊環(huán)境[5]。沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算方法采用改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法[5-7],該方法由Smallwood提出,計(jì)算方法如下:
設(shè)單自由度系統(tǒng)基礎(chǔ)加速度輸入U(xiǎn)(t)的采樣值為Uk,k= 0,1,…,N。單自由度系統(tǒng)的絕對(duì)加速度響應(yīng)為Xk,k= 0,1,…,N。則有
其中:
b0=1-exp(-D)sin(E)/E;
b1=2exp(-D)[sin(E)/E-cos(E)];
b2=exp(-D)[exp(-D)-sin(E)/E];
q1=2exp(-D)cos(E)q2=-exp(-2D);
D=ζω△t;
E=ωd△t;
ω=2πf;
ωd=
f為系統(tǒng)頻率;
△t為采樣間隔;
ξ為系統(tǒng)阻尼系數(shù)。
利用該方法將單機(jī)的沖擊響應(yīng)譜反推變換成半正弦波與單機(jī)內(nèi)部器件的半正弦波沖擊指標(biāo)進(jìn)行比較。
以計(jì)算機(jī)的沖擊響應(yīng)譜為例,起始頻率100 Hz,拐點(diǎn)頻率為1 500 Hz,等沖區(qū)為1 700 g,其經(jīng)過計(jì)算對(duì)應(yīng)的半正弦波形應(yīng)為幅值A(chǔ) = 1 259 g,0.3 ms的半正弦波形。計(jì)算機(jī)上器件眾多,器件的沖擊響應(yīng)指標(biāo)多數(shù)是100 g/6 ms,二者比較如圖4所示。
圖4 正弦波形對(duì)比Fig.4 Sine wave comparison
兩者相比加速度峰值增加了約12.6倍,沖擊時(shí)間縮短了20倍,二者無法直接相比,針對(duì)這種情況,有兩種方法可以使用,即可以利用沖擊速度和沖擊位移分別相比。以下利用沖擊速度比和沖擊位移比進(jìn)行比較。兩個(gè)正弦波形的面積比相當(dāng)于兩種波形的沖擊速度比,計(jì)算得到?jīng)_擊輸入速度比 = 0.240 6/0.381 9 =0.63,沖擊速度再對(duì)時(shí)間積分可以得到兩種波形的沖擊位移比為0.027 6。
通過計(jì)算不同的單機(jī)除了計(jì)算機(jī)的一個(gè)振蕩器以外,其它器件的半正弦波沖擊條件與單機(jī)沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)化后的沖擊波形相比沖擊速度小于1,沖擊位移遠(yuǎn)小于1,應(yīng)力小于強(qiáng)度公式,足夠安全。該振蕩器的沖擊響應(yīng)條件為30 g/11 ms,該沖擊條件與單機(jī)沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)化后的沖擊波形相比后的沖擊速度比為1.15,大于1,但沖擊位移比為0.031 2,遠(yuǎn)小于1??紤]沖擊從單機(jī)底面?zhèn)鬟f到該器件在PCB板上安裝位置,至少經(jīng)過PCB板與單機(jī)殼體螺釘連接,按GJB150A.27附錄A“結(jié)構(gòu)不連續(xù)性(如接頭和螺栓連接)可大幅衰減爆炸分離沖擊的幅值”,一般認(rèn)為經(jīng)過螺接面沖擊有3 dB的衰減,另外該器件經(jīng)過灌封防止振動(dòng)、沖擊時(shí)發(fā)生斷裂與脫焊,因此盡管沖擊速度比大于1,但綜合分析以上因素認(rèn)為,裕度仍然能夠滿足要求。
本文針對(duì)火星探測器器箭分離試驗(yàn)時(shí)單機(jī)沖擊響應(yīng)較大問題,對(duì)單機(jī)開展了減沖設(shè)計(jì)及沖擊試驗(yàn),為判斷完成沖擊試驗(yàn)考核后的單機(jī)可靠性是否下降,采用可靠性強(qiáng)度/應(yīng)力,將廠家給定的單機(jī)內(nèi)部器件的半正弦沖擊條件視為強(qiáng)度,將單機(jī)的沖擊響應(yīng)譜采用遞歸數(shù)字濾波法將沖擊響應(yīng)譜逆變換為半正弦波視為應(yīng)力,因兩個(gè)波形在時(shí)間、和幅值上無法直接相比,對(duì)其進(jìn)行一次積分后進(jìn)行速度比、二次積分后進(jìn)行位移比,通過速度比和位移比判斷應(yīng)力和強(qiáng)度的大小,這種方法忽略了單機(jī)底面到器件的沖擊衰減,安全裕度較高,可以作為單機(jī)經(jīng)過沖擊試驗(yàn)后,可靠性是否降低的輔助評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),也可以作為沖擊試驗(yàn)前判斷單機(jī)抗沖擊能力的評(píng)價(jià)依據(jù)。