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重點實驗室，上海 201109；3. 探月與航天工程中心，北京 100190）

引 言

沖擊環(huán)境是航天產品必須經受的環(huán)境之一，沖擊響應譜試驗已經成為大多數(shù)航天產品必做的力學環(huán)境試驗項目之一。GJB150A技術標準中對沖擊響應譜（Shock Response Spectrum，SRS）模擬試驗技術進行了規(guī)定，祝耀昌對該標準中有關沖擊部分進行了詳細的解釋，文中指出：“沖擊試驗是一種瞬態(tài)過程。因此，在結構或性能未發(fā)生永久性變化（即未出現(xiàn)“硬故障”）時，評價沖擊試驗對設備性能或完整性的影響是很困難的”[1]。單機內部器件也需要經過沖擊考核試驗，GJB548B和GJB360B分別對微電子器件和電子及電氣元件的沖擊試驗做了規(guī)定。

我國首次火星探測任務采用“長征5號”運載火箭發(fā)射，器箭分離采用12發(fā)F18A火攻品解鎖，初樣階段采用結構熱控器與運載支架進行器箭分離試驗，試驗測試沖擊加速度響應較大，分離面最大響應達到8 600 g，單機安裝面最大響應達到了近3 000 g，超過了單機的初樣可靠性試驗條件。正樣單機根據(jù)修正后的沖擊條件開展了減沖擊設計及試驗工作，有單機不加任何減沖方式通過考核，也有單機增加了減沖措施后通過考核，限于篇幅，本文不詳細展開修正單機沖擊條件、減沖擊設計及沖擊試驗的過程。單機按照修正后的沖擊條件完成沖擊試驗考核后，存在以下2個問題需要回答：①可靠性是否下降？②沖擊試驗前后單機電性能指標測試正常，是否可以表明單機的可靠性不受影響？

本文針對上述問題，采用可靠性強度/應力模型對單機的沖擊響應譜與廠家給定的器件的半正弦波沖擊指標進行了比較分析，從試驗和分析兩方面表明正樣單機的可靠性滿足要求，經受過沖擊考核的單機可靠性沒有下降。

1 沖擊響應譜和半正弦脈沖的定義

1.1 爆炸分離沖擊的特點

GJB150A.27中對爆炸分離沖擊的特點作了說明，主要有：①高頻率、寬頻帶（100 Hz～1 000 KHz）；②結構響應加速度大、但速度和位移?。虎鄢掷m(xù)時間短（＜ 20 ms）；④時間歷程是隨機的，重復性差等；⑤結構上各點響應受結構不連續(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構的傳遞路徑，典型的航天結構上爆炸分離沖擊響應峰值時間歷程與沖擊源距離的關系見圖1。

圖1 爆炸分離沖擊時間歷程峰值與沖擊源距離的關系Fig.1 The relationship between explode separation impaction time history peak value and impaction origin distance

1.2 沖擊響應譜及半正弦標準脈沖

沖擊響應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)受到沖擊所產生的最大響應與系統(tǒng)頻率的關系曲線[2]。沖擊響應譜反映的是線性單自由度系統(tǒng)固有頻率與系統(tǒng)受到沖擊時所產生的最大響應之間的關系，其間不包含激勵與響應之間的相位信息。但是由于沖擊響應譜缺少相位信息，同一個沖擊響應譜可以通過無數(shù)個沖擊波形得到。某個沖擊譜條件可以與很多個時間歷程對應，不存在唯一性。因此用不同方法進行航天器產品的沖擊試驗將會產生不同的效果[3]。

半正弦標準脈沖是采用簡單的采用標準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)的跌落式沖擊機完成，具有簡便、易行、成本低的優(yōu)點。

典型的沖擊響應譜與半正弦脈沖如圖2和圖3所示。

圖2 沖擊響應譜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

1.3 沖擊響應譜及半正弦脈沖的區(qū)別

當前航天器單機級產品主要采用沖擊響應考核單機設備的抗沖擊性能，主要依據(jù)標準為GJB150A.27。而單機內部的電子元器件主要采用半正弦標準脈沖進行器件的沖擊考核，主要依據(jù)標準為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，單個脈沖與復雜振蕩型沖擊的作用原理存在較大的差別，單脈沖對產品的結構特性影響較大，而復雜振蕩沖擊則更多地影響產品的電測性能。用單脈沖模擬復雜振蕩型沖擊，往往在低頻段考核“過試驗”，而在高頻段則會“欠試驗”，也就是說單脈沖試驗對產品的考核失真[3-4]。

2 單機減沖擊試驗

火星探測器在器箭分離試驗后，對計算機、驅動控制器、飛輪等單機根據(jù)修正后的沖擊試驗條件開展了減沖設計及試驗驗證工作。以計算機為例，修正后計算機的沖擊響應譜條件見表1～2。

先采用計算機工藝件和計算機電性件進行沖擊試驗摸底，最后采用計算機鑒定件通過了沖擊試驗考核。類似驅動控制器和反作用飛輪也是先進行沖擊摸底試驗后，在有減沖措施情況下完成了各自沖擊試驗考核。

沖擊試驗考核后，各單機的電性能測試正常，X光檢測結果表明無裂紋。但有以下兩個問題需解決：如何評價單機在經過這樣高量級沖擊條件考核后，可靠性不受影響？單機電性能測試結果正常，是否表明經過沖擊試驗后內部元器件沒有損傷，單機可靠性沒有下降？本文在第3節(jié)給出了評價方法。

表1 原計算機沖擊響應譜條件Table 1 SRS of computers

表2 修正后的計算機沖擊響應譜條件Table 2 Modified SRS of computers

3 評價方法

首先評價單機經過高量級沖擊條件考核后的單機可靠性是否下降未見可行的理論方法，而且工程上也曾經發(fā)生過單機通過沖擊試驗考核后，在整星火工品解鎖試驗中沖擊響應過大導致單機內部元器件損壞致單機功能失效的問題。另外限于探測器一種單機數(shù)量僅有工藝件或結構熱控件、電性件、鑒定件等幾臺，可靠性樣本少，單機沖擊試驗時內部布置沖擊測點困難，即便布置測點，也很難測到單機內部元器件的最大沖擊響應，因此直接用單機內部測點的沖擊響應與單機的沖擊閾值相比方法不可行。

本文采用可靠性強度/應力模型，將元器件的半正弦波沖擊指標視為強度，單機的沖擊條件視為應力，如果應力不超過強度，那么認為單機可靠性不受影響，這種方法忽略了從單機安裝面到元器件安裝點沖擊響應的衰減，安全裕度高。但這種方法帶來一個新的問題：探測器單機按照GJB150A.27采用沖擊響應譜開展沖擊試驗，沖擊響應譜輸入界面為單機的安裝面，而單機內部電子元器件采用的是半正弦脈沖進行沖擊試驗，參照標準為GJB548B或GJB360B，二者無法直接相比，必須經過轉換后才能對比。

3.1 沖擊響應譜轉換方法

半正弦波條件常用于元器件沖擊試驗，而響應譜條件常用于單機或整機試驗，本文根據(jù)單機的響應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相比。沖擊響應譜試驗技術是以等效損傷原則為依據(jù)，參考沖擊響應譜，采用合成小波等方法構造滿足沖擊譜條件的瞬態(tài)波形以模擬復雜的沖擊環(huán)境[5]。沖擊響應譜的計算方法采用改進的遞歸數(shù)字濾波法[5-7]，該方法由Smallwood提出，計算方法如下：

設單自由度系統(tǒng)基礎加速度輸入U（t）的采樣值為Uk，k= 0，1，…，N。單自由度系統(tǒng)的絕對加速度響應為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)。

利用該方法將單機的沖擊響應譜反推變換成半正弦波與單機內部器件的半正弦波沖擊指標進行比較。

3.2 轉換結果比較

以計算機的沖擊響應譜為例，起始頻率100 Hz，拐點頻率為1 500 Hz，等沖區(qū)為1 700 g，其經過計算對應的半正弦波形應為幅值A = 1 259 g，0.3 ms的半正弦波形。計算機上器件眾多，器件的沖擊響應指標多數(shù)是100 g/6 ms，二者比較如圖4所示。

圖4 正弦波形對比Fig.4 Sine wave comparison

兩者相比加速度峰值增加了約12.6倍，沖擊時間縮短了20倍，二者無法直接相比，針對這種情況，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行比較。兩個正弦波形的面積比相當于兩種波形的沖擊速度比，計算得到沖擊輸入速度比 = 0.240 6/0.381 9 =0.63，沖擊速度再對時間積分可以得到兩種波形的沖擊位移比為0.027 6。

通過計算不同的單機除了計算機的一個振蕩器以外，其它器件的半正弦波沖擊條件與單機沖擊響應譜轉化后的沖擊波形相比沖擊速度小于1，沖擊位移遠小于1，應力小于強度公式，足夠安全。該振蕩器的沖擊響應條件為30 g/11 ms，該沖擊條件與單機沖擊響應譜轉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，遠小于1?？紤]沖擊從單機底面?zhèn)鬟f到該器件在PCB板上安裝位置，至少經過PCB板與單機殼體螺釘連接，按GJB150A.27附錄A“結構不連續(xù)性（如接頭和螺栓連接）可大幅衰減爆炸分離沖擊的幅值”，一般認為經過螺接面沖擊有3 dB的衰減，另外該器件經過灌封防止振動、沖擊時發(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為，裕度仍然能夠滿足要求。

4 結 論

本文針對火星探測器器箭分離試驗時單機沖擊響應較大問題，對單機開展了減沖設計及沖擊試驗，為判斷完成沖擊試驗考核后的單機可靠性是否下降，采用可靠性強度/應力，將廠家給定的單機內部器件的半正弦沖擊條件視為強度，將單機的沖擊響應譜采用遞歸數(shù)字濾波法將沖擊響應譜逆變換為半正弦波視為應力，因兩個波形在時間、和幅值上無法直接相比，對其進行一次積分后進行速度比、二次積分后進行位移比，通過速度比和位移比判斷應力和強度的大小，這種方法忽略了單機底面到器件的沖擊衰減，安全裕度較高，可以作為單機經過沖擊試驗后，可靠性是否降低的輔助評判標準，也可以作為沖擊試驗前判斷單機抗沖擊能力的評價依據(jù)。