基于激光激励的火工冲击响应及其特性研究

王锡雄， 秦朝烨，丁继锋，张志研，褚福磊

(1.清华大学机械工程系，北京 100084；2. 北京空间飞行器设计总体部， 北京 100094；3.中国科学院半导体研究所全固态光源实验室， 北京 100083)

0 引 言

为实现级间分离、星箭分离及附件展开等航天任务，航天器中布置了大量的火工分离装置。这些装置工作时将不可避免地产生一种被称为火工冲击的瞬态高频冲击[1-3]。火工冲击有可能对星箭搭载的精密仪器和硬件设备造成损坏，进而导致航天任务失败[4-5]。因此为保证航天任务的顺利完成，火工冲击地面试验方法在美军标[6]和NASA标准[7-8]等标准中均有体现，是航天器发射前的重要验收试验。

从冲击机理上看，地面试验中采用真实火工品的爆炸式激励方式效果最好，能从时域与频域上较好地复现实际冲击力学环境。但是该方法成本高，重复性低，且存在一定的随机性和危险性，在实际应用中受到较大限制[1-2]。目前地面冲击试验使用最广泛的是基于机械撞击的摆锤式或空气炮激励[9]。撞击法在重复试验、安全性上比较爆炸式有较大改善，但该方法冲击时程较长，很难模拟爆炸冲击的高频瞬态特性。针对目前冲击试验激励方式的不足，韩国Kaist大学的团队在2010年提出激光激励模拟火工冲击，并进行了一系列的理论和试验分析[10-15]。该团队首先进行了单点激励冲击模拟试验，并确定了激光模拟的主要方法和调整手段。进而，从激励源类型[11]、数据分析方法[13-14]等方面实现了不同程度的突破进展，逐渐形成了成体系的研究。我国针对激光激励也进行了一些研究，如马斌山与宋亚勤等学者在MEMS应用领域分别研究了激光激励对硅悬臂梁和石英音叉的振动特性[15-16]。但针对航天分离冲击问题，现有的研究主要集中在冲击源的数值模拟[18-19]与冲击环境评估方法方面[20]，利用新型激励模式进行地面冲击试验模拟的研究十分有限，需要开展关于大尺寸典型航天结构激光激励的相关研究。现有的大部分针对激光激励的研究大都基于模拟试验的经验积累，其研究的针对性很强，目的在于通过调整激光激励的参数，使激光激励更接近真实的火工冲击激励。而激光脉冲的本身性质，如脉冲激励频率和单脉冲能量的影响，还没有相关的研究。

本文通过激光冲击试验，探究了激光激励参数对平板冲击响应的影响。试验结果对研究激光冲击激励机理分析与激光激励模拟火工冲击设备的设计，都有一定的参考价值。

1 试验原理及方法

1.1 试验原理

激光激励的原理是利用热弹性波的产生引起的结构热弹性变形。激光超声利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热应力区，从而在物体内部产生应力波(即超声波)。这种激励方式同时具备高频、瞬态激励的特点，与火工品爆炸激励的特点一致。本文参考经典的冲击试验方法，制定了激光激励试验的试验方案，设计了试验装置并进行了冲击试验。试验装置的照片如图1所示，其中，图1(a)为试验采用的激光发生器，这是一种Nd:YAG泵浦二极管固体激光器，激光波长为1024 nm，激光束的能量和激励频率可以通过控制器进行控制。由于产生激光时产生较大的热量，激光图1(b)为激光器配套的水冷装置。由于激光激励载荷较小，试验对象选择为图1(c)所示的尺寸为800 mm×800 mm×2 mm铝合金薄板的，为方便吊装自由边界，板的四个角中都打了直径20 mm的圆孔。P1、P2、P3、P4为试验设置的四个加速度计，用以测试铝板的冲击加速度响应。

1.2 试验方法

试验装置原理如图2所示，激励端采用泵浦二极管激光发生器发射激光激励平板，平板采用橡皮绳吊装实现自由边界。

E= 145.2exp(-((V-657.2)/64.85)2)+

25.45exp(-((V-548)/15.4)2)

(1)

激光器的电压/能量对应关系如式(1)和图3所示高斯拟合关系。根据此关系，可以取得典型的脉冲能量5 mJ、25 mJ、50 mJ、75 mJ、100 mJ、125 mJ及其对应输入电压值作为输入变量。在输出端，采用4个加速度传感器测量板上不同位置的冲击响应，并进行冲击响应分析与处理。试验的真实装置与传感器测点布置如图1(c)所示，从上往下分别为P1，P2，P3，P4四个测点。以板中心为零点，四个测点的位置坐标为表1所示，激光激励的位置位于P2背面，铝合金板的另一侧中心位置，坐标为(0,0)。

表1 测点坐标与距离Table 1 The coordinate value and distance of gauging points

2 试验结果与数据处理

由于激光脉冲激励属于典型的冲击载荷，具有很强的瞬态、高频特征，经典的稳态分析方法如快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform Algorithm, FFT)或功率谱密度(Power Spectral Sensity，PSD)等频谱分析方法不再适用。因此本节将分别采用适合分析时变信号的短时傅里叶(Short Time Fourier Transform, STFT)和适合分析冲击信号的冲击响应谱(Shock Response Apectrum, SRS)两种分析手段进行分析。

2.1 时频分析

采用图1所示的试验装置进行激光激励冲击模拟试验，试验中，激光脉冲的激励频率控制为[1, 3, 5, 7, 10]Hz。激光光斑直径为10 mm，面积约为78.54 mm2，脉冲能量为[5 25 50 75 100 125]mJ，单位面积能量为[0.0637, 0.3183, 0.6366, 0.9549, 1.2732, 1.5915]mJ/mm2。传感器采用Dytran公司的加速度传感器，数据采集系统的采样频率为9.7656×106Hz。以测点P2为例，激光激励时域响应为典型的冲击响应曲线如图4所示。其过程包含了短时瞬态强迫振动响应和长时自由振动衰减响应。从长时程时域信号看，冲击响应中存在周期变化的趋势，这一现象与铝板本身的模态响应有关。

从图5中所示频谱中可看出，激光冲击在整个宽频带中都有较丰富的信息。频带较宽说明激光冲击的冲击时程很短，与真实火工冲击的激励机理较为类似。进一步从时频图上可以看出，由于整体响应量级较小，整个时间域都存在低频噪声信号。而在冲击开始的瞬间(t=0.15 s)，全频段的冲击信号开始出现，而结构的动态衰减响应主要在10000 Hz以下。

2.2 响应谱分析

冲击响应谱由Biot最早提出，是一种评价火工冲击严酷程度的重要指标[21]。也是航天冲击力学中使用的标准指标，其定义如下：

(2)

不同测点冲击响应对比如图6所示，冲击响应大小与测点距离有关，距离冲击点越近，冲击响应越大。蓝色(见网站电子版)曲线为距离冲击点最近的测点P2，直接布置在激励点的背面，该点的冲击响应明显高于其他测点。这是由于冲击激励发生后，冲击响应由于薄板的内阻尼产生了能量损耗，冲击随距离增加而衰减导致。

为更好地研究系统的冲击参数特性，下一节中将结合时频分析、响应谱分析等分析手段，对整个系统进行参数试验分析，并进行结果对比。

3 结果对比与分析

试验中可控的主要参数为单个脉冲频率和单个脉冲能量，本节将主要对这两种参数影响分别开展研究。最后通过激光激励与火工冲击试验响应数据的对比，讨论激光激励模拟冲击试验的优点与不足。

3.1 脉冲频率的影响

保持激光脉冲能量不变，改变激光脉冲激励频率，观察到冲击响应的变化情况如图7所示。激光冲击响应随分析频率增加而上升，到了10000 Hz还未到达其拐点。说明在整个系统中，冲击响应表现为很强的宽频特性。在[100～10000]Hz的全频段内，都有较大的响应能量。这一现象与2.1节时频分析的结果是一致的；从冲击响应谱中无法看出冲击响应与激励频率之间的相关关系。

为了更好地描述参数响应，引入归一化变量：平均相对冲击响应系数Er和最大相对冲击响应系数Mr[22]。

(3)

式中,Er为全频率范围内的平均相对冲击响应谱系数,Mr为全频率范围内的最大相对冲击响应谱系数,Sb(f) 为基础冲击响应谱。在本算例中，以1 Hz的冲击响应谱为基础冲击响应谱，得到的结果如图8所示。

两种相对响应谱系数都在1左右波动，进一步证明了脉冲频率对系统的冲击响应影响不大。

3.2 脉冲能量的影响

如图9所示，保持激光脉冲激励频率为5 Hz不变，改变激光脉冲能量，可以观察到冲击响应随脉冲能量的增大而增大，这一规律在1000 Hz以上的高频段尤为突出。

计算其相对Er、Mr，结果如图10所示，通过平均相对冲击系数与最大相对冲击系数都可以明显地看出冲击响应随脉冲能量上升而上升，两种判据具有较好的一致性。在脉冲能量水平较低时，冲击响应增长很快；随着脉冲能量的增加，冲击响应增速明显减慢。脉冲能量与冲击响应可以用式(4)所示抛物线模型进行拟合描述。

Er≈Mr=-4.037×10-5x2+0.01103x+0.2505

(4)

式中x为单个脉冲能量，拟合结果如图10中粗实线所示。

3.3 与真实星箭分离冲击数据对比

本小节以某星箭分离冲击试验实测数据为例[23]，与激光激励试验测得冲击响应进行对比，分析其主要优势特征。由时域信号图11和冲击谱域信号图12可以看出，实测激光激励信号相对真实冲击信号很小，其峰峰值之比Ga高达717，激光冲击激励测得响应量级不到真实火工冲击量级的七百分之一。同样的在图12所示的冲击谱中可以看出，二者差别很大。

将激光激励乘以增益Ga之后在与火工冲击进行比较，可以由图13和图14看出其时域和冲击谱域都有较好的一致性。由于激光激励响应幅值较小，因此乘以增益后，噪声信号也同时得到放大，因此修正后的激光激励在整个时域存在噪声信号。在高频段，激光激励频率很高，10000 Hz以内几乎看不到频率拐点。这种高频激励的优势正是目前机械撞击式模拟方法所欠缺的。激光激励在频率带宽上具有高频特性，能够较好地复现真实冲击谱的频率特征，对研究火工冲击频率机理和复现冲击频率环境具有较大意义。但是由于其量级较小，目前的应用存在一定限制。

4 结 论

本文首先阐述了激光激励冲击源模拟方法的原理，搭建了激光激励试验台，开展了激光激励试验研究。随后，针对试验实测的信号进行了时频分析和响应谱分析，并讨论了激光激励参数对冲击响应的影响。最后，采用该方法对实测星箭分离冲击数据进行了分析，得到了以下结论：

(1)激光激励所得到的冲击响应中，含有丰富的高频成分。冲击响应幅值受激光束发射频率影响较小，而随激光脉冲能量增大而增加。

(2)激光冲击响应的响应量级远远小于真实火工冲击响应。本文试验中的参数下，激光冲击响应的量级仅为火工冲击的1/717。如何增大冲击响应量级，是激光激励方法推广与应用亟待解决的重点。

(3)由于冲击响应量级的限制，本文的研究分析主要基于近场测点；而中远场冲击响应与真实航天器结构模态有关，有待进一步研究。

[1] Lee J R, Chia C C, Kong C W. Review of pyroshock wave measurement and simulation for space systems[J]. Measurement, 2012, 45(4): 631-642.

[2] 丁继锋, 赵欣, 韩增尧. 航天器火工冲击技术研究进展[J]. 宇航学报, 2014, 35(12): 1339-1349. [Ding Ji-feng, Zhao Xin, Han Zeng-yao. Research development of spacecraft pyroshock technique[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(12): 1339-1349]

[3] 马兴瑞, 韩增尧, 邹元杰, 等. 航天器力学环境分析与条件设计研究进展[J]. 宇航学报, 2012, 33(1): 1-12. [Ma Xing-rui, Han Zeng-yao, Zou Yuan-jie, et al. Review and assessment of spacecraft mechanical environment analysis and specification determination[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(1): 1-12]

[4] Moening C J. Pyrotechnic shock flight failures[C]. Institute of environmental sciences pyrotechnic shock tutorial program, 31st Annual Technical Meeting, Las Vegas, USA, April 30-May 2, 1985.

[5] Bement L J, Schimmel M L. A manual for pyrotechnic design, development and qualification[J]. 1995.

[6] MIL-STD-810G Committee. Environmental Test Methods and Engineering Guides[S], 2009. United States Department of Defense, Washington, D.C., USA, 2008.

[7] Ryschkewitsch M G. Pyroshock test criteria[S]. NASA Technical Standard NASA-STD-7003, NASA, Washington, DC, USA, 2011.

[8] Mulville D R. Pyroshock Test Criteria, NASA Technical Standard[S]. Report NASA-STD-7003A, 2010.

[9] 丁继锋. 星箭分离缓冲设计方法及试验验证研究[J]. 强度与环境, 2016, 43(2): 17-24. [Ding Ji-feng. Shock isolation of satellite-rocket separation and its test verification[J]. Journal of Astronautics, 2016, 43(2): 17-24]

[10] Jang J K, Lee J R. Nondestructive prediction of point source pyroshock response spectra based on experimental conditioning of laser-induced shocks[J]. Optics & Laser Technology, 2014, 61: 24-33.

[11] Jang J K, Lee J R. Non-destructive visualization of linear explosive-induced Pyroshock using phase arrayed laser-induced shock in a space launcher composite[C]. 11th International Conference on Damage Assessment of Structures. Ghent, Belgium, August 24-26, 2015.

[12] William T T, Marie D D. Theory of vibration with applications[M]. Boca raton, Florida: CRC Press, 1996.

[13] Chong S Y, Lee J R, Kong C W. Shock response spectra reconstruction of pointwise explosive-induced pyroshock based on signal processing of laser shocks[J]. Shock and Vibration, 2014, 2014.

[14] Lee J R, Jang J K, Choi M, Kong C W. Visualization and simulation of a linear explosive-induced pyroshock wave using Q-switched laser and phased array transducers in a space launcher composite structure[J]. Optics & Laser Technology, 2015, 67: 12-19.

[15] Abbas S H, Jang J K, Lee J R, et al. Development of an FPGA-based multipoint laser pyroshock measurement system for explosive bolts[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(7): 073302.

[16] 马斌山, 贾书海, 张周强, 等. 激光激励下石英音叉的振动分析与测量[J]. 西安交通大学学报, 2014, 48(10): 49-53. [Ma Bing-shan, Jia Shu-hai, Zhang Zhou-qiang et al. Vibration analysis and measurement for quartz tuning fork under laser irradiation[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 43(2): 17-24]

[17] 宋亚勤. 激光激励微型硅悬臂梁的振动特性研究[J]. 力学学报, 2010 42(4): 758-764. [Song Ya-qin. Study on the vibration silicon cantilevers under laser excitation[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2010, 42(4): 758-764]

[18] 赵欣, 韩增尧, 邹元杰, 等. 一种航天器火工冲击源建模和分析方法[J]. 宇航学报, 2015, 36(10): 1210-1218. [Zhao Xin, Han Zeng-yao, Zou Yuan-jie et all. A Feasible method for modeling and analyzing the pyroshock source of spacecraft [J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(10). 1210-1218]

[19] 赵欣, 郑世贵, 韩增尧, 等. 点式分离火工冲击源仿真分析及载荷形成机理[J]. 宇航学报, 2016, 37(6): 657-663. [Zhao Xin, Zheng Shi-gui, Han Zeng-yao, et all. Numerical simulation and analysis for point separating pyroshock source and load forming mechanism[J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(6). 657-663]

[20] 杨新峰, 邹轶群, 邓卫华, 等. 航天器组件高量级冲击环境的一种评估方法[J]. 宇航学报, 2017, 38(8): 872-878. [Yang Xin-feng, Zou Zhi-qun, Deng Wei-hua, et all. An Approach to evaluate high level shock for aerospace units[J]. Journal of Astronautics, 2017, 38(8). 872-878]

[21] Thomson W. Theory of vibration with applications[M]. CRC Press, 1996.

[22] Wang X X, Qin Z Y, Ding J F, et al. Finite element modeling and pyroshock response analysis of separation nuts[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 68:380-390.

[23] 王锡雄, 秦朝烨, 丁继锋, 等. 基于离散小波分解的火工冲击数据有效性分析与校正方法[J]. 振动与冲击, 2016, 35(14): 1-6. [Wang Xi-xiong, Qin Zhao-ye, Ding Ji-feng, et all. Validation and correction of pyroshock data based on discrete wavelet decomposition[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(14). 1-6]