传感器安装对爆炸冲击测试结果影响的试验研究

2022-02-07侯金瑛赫志亮张志峰

宇航总体技术 2022年6期

孙璟，侯金瑛，丁沛，李岩，赫志亮，张志峰

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京强度环境研究所，北京 100076)

0 引言

爆炸分离装置是一种兼有连接、解锁和分离功能的装置，是实现航天运输系统级间、头体、头罩、尾罩、口盖等正常分离的关键元件，是运载火箭的重要组成部分[1]。它的主要任务是在有效载体发射到预定目标位置后，使运载火箭、载人飞船和航天飞机等航天飞行器完成预定工作后的舱段与主体解锁、分离，其分离解锁的成功直接关系到空间飞行器任务的完成，以及人员与设备的安全[2]。

爆炸分离产生的高量级冲击环境是航天运载器在总装、运输、发射和飞行等全寿命周期中需要经受的严酷的力学环境之一。火工品爆炸冲击环境的频率范围为100 kHz以上，冲击量级可达100 000g[3]。严酷的冲击环境极易使航天器上各种产品中的冲击敏感元件发生损伤失效，甚至造成灾难性的飞行事故。NASA曾对1963—1985年间的所有飞行故障进行了统计，其中与冲击环境相关的故障超过63次，并且多数为灾难性故障。

近些年，随着我国航天发射任务密度的快速增长，冲击环境导致的航天产品故障多发。然而航天产品的冲击响应和测试方法都不够成熟，尤其爆炸冲击引起的加速度具有幅值高、频率带宽等特性，导致冲击响应测量难度进一步增加[4-5]。之前一些学者采用结构的动态应变、位移、速度和加速度等参数进行描述[6-7]。目前，在航天工程单位采用压阻式冲击传感器作为工程中主要测量工具之一，其冲击测量结果一方面与传感器自身性能有关[8-9]，另一方面与传感器的实际安装过程中的各因素有关。为了研究传感器安装状态对冲击测试结果的影响，本文开展了多个影响因素的试验研究，给出了各因素影响程度及后续使用建议和禁忌。

1 试验设计

利用轻气炮作为冲击加载装置[10]，T形工装竖直安装到轻气炮响应板上，两组对比传感器分别背对背安装在工装的两侧(同一个安装孔)，每组传感器通过1个安装块连接3个单向压阻式传感器分别测量3个垂直轴向的冲击响应(竖直板的上下为X，左右为Y，竖直板法向为Z)，见图1。

图1 对比试验装置

在T形工装的竖直板上直接螺接安装两个单向压阻式传感器分别作为X向和Y向标准测试结果，Z向通过转接块连接在T形工装上，作为法向测试结果对比基准。以上3个标准测试结果是经多次试验激光多普勒测振仪校准过的，典型对比见图2。傅里叶分析的高低通滤波测试信号处理方法[11]，在忽略小量级影响的情况下，可以作为对比基准。

图2 单向压阻式传感器对激光多普勒测振仪的对比图(典型)

2 冲击测试对比试验

本文分别比对了耦合剂种类、连接螺栓规格、表面粗糙度、安装力矩以及传感器安装数量等因素对测试结果的影响。

2.1 耦合剂种类的影响

理论上，当转接块(压阻式传感器安装基座)和测试件接触表面不是十分光滑时，在两者之间使用薄薄的一层耦合剂将改善高频性能。为了验证冲击试验测量中耦合剂的影响大小，分别选用硅脂(冲击测试推荐使用的耦合剂)和502胶作为耦合剂，对测点B的传感器安装块与试件的接触面进行处理后安装在T形工装竖直板上，如图3和4所示。

图3 涂抹硅脂

图4 背靠背测点安装状态示意图

在转接块和被测对象之间涂抹专用硅脂的方式将传感器安装到测点A，按不同量级进行2次对比试验，试验结果如图5和6所示。

(a)X向

在转接块和被测对象之间添加502胶作为耦合剂，进行了2次冲击对比，试验结果如图7和8所示。

(a)X向

2.2 连接螺钉规格的影响

为了研究转接块与被测对象连接螺钉规格对冲击测量的影响设计如下试验，试验状态与耦合剂种类影响一致，背对背测量如图4所示，竖直板两边分别用M5与M6的螺钉连接转接块，分别进行2次冲击对比。试验结果如图9和10所示。

5.2 防治方法：①农业防治：深翻土壤，消灭越冬蛹；及时打杈掐尖，结合整枝把嫩叶、嫩枝上的卵及幼虫一起带走烧毁或深埋，可有效地减少卵量；摘除虫果，减少幼虫转株危害。②生物防治：在棉铃虫产卵始、盛末期释放赤眼蜂，每亩冬暖大棚放蜂1.5万头，每次放蜂间隔期为3～5天，连续3～4次。③药剂防治：应掌握在百株卵量达20～30粒时开始用药，尤其在半数卵变黑时为好，可选用90%敌百虫可湿性粉剂1000倍液，或50%辛硫磷乳油1000倍液，或2.5%溴氰菊酯乳油3000倍液，或40%菊马乳油2000～3000倍液喷雾。

(a)X向

2.3 表面粗糙度的影响

为了研究被测对象与转接块的表面粗糙度对测量结果的影响，精加工一个同等材质粗糙度低(粗糙度1.6)的转接块，如图11所示，与平时使用的转接块(粗糙度6.3)进行2次背对背测试，试验状态如图4所示。试验结果如图12和13所示。

图11 转接块实物图片

(a)X向

2.4 安装力矩的影响

把转接块与被测对象的连接力矩0.3 N·m和3 N·m进行比对, 试验状态如图14所示，试验结果如图15所示。

图14 安装力矩影响试验状态图

图15 安装力矩影响对比结果

2.5 传感器安装数量的影响

2.5.1 螺接状态

为了研究测试安装状态对非主振方向测量的影响，采用图16的试验装置，重点对通过转接块安装的传感器的Y向测量结果进行了比较研究。对比试验状态分为3个：1)安装3支传感器；2)安装2支传感器；3)安装1支传感器。试验状态见图16，以T形工装的竖板侧棱上直接螺接的压阻式传感器作为标准，在工装竖直面上螺接转接块，转接块上分别连接1支、2支和3支传感器3个状态进行冲击试验。试验结果见表1。

(a)3支传感器 (b)2支传感器

表1 螺接转接块上连接不同数量传感器的测试结果表

2.5.2 焊接状态

由2.5.1节测试结果可知，将转接块与被测对象螺接测量3个方向的冲击时，非主振方向在600～5 000 Hz 测试结果比标准有所放大，为了减小甚至消除这种影响，将转接块焊接在工装上(如图17所示)，利用该工装进行比对试验。试验结果如表2所示。

图17 转接块焊接状态不同传感器数量试验状态图

表2 焊接转接块上连接不同数量传感器的测试结果表

2.6 小结

分析上述一系列比对试验可以得出以下结论：

转接块与被测对象螺接，仅连接非主振方向的1支单向压阻式传感器，在非主振方向全频段都有所放大，在600～5 000 Hz与激光测试数据和标准测试数据基本一致，5 000～10 000 Hz放大倍数≤2；转接块上连接2支和3支单向压阻式传感器时，在600～5 000 Hz测试结果比标准有所放大，最大放大倍数≤5，其余频段与标准测试结果一致。

转接块与被测对象焊接，在非主振的Y向测试结果部分频段还有所放大，放大频段由原来的600～10 000 Hz缩减到2 000～6 000 Hz，放大倍数也有所下降；转接块上其余两方向的测试结果与工装上的标准测试结果一致。