航天器火工冲击环境防护技术现状与应用

张欢 刘天雄 李长江 向树红 张庆明

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）（3 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

1 引言

火工装置由动作器、装药和功能机构组成，利用装药燃烧或爆炸产生的载荷通过功能机构来完成特定功能。火工装置作为专业术语是从美国水星号飞船项目开始使用的，近年来也称为能量元件与系统［1］。航天器火工装置能够完成连接与释放、切割与破碎、阀门打开与关闭、驱动做功等功能，是广泛应用的关键产品。但是，航天器火工装置动作时会产生高量级、宽频带、短时间的复杂振荡性爆炸冲击载荷，对航天器电子仪器、脆性材料、轻薄结构等的破坏作用十分突出。典型火工冲击故障模式包括晶体、陶瓷、环氧树脂材料、玻璃封装材料、焊点、电缆引线头的破裂，密封失效，污染粒子扩散，继电器和开关的抖动及切换，微电子芯片结构变形等［2-3］。NASA 统计分析了1963—1985年间发射的航天器所有飞行故障，从中分离出88次可能与火工冲击或者振动有关的故障，并经过故障树分析，其中63次是火工冲击直接或者间接引起，占71%以上，并且多次为灾难性故障［4］。火工冲击环境同样对运载火箭也造成严重危害，美国马歇尔航天中心统计分析了1983—1998年间美国本土运载火箭22次事故中有5次为分离系统引起，分离系统产生的火工冲击载荷造成安装在火工装置附近的含有陶瓷材料的仪器、电磁阀、继电器开关以及电路板发生了故障［5］。

近年来，国内多个航天器遇到严重的火工冲击问题，某卫星与运载火箭上面级之间采用爆炸螺栓连接，对接分离试验表明，星箭界面火工冲击响应达到6763gn，4000～10 000Hz，造成卫星34台仪器超验收级条件（800gn，1000～4000 Hz）；某卫星在太阳翼火工切割器解锁过程中，太阳翼压紧点的电源控制器冲击响应达到4066gn，4000～10 000 Hz，超出组件环境试验条件。2011年某卫星在轨SAR 天线压紧点火工装置动作时，安装在火工装置附近的时间基准单元A 机频率遥测信号突然从正常值变为零伏，频率计数器停止递增，产品失效。地面故障复现试验表明，时间基准单元A 机火工冲击响应达到5482gn，导致仪器内部晶片引脚脱落。因此，研究航天器火工冲击环境防护技术，开展火工冲击环境预示、火工冲击载荷传递机理研究具有重要意义。

2 火工冲击环境特点及载荷组成

2.1 火工冲击环境特点

航天器火工装置动作时，在安装结构处产生巨大的局部压力，并以高量级、高频响的应力波形式在航天器结构材料中传播，除了爆炸源附近有塑性变形外，航天器主体结构仅仅传递弹性波，而自身不易受火工冲击的影响，但是火工冲击产生的应力波可以使外形尺寸与波长同量级的微型电子产生高频响应，从而对航天器电子设备和微机电设备产生危害［6］。火工冲击加速度响应时间历程一般会剧烈震荡，并具有一个接近10μs的基本上升时间［2］，响应时间历程本质上是随机的。

火工冲击环境的特征参数依赖于冲击源的类型、尺寸、载荷当量、结构传递特性以及响应点到冲击源的距离［6-7］。根据火工冲击环境的强度和频率范围，NASA-STD-7003标准将火工冲击环境分为近场、中场和远场三类，冲击源产生的冲击应力波传播决定了近场的响应，峰值加速度响应超过5000gn，频率范围超过100kHz；冲击源产生的冲击应力波传播和结构谐振响应组合决定了中场的响应，峰值加速度响应为1000～5000gn，频率范围超过10kHz；航天器结构谐振效应决定了远场的响应，峰值加速度响应小于1000gn，频率范围小于1kHz［2，6，8］。

MIL-STD-810F标准指出近场、中场和远场与响应点的火工冲击强度有关，火工冲击强度是响应点到火工装置的距离以及载荷传递结构形式的函数。航天器火工冲击源可分为点状源（如爆炸螺栓）、线状源（如切割索）及组合源（如包带），NASASTD-7003标准定义点源的近场、中场及远场的范围指距爆炸源的距离分别为小于3cm，3～15cm 以及大于15cm，线源的近场、中场及远场的范围指距爆炸源的距离分别为小于15cm，15～60cm 以及大于60cm。火工装置动作导致结构局部产生强作用机械瞬态火工冲击响应，频率范围通常在100～10 000kHz，持续时间50μs～20ms，加速度响应幅值为300～300 000gn［3］。

2.2 火工冲击载荷组成

为了研究产品的抗冲击能力，Blot于1963年提出根据冲击响应时间历程计算冲击响应谱（SRS）的概念，冲击响应谱是响应幅值与频率的关系曲线，不能反映相位信息，由冲击响应谱也不能复现原来的时域冲击波形。虽然冲击响应谱分析方法广泛应用于航天领域，但需要进一步分析航天器火工冲击载荷的组成，以便有针对性地开展火工冲击防护措施研究。

航天器火工装置动作时产生的冲击载荷来源有3个［2-3，9］：①含能材料（如火药、炸药）爆炸引起冲击波和应力波的传播；②火工装置突然动作（如断裂、解锁、切割等），预载荷产生的应变能突然释放，形成应力波传播和结构谐振响应；③火工装置部件（如爆炸螺栓的螺柱头）以一定速度和冲量撞击结构特定部位（如捕获器、缓冲块），形成应力波和（或）结构谐振响应。

文献［9］以典型爆炸螺栓连接结构为对象，分别建立了爆炸过程、应变能释放过程、撞击过程的数值计算模型，定量研究了3种载荷作用机制及其引起的结构响应特征，数值仿真结果表明，在近场区域内，3种载荷中爆炸载荷的贡献最大，其激起的加速度响应峰值是应变能释放和撞击的3倍左右；而撞击效应在两者之后，几乎独立存在，计算结果符合MIL-STD-810F和GJB150.27-2009标准描述的火工冲击载荷近场一般规律（高于5000gn）。

MIL-STD-810F和NASA-STD-7003标准对上述3种载荷作用机制已有介绍，但如何测量每种载荷的贡献及3种载荷的耦合效应尚未有公开文献说明。在实际的物理过程中，必然存在3 种载荷的耦合作用，特别是爆炸和应变能释放几乎同时发生，两者之间会发生相互影响。研究3 种载荷作用机理、作用过程以及引起的航天器响应特征，是开展航天器火工冲击防护研究的关键之一。特别是加载较大预紧力的航天器火工装置动作后，连接面应变能的突然释放（例如几十千牛的包带预紧力在毫秒量级释放为零）加剧了火工冲击环境的强度，文献［6］指出包带分离装置引起的火工冲击载荷很大程度上受预紧力支配。

美国著名火工装置研发机构Hi-SHEAR技术公司20世纪70年代研制的SN-9400系列低冲击分离爆炸螺栓，预紧力为89kN，输出冲击响应为3000～10 000gn，其中爆炸冲击载荷占10%，应变能释放冲击载荷占60%，火工装置部件撞击载荷占30%［10］；20世纪90年代研制了超低冲击SN-9600系列分离螺栓，用记忆合金替代炸药，预紧力降到30kN，输出冲击响应减小到500gn［11］。

另外需要引起重视的是，在航天器火工装置动作过程中，对周围空间大气有电离作用，可能伴随加热和电磁辐射效应，在航天器与运载火箭（上面级）分离过程中，除了对航天器造成火工冲击影响外，还可能会产生电磁干扰，从而影响航天器控制系统和测控系统的正常工作。

3 火工冲击环境防护措施

工程上主要从3个环节开展抗火工冲击环境载荷设计：①改进火工装置设计，降低爆炸源的冲击量级；②在火工冲击载荷传递路径中安装载荷隔离和载荷减缓装置；③加强航天器冲击敏感仪器抗火工冲击环境载荷设计。

3.1 优化火工装置药型、药量及预紧力，降低火工冲击量级

火工装置动作时在密闭结构上产生巨大的局部压力，以高量级、高频响应力波的形式在结构材料中传播和反射，并在结构上产生瞬时机械响应［12］，应力波传播引起的冲击响应是火工冲击载荷的早期效应，并与结构分离应变能释放引起的分离冲击的作用相结合［13］，冲击脉冲在航天器复杂结构中传播和反射，爆炸冲击和分离冲击之间并无明显规律［14］。

为了降低爆炸源的冲击量级，首先是优化火工装置的引燃火药和引爆炸药的药型和药量，虽然对降低航天器火工装置爆炸冲击响应作用十分明显，但需要开展大量地面试验，以确保火工装置动作的可靠性，火工装置定型后再优化设计药型和药量，在工程上风险较大。其次是合理控制航天器火工装置预紧力。火工装置在预紧力作用下使得航天器局部结构产生弹性变形并储存了较大应变能，例如在火箭动力飞行段，星箭界面存在横向及纵向加速度环境，使得星箭连接面产生拉力、弯矩、剪力等载荷。为防止结构连接失效，通常采用提高包带预紧力实现星箭可靠连接，包带预紧力高达几十千牛。爆炸螺栓解锁时，使得星箭分离面的对接法兰瞬间失去包带的约束，应变能转化为动能，引起航天器结构冲击与振动响应。文献［14-15］根据试验数据指出包带预紧力越大，星箭分离面的对接法兰存储应变能越大，引起的分离冲击量级越高。

航天器火工装置动作过程中形成冲击载荷3种机制中，应变能释放是不可避免的，但可以合理控制航天器火工装置预紧力来降低火工冲击响应。例如，NASA 于1999年提出了《包带系统设计准则》，并给出了包带预紧力简化公式［16］。西班牙航空制造公司（CASA）通过增加包带面积，增强包带刚度来提高包带连接结构的承载能力［17］。Hi-SHEAR公司的SN-9400系列某种分离爆炸螺栓的预紧力为89kN，SN-9600系列同种分离爆炸螺栓的预紧力降到30kN，输出冲击响应由3000～10 000gn降到500gn［10-11］。

航天器火工装置应变能释放是不可避免的，应变能释放造成的加速度响应影响的范围主要在中场和远场，这也正是航天器冲击敏感仪器安装的位置处。因此，在保证连接与分离可靠性的前提条件下，合理控制航天器火工装置预紧力，可以降低由应变能释放造成的航天器敏感仪器加速度响应。

3.2 优化航天器设计构型布局，避免在火工装置附近安装敏感仪器

爆炸和应变能释放引起的响应频率成分较高，主要表现为应力波传播，因此随距离的增加而迅速衰减［6］。文献［18］利用黏弹阻尼减振开展在导弹隔冲击结构中的应用研究，试验结果表明：爆炸分离冲击产生强烈的机械瞬态响应，对其附近弹载仪器产生极为严重的影响，影响程度随着到冲击源的距离增加而减小，且爆炸分离冲击在0.2ms内达到最大值，之后迅速衰减，在10ms内衰减到最大值的5%以下，符合MIL-STD-810G 标准描述的火工冲击载荷持续时间的一般规律（不超过20 ms）。文献［9］数值仿真结果表明，应变能释放造成的加速度响应特征和爆炸冲击类似，具有较高的频率和幅值，随距离的衰减也比较明显（由3500gn衰减到200gn）。

根据已有大量的火工冲击试验数据，通过对已有冲击源的类别和测点到火工装置的距离分析，文献［19］给出了点状源（如爆炸螺栓）的火工冲击响应谱在复杂结构中的衰减公式，火工冲击响应随距离增加呈指数衰减。NASA-STD-7003标准给出了航天器七种典型结构中火工冲击响应幅值随火工装置距离增加的衰减的曲线，不同结构对火工冲击载荷衰减能力不同，但火工冲击响应随距离增加衰减的规律一致，值得注意的是航天器常用的蜂窝结构对火工冲击载荷衰减能力最小。

文献［19］给出的公式并不代表线状源和组合源的火工冲击响应衰减规律，但与NASA-STD-7003标准给出的规律是一致的，火工冲击响应衰减推演的准确程度依赖于航天器所用火工装置及其与航天器连接结构的近似程度，否则预示结果会产生严重误差，但是避免在火工装置附近安装敏感仪器将有效地减小火工冲击对敏感仪器影响的结论是毋庸置疑的。

3.3 增加冲击载荷传递路径结构界面之间的连接环节，吸收或隔离火工冲击载荷

爆炸和应变能释放引起的响应频率成分较高，主要表现为应力波传播，连接结构仅能传递弹性波，传递路径中的不连续结构会加大冲击的降低幅值，特别是高频成分，而连接结构本身不易受到爆炸分离冲击的影响［2，6-7，18］，文献［18］在导弹隔离冲击结构中的试验结果表明：爆炸分离冲击响应通过结构面时衰减很快，铆接对降低冲击贡献极小，而配合连接对降低冲击贡献可达30%～60%。NASA-STD-7003标准指出除了利用距离衰减冲击载荷外，应力波传播过程中遇到结构连接环节时，一般会大幅度降低火工冲击响应幅度，试验结果表明结构连接环节衰减冲击载荷范围可达20%～75%，具体数值取决于连接环节的类型（如铆接、螺接、胶接等）以及连接环节如何改变冲击载荷传递路径的实现方式。

文献［20］于20世纪70年对连接界面之间增加不同垫片的缓冲效果进行了研究和分析，测试界面35种连接组合（金属垫片、硬非金属垫片、软非金属垫片、非金属垫片的组合）对冲击载荷的衰减情况，缓冲效率用冲击谱峰值相对直接连接情况下冲击谱峰值的衰减量表示，试验结果表明连接界面之间直接机械连接在整个频段上能对冲击衰减大约30%；连接界面之间增加不同垫片对冲击载荷的高频部分衰减有效，对1500Hz以下冲击载荷几乎不起衰减作用。

文献［6］建议工程中大的结构不连续环节造成的冲击载荷衰减为50%，一般的结构不连续造成的冲击载荷衰减为30%（最多不超过三个连接环节），与NASA-STD-7003标准结论一致。因此，改变冲击载荷传递路径上的结构界面特性，进行多次转接，使冲击载荷得以充分过滤（高频成分）和衰减（响应幅值），从而降低火工冲击强度，是简单、有效、实用的航天器火工冲击防护技术。

文献［21］指出美国CAS公司设计了航天器系统级宽频带振动隔离系统，飞行试验结果表明，隔离系统不仅有效地降低了低频瞬态振动（≤80 Hz）幅值，而且对衰减随机振动（20～2000 Hz）和火工冲击（100～10 000Hz）载荷也十分有效。

3.4 开展冲击敏感仪器抗火工冲击环境设计工作

火工冲击是航天器全生命期间所经历的最严酷的力学环境之一，需要开展系统级和部件级抗力学环境设计工作，以提高产品环境适应性和可靠性，参考标准有《航天器系统级抗力学环境设计指南》和《航天器电子设备抗力学环境设计准则》。但上述标准对抗火工冲击环境工作没有准确的计算方法，缺乏有效的量化防护措施。

目前，国内航天器的规模较小，使用火工品的数量一般不超过50个，而国外部分航天器火工品数量甚至是国内的10倍以上，例如“土星”（Saturn）火箭使用了150个火工装置，阿波罗（Apollo）飞船的火工装置达到314个，航天飞机更是使用了多于400个火工分离装置［22］。未来航天器会应用大量火工装置完成越来越多的功能，火工冲击问题将愈发凸显，必将成为制约我国航天器的研制、影响航天器在轨可靠性的问题，需从环境预示、方案设计、试验验证等方面系统地开展火工冲击环境防护研究。

4 火工冲击环境防护措施的应用现状

火工冲击防护方案多为被动式设计，通过冲击载荷隔离和载荷吸收两种原理，降低传递到航天器敏感设备处的火工冲击载荷。防护方案要综合考虑缓冲效果、重量、体积、刚度等要求，同时不能改变原有界面连接关系。

4.1 系统级火工冲击载荷防护措施应用现状

阿根廷国家空间活动委员会（CONAE）与美国NASA 合作的科学应用卫星（SAC-B）项目中［23］，由于设计上的原因，使得卫星的部分冲击环境敏感仪器只能安装在有效载荷适配器（Payload Attach Fitting，PAF）附近，包括光电倍增管（PMT）、硬X射线探测器以及太阳敏感器，卫星总体设计部门计算分析表明，星箭分离时，硬X射线探测器以及太阳敏感器的冲击响应约为3000gn，1000～10 000Hz，超出仪器冲击环境试验条件2400gn，1000～10 000Hz，特别是硬X射线探测器内置晶体，对冲击环境十分敏感，晶体的冲击耐受条件仅为400gn，1000～10 000Hz，因此必须采取冲击防护措施。

经全面论证，阿根廷国家空间活动委员会采用了系统级冲击隔离措施，在运载火箭适配器与星箭对接面之间增加由玻璃纤维G10、不锈钢及镁合金组成的多层垫片，如图1所示，期望利用3.3节原理，即依靠传递路径中的不连续结构降低分离冲击的幅值，阿根廷国家空间活动委员利用SAC-B 卫星的结构星与飞行状态的有效载荷适配器联合开展了两次火工装置分离试验，试验结果表明，在冲击载荷传递路径结构界面之间增加连接环节后，有效地衰减了分离冲击载荷，火工冲击载荷至少减小了80%，例如太阳敏感器的冲击响应谱如图2所示，解决了SAC-B卫星冲击敏感仪器冲击响应过大问题，缓冲方案没有改变卫星和运载火箭适配器构型，卫星刚度和重量增加满足运载火箭要求。

文献［24］指出利用航天器系统级冲击隔离系统能够有效衰减运载火箭产生的冲击环境载荷，航天器系统级冲击隔离系统（Whole-spacecraft Shock Isolation Systems）安装在航天器和运载火箭有效载荷适配器之间，又称为冲击环隔离系统（Shock Ring Isolation Systems），如图3所示，安装位置还有3种方案，在运载火箭有效载荷适配器（PAF）上端面、在PAF下端面或集成在PAF内部。

图1 SAC-B系统级缓冲措施Fig.1 SAC-B satellite shock absorber system

图2 使用缓冲措施后太阳敏感器位置的火工冲击响应Fig.2 SRS of solar sensor after using shock reduction

图3 航天器系统级冲击隔离系统安装位置示意Fig.3 Illustration of isolation system fixing position

美国CAS公司已取得该航天器系统级冲击隔离系统专利，冲击隔离系统为一连续的薄壁环形结构（图3），由一系列大阻尼褶皱结构材料构成，主要用于衰减运载火箭整流罩分离冲击载荷、航天器与运载火箭分离冲击载荷和运载火箭级间分离和发动机关机冲击载荷等，其中航天器与运载火箭分离冲击载荷对航天器影响最大。

文献［25］指出冲击环隔离系统质量约3kg，美国的猎鹰卫星-3（FalconSAT-3）的结构星利用该冲击环隔离系统开展了鉴定级分离冲击试验，如图4所示，冲击信号加速度测点分别安装在冲击环隔离系统上下两侧，分离冲击试验加速度时域信号及冲击响应谱（SRS）结果如图5所示。

由FalconSAT-3卫星的分离冲击试验结果可知，冲击环隔离系统能够在轴向和横向有效地衰减运载火箭产生的分离冲击载荷。2002年，NASA 在沃洛普斯飞行中心（Wallops Flight Facility）开展了冲击环隔离系统飞行试验，飞行试验结果也表明冲击环隔离系统大幅度地衰减了运载火箭产生的轴向和横向分离冲击载荷。

图4 冲击环隔离系统系统级分离冲击试验Fig.4 System separation shock test with shock ring

图5 分离冲击试验加速度时域信号及冲击谱SRS结果Fig.5 Time history and SRS of separation shock test acceleration response

4.2 部件级火工冲击载荷防护措施应用现状

4.2.1 冲击载荷传递路径结构界面之间增加连接环节

火工冲击载荷产生的应力波在传递过程中遇到连接环节（如铆接、螺接、胶接等）或者间断的界面时，应力波会被折射、反射或吸收，从而实现敏感缓冲防护。1972年，Martin Marietta公司的S.Barrett 和W.J.Kacena在连接界面之间增加不同垫片组合的减冲效果进行了原理性研究和试验［20］，如图6所示，并在安装螺钉处使用多层垫圈隔离安装支架，试验结果表明：连接界面之间直接机械连接在整个频段上能对冲击衰减大约30%，不同过渡组合（金属垫片、硬非金属垫片、软非金属垫片、非金属垫片的组合）对冲击载荷的衰减效果不同，连接界面之间增加不同垫片对冲击载荷的高频部分衰减有效，对1500Hz以下冲击载荷几乎不起衰减作用，铅是唯一使用具有良好缓冲效果的金属填充材料。S.Barrett在冲击载荷传递路径上的连接界面之间增加垫片进行缓冲的研究成果，成为近40年来航天器开展部件级火工冲击载荷防护应用研究工作的基础。

2002年，Tom Irvine给出了典型的电子仪器冲击隔离方案［26］，如图7所示，利用金属网孔材料、金属弹簧钢丝垫或者硅橡胶组成冲击载荷吸收装置，将电子仪器火工冲击响应的动能快速转化为载荷吸收装置的变形能，再缓慢地耗散掉。

图6 在连接界面之间增加缓冲垫片Fig.6 Insert washers between interfaces

图7 航天器部件火工冲击典型防护方案Fig.7 Typical instrument of spacecraft shock reduction

2001年，J.Gomez Garcia总结了在NASA 和欧洲航空航天防务公司（EADS）航天器设计部门常用的航天器部件火工冲击防护方案［27］，如图8所示，其原理是利用硅橡胶和金属垫片，调整冲击载荷传递路径界面刚度，实现冲击载荷的隔离。其中EADS的航天器部件火工冲击防护方案在阿里安-5（Ariane-5）火箭，特别是Cyrogenic上面级的火工冲击防护中得到大量应用并取得良好效果。

图8 NASA 和EADS常用的航天器部件火工冲击防护方案Fig.8 Typical design of pyrotechnic shock protection design for NASA and EADS

值得关注的是文献［27］试验研究表明，火工冲击载荷对航天器敏感仪器所产生的基础激励，利用冲击响应谱（SRS）数据开展防护设计相对比较保守，建议利用时域冲击响应历程信号作为计算分析航天器敏感仪器响应的输入条件。

1984年，NASA 马歇尔航天中心（MSFC）的James Lee Smith试验研究结果表明［28］，在冲击载荷传递路径上的连接界面之间增加复杂结构过渡环节，过渡环节会反射冲击载荷产生的应力波，当过渡环节由两种或者三种材料组成时，过渡环节会提升缓冲能力。

2010年，美国雷神公司（Raytheon）的Peter H.V.等设计了上述用于连接界面之间的复杂结构过渡环节［29］，如图9所示，已取得美国专利，利用具有Z形支架将仪器设备和冲击源之间连接为一体，利用复杂过渡结构延长冲击波传递路径同时反射冲击波，最终有效衰减冲击载荷。

图9 Z形支架冲击防护安装支架Fig.9 Z-leg shock isolator

4.2.2 火工冲击载荷吸收装置

20世纪70年代以来，对用于耗散碰撞动能（或爆炸效应）等的吸能材料和载荷吸收结构的研发得到加强，在汽车、航空航天和军事工业方面尤其突出。载荷能量吸收结构设计的普遍原则，是要以可控制的方式耗散外部输入的载荷，其基本原理包括不可逆的载荷转换、峰值有限及尽可能恒定的反作用力、较长的行程、稳定和可重复的变形模式、质量小及载荷吸收率高、低成本和容易安装等［30］。常用的吸能材料或结构包括圆环、轴向压溃的圆管或方管、多胞材料等，典型压溃圆管吸能装置如图10所示。吸能结构在载荷作用下绕内部塑性铰发生塑性变形，吸收载荷，可以根据需要设计塑性铰的位置，或填充泡沫等材料，所吸收的载荷比可以定量计算。

依靠自身发生变形吸收冲击载荷的吸能系统不能保证仪器设备的安装精度，且在航天器火工冲击远场环境达不到吸能结构的失效强度值，因而变形的吸能防护系统一般使用于火工分离装置内部的缓冲设计，通过变形、压溃等方式减小冲击源输出。对于结构刚度、安装精度及强度要求高的部位则不能采用载荷吸收方式。

图10 典型压溃圆管吸能装置Fig.10 Typical tube energy absorbing system

4.2.3 新型火工冲击载荷吸收装置

近年来，金属记忆合金制作的金属橡胶垫片研究应用广泛，记忆合金的超弹性能够吸收冲击载荷，同时垫片起到冲击载荷隔离作用，可安全使用于航天器。2010年Se-Hyun Youn 等使用镍钛记忆合金金属丝挤压成型缓冲垫片［31］，如图11所示。2011年，Se-Hyun Youn等使用记忆合金研制出复合三向缓冲垫片［32］。国内金属橡胶研究应用最广泛，2002年，李宇明等对比分析了炮用金属橡胶与橡胶缓冲件的性能，指出金属橡胶材料在耐高温、低温，抗冲击和工作寿命方面大大优越于普通橡胶，适合应用于航天领域［33］。2012年，金鸣等进行了金属橡胶减振器振动及冲击特性实验研究，指出金属橡胶具有软特性，与金属弹簧结合阻尼效果更好［34］。

图11 记忆合金金属丝缓冲垫片Fig.11 SMA shock washer isolators

5 对我国航天器火工冲击环境防护技术应用的建议

在航天器火工冲击环境防护技术研究工作中，对航天器火工冲击环境的试验模拟、环境条件和试验技术的研究一直是国内外研究的重点［8］，试验方法主要有MIL-STD-810G 标准，试验标准主要有NASA-STD-7003标准以及我国GJB2205-1994 和GJB2497-1995标准，冲击载荷缓冲与隔离技术的应用研究也较多，例如文献［20］和［24］分别从系统级和部组件两个层次开展冲击防护工作，而对火工冲击防护计算仿真以及防护装置的量化设计相对十分薄弱，其主要原因是航天器火工冲击环境是一种复杂的震荡性爆炸冲击环境，冲击的加速度响应时间历程一般会剧烈震荡，引起航天器高频冲击响应，过去国内外均不具备成熟有效的计算软件，因此工程上对试验具有强烈的依赖性，甚至反映到国内外相关环境试验标准中。

但是，目前一些商业动力学计算软件已比较成熟，例如ANSYS／LS-DYNA 已可以进行火工冲击相关的仿真计算，中国工程物理研究院的王军平利用ANSYS／LS-DYNA 完成了点式火工分离装置冲击载荷作用机制的数值模拟［9］，计算结果及主要结论与Hi-SHEAR 公司的SN-9400及SN-9500系列低冲击分离螺母的试验结果及结论基本一致。中国运载火箭研究院的任怀宇利用ANSYS／LS-DYNA完成了黏弹阻尼减振在导弹隔离冲击结构中的数值模拟［18］，在数值仿真的基础上设计了隔冲击支架结构，经飞行靶试多次考核，隔离冲击支架结构取得了满意的使用效果。

因此，开展航天器火工冲击环境防护技术研究应以航天器火工冲击响应数值仿真为主线，主要包括以下几个方面：

1）航天器火工冲击载荷机制与仿真研究

通过对火工冲击装置动作机制与仿真进行研究，从源头上为降低火工冲击的强度提供依据，解决火工冲击环境预示没有准确外力函数输入的问题。研究内容包括航天器火工冲击源特征及其与火工装置的关联研究，火工冲击装置建模与简化方法研究，火工装置模型有效性验证与应用研究等，并在此基础上开展低冲击分离装置研制。

2）火工冲击载荷传递理论与仿真分析方法研究

国内对火工冲击载荷在高强度、高模量、轻质航天器结构中的传递机理及仿真分析，尚未开展系统的研究工作，通过火工装置-航天器结构一体化动力学建模及模型修正，利用试验数据进行模型修正及准确性验证，解决目前冲击防护方案设计主要靠经验且对缓冲效果无法事前评估的困境。

3）航天器火工冲击减缓机理与防护优化研究

根据国外标准，冲击波会随距离衰减，转角、集中质量、复杂结构、多层间断面可以增加火工冲击载荷的衰减，这些定性的结论对防护优化设计有一定指导作用，但国内并未开展定量的缓冲效果数值仿真计算，刚度阻尼、质量、体积等因素的影响也尚未明确，需要借助仿真优化设计及试验。同时，国内应研发具有一定的普适性的防护方案，形成指导性规范，以便能够快速应用于新型航天器的研制。

4）航天器火工冲击环境防护试验验证方法研究

为了准确地对航天器承受火工冲击环境的能力进行考核，同时制定航天器部组件冲击试验条件，需要对航天器整体进行鉴定冲击试验。如果试验使用真实火工装置进行模拟，虽然产生的冲击环境较为真实，但火工品价格昂贵，生产周期长，因而亟待开展替代方案的研究，如欧洲阿里安-5火箭使用冲击载荷生成单元（Shock Generation Unit，SHOGUN）进行火工冲击试验，相比真实的火工分离装置，减少了不确定因素的影响，能更好地包络航天器经历的火工冲击环境［35］。国内高量级火工冲击环境模拟不准确，缺少冲击源模型及冲击传递机理模型试验验证方法，未来应加大投入开展相关研究工作。

5）航天器火工冲击环境试验条件研究

为了对所有火工冲击敏感仪器进行冲击环境试验考核，必须对冲击环境作定量的描述，并解决如何制定合理的冲击环境试验条件的问题。航天器力学环境预示结果是掌握航天器的动态特性、制定航天器及其组件力学环境试验条件的依据之一［36］，因此，总体设计部门必须开展火工装置-航天器一体化火工冲击动力学仿真计算，结合相关试验数据，制定合理的冲击环境试验条件。

6 结束语

开展航天器火工冲击环境防护工作，首先要降低爆炸源的冲击量级。航天器火工装置设计部门必须优化火工装置的引燃火药和引爆炸药的药型和药量，合理控制航天器火工装置预紧力，研制超低冲击或无冲击火工装置是今后航天器火工装置发展的方向。

我国航天器总体设计部门，应该使用成熟商业动力学计算软件，以航天器火工冲击响应数值模拟为主线，建立火工装置-航天器一体化动力学模型，在100～10 000Hz频段范围内开展航天器抗火工冲击环境设计工作。重点攻关的方向是研发在火工冲击载荷传递路径中采取载荷隔离和载荷吸收装置，如缓冲装置和减振支架等措施。航天器分系统研制单位必须开展航天器冲击敏感仪器抗火工冲击环境载荷设计工作，以提高产品对火工冲击环境的适应能力。

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