航天器冲击响应谱试验模拟方法概述

高文硕，朱子宏，沈志强，郭健龙，姜 强

（北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点试验室，北京 100094）

航天器冲击响应谱试验模拟方法概述

高文硕，朱子宏，沈志强，郭健龙，姜 强

（北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点试验室，北京 100094）

文章介绍了航天器冲击谱模拟试验技术的发展过程，对目前国内外应用较广的各类冲击试验方法进行了整理和分类，从典型脉冲模拟技术，振动试验系统模拟技术，机械碰撞模拟技术和火工品装置模拟技术四个主要方面，对各类冲击技术的特点及实现方式进行了着重的分析。通过对各方法的优缺点和适用范围进行比较，给经受不同冲击环境的航天器进行试验方法选择时提供了参考。

航天器；冲击响应谱

引言

航天器产品的在研制过程、运输和飞行过程中，其产品结构及星载的仪器设备可能会经历由于产品运输引起的运输冲击、由于星箭分离和火工品解锁引起的爆炸分离冲击等各种冲击时间历程载荷。由于爆炸冲击载荷具有作用时间短、量级高的特点，可能会对航天产品的结构和性能造成重大损伤，甚至是损坏，因此有必要研究航天器产品在冲击载荷下的可靠性验证，航天器产品在冲击载荷作用下的可靠性分析主要是通过地面模拟冲击试验来完成的。

而目前工程上遇到的冲击环境绝大多数以复杂的振荡波形为主。其主要特点为：①冲击作用时间短，一般小于20 ms；②冲击加速度量级高，目前航天器上的产品通常要求加速度达到1 000～4 000 g，甚至有些产品达到8 000～10 000g；③频率高和频带宽，通常要求在100 ～5 000 Hz。根据这样的环境要求，工程上提出了冲击响应谱（SRS）概念，典型冲击响应谱如图1所示。但是由于冲击响应谱缺少相位信息，同一个冲击响应谱可以通过无数个冲击波形得到。某个冲击谱条件可以与很多个时间历程对应，不存在唯一性。因此用不同方法进行航天器产品的冲击试验将会产生不同的效果[1]。本文将针对冲击响应谱几种不同模拟方法进行介绍，归纳比较各种方法之间的优缺点及适用范围，根据航天器产品的实际工作环境和模拟要求，并给出选用的指导意见。

1 冲击响应谱试验技术发展

上世纪60年代，国外开始高度重视冲击响应谱试验技术。冲击响应谱模拟试验技术研究早期主要是利用跌落或摆锤式冲击试验装置进行模拟，这种方法是将谐振装置安装在一个刚性台面周围，通过撞击刚性台面，产生一个具有衰减波形响应的反复震荡。之后，在谐振响应方法的基础上，逐渐提出了利用谐振结构的固有模态的谐振响应进行冲击响应谱模拟，可以通过调整谐振结构的固有模态特性和品质因子等特性实现了冲击响应谱的拐点频率和响应量级在一定范围内可调。冲击响应谱模拟技术随着振动台技术和振动试验控制技术的发展，也可以在振动台上进行这种复杂振荡衰减波形的模拟。自上世纪90年代，国内外相关标准纷纷对冲击响应谱试验进行规范，例如：NASA—STD.7003、NASA—HDBK.7005、MIL．STD一810F和GJB一150A等技术标准都对冲击响应谱模拟试验技术进行了规定，对技术的推广和发展起到了重要作用[2]。

本文着重介绍冲击响应谱试验技术发展的现状和趋势，对典型脉冲模拟技术，振动台模拟技术，机械碰撞模拟技术，火工品装置模拟技术等四种方法进行总结和对比分析。

2 冲击响应谱模拟试验方法

对于典型脉冲模拟技术，振动台模拟技术，机械碰撞模拟试验技术和火工品装置模拟技术，这几种冲击响应谱模拟试验方法的模拟能力和适用范围都存在较大的差异。在选用试验方法时，应根据航天器产品所经历的冲击环境、频率分布和冲击量级的区别，选择最合适的试验方法进行模拟试验。

2．1 典型脉冲模拟技术

典型脉冲模拟技术是指采用冲击谱包络的方法，将复杂的振荡型冲击转换为典型脉冲进行试验模拟技术。

典型脉冲模拟爆炸分离冲击环境，可以采用传统的跌落式冲击台完成，其优点是方法简单，容易实现，而且成本较低。但是这种方法具有一定的局限性，单个脉冲与复杂振荡型冲击的作用原理存在较大的差别，单脉冲对产品的结构特性影响较大，而复杂振荡冲击则更多的影响产品的电测性能。用单脉冲模拟复杂振荡型冲击，往往在低频段考核“过试验”，而在高频段则会“欠试验”，也就是说单脉冲试验对产品的考核失真[3]。

由于以上这些原因，近年在航天器产品的冲击试验中已经很少采用典型脉冲模拟方法。

2．2 振动台模拟冲击响应谱技术

振动台模拟冲击响应谱技术是振动控制系统利用功率放大器驱动振动台台体输出满足要求的振荡衰减冲击，对产品实施考核，其原理如图2所示。振动台控制系统的波形再现技术主要针对的是以低频成分为主的冲击波形，可以振动台上实现冲击时间历程的模拟[4]。

图1 典型冲击响应谱图

图2 振动试验系统控制原理示意图

利用振动台进行冲击响应谱的模拟方法已经发展了近40年，方法成熟且应用广泛，采用振动台进行冲击响应谱模拟试验的优点是成本低、投入少，可以减少试验设备及经费的投入，缩短了试验的周期，而且振动台模拟冲击试验的自动化程度高，具有较好的可控性和重复性。但是这种方法受振动台推力、位移等参数的限制，瞬态作用时间很难控制在20 ms以内，尤其是对于大质量试件、高谱值条件的试验很难完成。受到振动台频率范围（3 KHz以下）的限制，因此振动台系统主要用来进行产品要求的冲击量级低，频率范围窄的试验模拟。

2．3 机械式碰撞模拟技术

工程上经常使用机械撞击式模拟冲击响应谱的方法进行较高量级的冲击响应谱模拟，该方法原理是用一个集中质量块撞击一个谐振响应结构，使被撞谐振装置产生类似与爆炸冲击的冲击响应谱。该方法常见的模拟设备有：摆锤冲击台、跌落冲击台，气动冲击台和谐振板模拟设备等。以下将从这几个方面进行机械式碰撞模拟技术的介绍和分析。

2.3.1 跌落式冲击

跌落式碰撞冲击台试验时，试件通过夹具安装在台面和基座之间，夹具两端各安装一组弹性阻尼装置，构成一个多自由度的弹簧-质量系统。如图3所示，通过调整弹性阻尼装置的刚度和阻尼特性，跌落高度（撞击速度和能量）和台面与夹具的质量比，获得满足要求的冲击响应谱模拟曲线。

通过该方法产生的振荡型脉冲时间历程曲线与实际的爆炸分离冲击相类似，试验时，可以根据试验要求，结合试验调试经验，调整有关调试参数，获得理想的冲击谱形，而且重复性较好。缺点是收到设备能力和能量的限制，进行试验的产品的尺寸和质量受到限制，不适用于大型产品的试验模拟，可进行部、组件产品的冲击响应谱试验模拟[5]。

2.3.2 摆锤式冲击

摆锤式冲击与跌落式冲击类似，都属于传统的机械式碰撞冲击设备，在模拟冲击响应谱试验过程中，摆锤式冲击应用更广泛。试验时，试件安装在台面上，谐振台面前后分别通过波形发生垫与刚性连接件作用，由此构成一个双自由度弹簧-质量系统，试验时摆锤提升到一定高度，落下锤头撞击台面一侧的刚性连接面，谐振台面在此载荷下产生类似爆炸冲击的振荡衰减的时间历程曲线。对此种方法，北京卫星环境工程研究所进行了大量的试验研究，结果表明对一个确定的摆锤冲击试验系统来说，影响摆锤冲击试验的因素有三个，摆锤提升角度（主要调节速度、能量），波形发生器的刚度（调整拐点频率），试验件与夹具组合体的装夹方式等[6，7]。

该方法的优点也是冲击响应谱形具有一定的可控性和重复性，适合用于中小型产品的试验，不适用于大型产品的冲击响应谱模拟。

2.3.3 气动式冲击

图3 跌落式冲击台示意图

图4 摆锤冲击试验台

气动式冲击按能量传递方式和摆锤式冲击类似，是一种新型的机械式冲击响应谱模拟设备，原理上都是通过给质量块加速，让其撞击响应装置产生要求的冲击环境。跟跌落和摆锤式冲击利用重力加速不同的是，气动式冲击推动质量块运动的是气压，通过控制气压来实现对质量块速度的控制，能够获得更大的速度和冲击能量[8]。当前研制的航天器单机产品，大多数均要求进行冲击响应谱试验，试验量级普遍要求1 000～2 000 g，有些型号产品的试验量级甚至超过3 000 g。对于较大质量产品（如50 kg以上）高量级的冲击试验，振动台、传统的摆锤式冲击或跌落式冲击试验台均很难满足相关要求。2013年，北京卫星环境工程研究所研制的基于气动式水平向气动冲击响应谱模拟试验系统能够实现台面尺寸1.25 m×1.25 m，负载2 000 kg，冲击响应谱8 000 g的试验模拟，当减小台面到600 mm×600 mm时，可实现冲击响应谱20 000 g的试验模拟，极大地推动了冲击响应谱模拟试验技术的发展。

2.3.4 谐振装置技术

还有一种机械碰撞式冲击装置试利用谐振板（梁）或谐振夹具的装置，它的主要想法是利用撞击激起装置的固有频率，从而使其产生与要求的冲击响应谱类似的响应曲线，通常情况下，谐振杆装置应有足够的刚度和质量，使其免于受到安装其上的试件本身特性影响[9]。

谐振梁和谐振板的基本原理是相似的，均是利用谐振结构在一定频率范围内的弯曲模态响应，根据固有模态的放大效应实现对试件的冲击响应谱加载，如图6所示为梁式谐振装置，该装置是对试件进行侧向冲击。试验装置尺寸的选择应使其基频与给定试验冲击谱的峰值频率对应，为了使装置的基频能够被激励，撞击产生的脉冲载荷持续时间应近似等于基频周期的一半。用这种装置获得的冲击谱曲线在2 000 Hz可达18 000 g。

当规定冲击谱试验条件与单自由度系统响应曲线很相近时，用上述的谐振装置比较适用，可以用该响应曲线模拟所要求的试验条件。2015年，北京卫星环境工程研究所沈志强等人，利用谐振台面安装在16 t振动台上，将振动台最大冲击试验量级由原来的1 000 g，提升至2 000 g，极大的提高了振动台冲击试验能力[10]。

利用谐振装置进行冲击响应谱试验模拟时，可以利用有限元数值仿真技术进行谐振装置的设计，经过优化设计，得到满足冲击响应谱模拟试验的最优结构。谐振装置可以根据需要，为受试产品设计专用谐振装置，具有简单易行的特点。

2．4 火工品爆炸模拟技术

火工品爆炸冲击模拟技术是利用火工品爆炸产生冲击环境。系统级试验和正式部段分离试验时，一般采用真实的火工品爆炸模拟方法。这种方法的特点是能够真实地模拟航天产品实际飞行中经受的火工品爆炸冲击环境，但是，由于其试验量级不可控，模拟量级与真实量级之间缺乏余量，有些产品结构在试验过程中可能出现不可恢复的损坏，增加了试验费用和试验周期。因此，利用火工品爆炸模拟方法进行部、组件产品的冲击环境试验时，通常采用结构件代替正样产品进行冲击环境，获取试验数据。在实际应用中，将受试产品安装在具有谐振响应的响应板合适的位置，然后将火工品安装在响应板的背面或侧面，起爆火工品激励响应板使之产生类似爆炸冲击环境振荡衰减脉冲。通过调整响应板的设计参数、产品的安装位置、火工品的分布形式和用量（激励力的位置和激励力的大小）等，获得满足要求的冲击响应谱载荷模拟。通过火工品爆炸的方法可以获得量级超过100 000 g、主要频率分布高于10 kHz的冲击响应谱载荷。

图5 气动冲击响应谱模拟试验系统

图6 机械碰撞冲击的谐振装置

表1 各种冲击响应谱模拟方法比较

火工品爆炸模拟技术的优点是能够真实的再现航天器爆炸冲击环境，具有高量级的冲击载荷特点，加载方向具有多维的属性，不用单独完成产品正交的三个方向冲击试验模拟；缺点是试验成本高、试验结果重复性差、试验模拟曲线的可控性差，并具在火工品爆炸的过程具有一定的危险性[11，12]。

3 结论

本文对冲击响应谱的模拟试验方法进行了全面的总结和分析，并且介绍了各个方法的优缺点和适用范围。总结如表1所示。

目前尚没有一种冲击试验方法能够完全替代真实的冲击试验过程。需要不断的研究和改进，期待研究出更好的，可控性好的冲击试验方法。

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Summarization of Simulation Test Methods for Spacecraft Shock Response Spectrum

GAO Wen-shuo, ZHU Zi-hong, SHEN Zhi-qiang，GUO Jian-long，JIANG Qiang
(Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China)

This paper introduces the development process of the shock response spectrum simulation test technology of spacecraft, sorts and classifies all kinds of impact test methods which are widely used both at home and abroad, then mainly talked about the characteristics and different operation ways of all impact technology from the four main aspects :typical pulse simulation technology, simulation technology of vibration testing system, mechanical collision simulation technology and pyrotechnics device simulation technology. By comparing the advantages and disadvantages of each method and its applicable range, the paper provided reference for the selection of test methods for spacecraft in different impact environments.

spacecraft；shock response spectrum

V416.2

A

1004-7204(2017)04-0060-05

高文硕,男动力学环境试验技术研究。

朱子宏,男，高级工程师，从事动力学环境试验技术研究。