劉晨 張歡 朱劍濤 劉天雄

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

航天器火工沖擊環(huán)境具有高量級(jí)、寬頻帶、時(shí)間短的特點(diǎn)[1-2]，對(duì)電子產(chǎn)品破壞作用十分明顯，主要引起產(chǎn)品內(nèi)部脆性材料(如晶體、陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂材料、玻璃封裝材料)開(kāi)裂、焊點(diǎn)斷裂、繼電器和開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)和切換、微電子芯片結(jié)構(gòu)變形等[3-4]。NASA統(tǒng)計(jì)分析了1963—1985年間發(fā)射的航天器所有飛行故障，其中63次是火工沖擊環(huán)境引起，占71%[5-6]。馬歇爾航天中心統(tǒng)計(jì)分析了運(yùn)載火箭22次事故中有5次為分離系統(tǒng)引起，分離系統(tǒng)產(chǎn)生火工沖擊載荷造成含有陶瓷材料的儀器、電磁閥、繼電器開(kāi)關(guān)以及電路板發(fā)生了失效故障[7]。

為保證航天器電子產(chǎn)品對(duì)沖擊環(huán)境的適應(yīng)性，國(guó)外一般采用兩種方式：①產(chǎn)品遠(yuǎn)離沖擊源；②采用界面變剛度進(jìn)行沖擊隔離或吸收。方式一可按照文獻(xiàn)[1]的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)對(duì)沖擊隨距離的衰減情況進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而選擇產(chǎn)品安裝位置。方式二的相關(guān)研究較多，如文獻(xiàn)[8]利用硅橡膠和金屬墊片調(diào)整沖擊載荷傳遞路徑界面剛度，實(shí)現(xiàn)沖擊載荷的隔離方法；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)連接界面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而改變沖擊載荷傳遞路徑實(shí)現(xiàn)沖擊的隔離；文獻(xiàn)[10]開(kāi)展了航天器電子產(chǎn)品元器件級(jí)不同連接形式的沖擊隔離效果等。上述研究主要針對(duì)一般航天器電子產(chǎn)品開(kāi)展的系統(tǒng)級(jí)沖擊隔離研究，對(duì)于有散熱和絕緣等特殊要求的產(chǎn)品，將無(wú)法采用上述隔離措施，且上述隔離措施以試驗(yàn)驗(yàn)證為主，較少開(kāi)展系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證的。

近年來(lái)隨著航天器火工裝置使用量的增多，使得抗火工沖擊環(huán)境的問(wèn)題凸顯，國(guó)內(nèi)主要參考國(guó)外相似研究成果開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)工作[2，11-13]。航天器電子產(chǎn)品抗沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)一般憑經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)，以試驗(yàn)驗(yàn)證為主，且忽略了瞬態(tài)沖擊對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部印制電路板(PCB)的影響，不對(duì)板間封裝連接、焊點(diǎn)、敏感器件的沖擊響應(yīng)水平進(jìn)行評(píng)估，缺乏設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程對(duì)產(chǎn)品抗火工沖擊設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。為了規(guī)避火工沖擊環(huán)境對(duì)航天器電子產(chǎn)品帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了一種航天器電子產(chǎn)品抗火工沖擊設(shè)計(jì)方法，仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可有效指導(dǎo)航天器電子產(chǎn)品抗沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)工作。

1 航天器電子產(chǎn)品火工沖擊環(huán)境預(yù)示

1.1 火工沖擊載荷

在航天器電子產(chǎn)品火工沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn)中，沖擊響應(yīng)譜(SRS)[14]可以更真實(shí)的模擬火工沖擊環(huán)境。以美軍標(biāo)MIL-STD-810[15]、國(guó)軍標(biāo)GJB 150A[16]為代表的火工沖擊試驗(yàn)規(guī)范一般要求以沖擊響應(yīng)譜作為火工沖擊的試驗(yàn)輸入。

目前通用商業(yè)有限元軟件LS-Dyna、Dytran、MSC、ANSYS等進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算一般以力函數(shù)或者加速度時(shí)間歷程作為輸入，無(wú)法直接采用沖擊響應(yīng)譜作為載荷輸入開(kāi)展瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算。目前仿真分析和試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)較難獲取火工沖擊環(huán)境的力載荷函數(shù)，無(wú)法支撐火工沖擊環(huán)境仿真預(yù)示開(kāi)展[12]。

為規(guī)避火工沖擊載荷力函數(shù)較難獲取的影響，通過(guò)分析航天器火工沖擊響應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)特點(diǎn)及沖擊響應(yīng)譜計(jì)算方法(如文獻(xiàn)[14]提出的改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波算法)，本文采用半正弦波加速度載荷模擬火工沖擊載荷。本文通過(guò)調(diào)整半正弦波的脈寬和幅值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沖擊響應(yīng)響應(yīng)譜的有效模擬，實(shí)現(xiàn)火工沖擊載荷的模擬，例如幅值900gn、脈寬為5.5 ms的半正弦波進(jìn)行沖擊譜轉(zhuǎn)換后與1600gn沖擊響應(yīng)譜(放大因數(shù)為10)基本相當(dāng)，如圖1所示。因此，本文計(jì)算中，均采用該等效載荷方法開(kāi)展火工沖擊載荷仿真分析。

1.2 沖擊響應(yīng)計(jì)算

1.2.1 火工沖擊環(huán)境下PCB板響應(yīng)

為了避免火工沖擊環(huán)境給電子產(chǎn)品帶來(lái)的危害，一方面需要實(shí)現(xiàn)PCB板與機(jī)箱頻率解耦；另一方面應(yīng)采取措施降低沖擊能量在沖擊傳遞路徑上的傳遞。

文獻(xiàn)[17]在積累大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了沖擊環(huán)境下PCB板最大振幅可表示為(引用文獻(xiàn)公式為英制單位，本文推導(dǎo)公式為國(guó)際單位制)

(1)

式中：B為平行于元器件的PCB板邊緣長(zhǎng)度；L為元器件長(zhǎng)度；h為PCB板厚度；C為元器件不同類(lèi)型安裝方式下的系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式封裝取1.0)；r為元器件在PCB板上相對(duì)位置因子(PCB板中心處取1.0)。B，L，h的英制單位為in,國(guó)際單位制為m。

同時(shí)，描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)下的位移為

Y=Y0sin(Ωt)

(2)

式中：Y0為簡(jiǎn)諧振動(dòng)最大振幅(in)，Ω為簡(jiǎn)諧振動(dòng)圓頻率(Hz)，t為時(shí)間(s)，對(duì)式(2)進(jìn)行二階微分后，簡(jiǎn)諧振動(dòng)加速度最大值為

amax=ΩY0

(3)

Ω=2πfn，帶入式(3)，得

(4)

式中：Gout為輸出加速度響應(yīng)(英制單位為in/s2,其中g(shù)n=9.8 m/s2=386 in/s2)，fn為簡(jiǎn)諧振動(dòng)固有頻率(Hz)。

結(jié)合簡(jiǎn)諧振動(dòng)特性，并考慮PCB板振動(dòng)放大效應(yīng)，PCB板振幅位移可表示為[7]

(5)

式中：Gin為PCB板安裝處輸入加速度，A為沖擊放大因子，一般取0.5～2.0，f1為在沖擊放大因子為A時(shí)PCB板期望的固有頻率，合并式(5)和式(1)可得到?jīng)_擊時(shí)為了避免過(guò)大的PCB板沖擊響應(yīng)而優(yōu)選的PCB板固有頻率值

(6)

1.2.2 電子產(chǎn)品PCB板一階固有頻率計(jì)算

電子產(chǎn)品內(nèi)部PCB板與箱體一般采取四周支撐約束的連接方式，當(dāng)PCB板與機(jī)箱的連接形式確定后，在共振情況下沖擊響應(yīng)及變形最大，對(duì)組件危害也最大，因此可以根據(jù)PCB板的尺寸和器件布局對(duì)PCB板一階固有頻率進(jìn)行估算。

在PCB板四周載荷均布的條件下(四周簡(jiǎn)支)，可近似估算PCB板固有頻率[18]

(7)

2 航天器電子產(chǎn)品抗火工沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)流程

一般將航天器電子產(chǎn)品機(jī)箱結(jié)構(gòu)和PCB板簡(jiǎn)化成二自由度弱阻尼系統(tǒng)，如圖2所示，其沖擊響應(yīng)放大特性如圖3所示，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知[14-15]，通過(guò)對(duì)頻率比R的設(shè)計(jì)可以有效控制傳遞到PCB板的沖擊加速度響應(yīng)。當(dāng)頻率比R(計(jì)算方法如式(8)所示)控制在0.5以下，落到PCB板隔離區(qū)域內(nèi)；或3倍以上原則，PCB板的沖擊放大因子近似為1；這樣的PCB板在同樣的沖擊載荷下將承受較低的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)、位移和應(yīng)力，使系統(tǒng)更加可靠、安全。

(8)

式中：R為PCB板固有頻率與電子產(chǎn)品機(jī)箱固有頻率比值，f3為電子產(chǎn)品機(jī)箱固有頻率。

結(jié)合上述PCB板的響應(yīng)特點(diǎn)，電子產(chǎn)品抗沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)流程為：

(1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，通過(guò)仿真分析獲取機(jī)箱結(jié)構(gòu)固有頻率，PCB板安裝處的響應(yīng)數(shù)據(jù)Gin，并帶入式(6)估算優(yōu)選的PCB板的固有頻率f1。

(2)按照PCB板選材、布線、元器件布局等設(shè)計(jì)狀態(tài)并按式(7)估算PCB板固有頻率f2。

當(dāng)f1和f2取值相當(dāng)時(shí)，且與機(jī)箱結(jié)構(gòu)頻率比在圖2隔離區(qū)以?xún)?nèi)或3倍頻以上，即以此為基礎(chǔ)開(kāi)展PCB板的后續(xù)設(shè)計(jì)和布局投產(chǎn),設(shè)計(jì)分析流程如圖4所示。

3 某航天器電子產(chǎn)品火工沖擊試驗(yàn)失效分析

某航天器電子產(chǎn)品采用鋁制箱式機(jī)箱，外形尺寸0.202 m×0.107 m×0.141 m，內(nèi)部有多塊PCB板固定在機(jī)箱上，產(chǎn)品總質(zhì)量約4.0 kg。在進(jìn)行X向鑒定級(jí)沖擊試驗(yàn)過(guò)程中(100～2000 Hz，沖擊響應(yīng)譜1600gn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品電性能瞬時(shí)失效，試驗(yàn)后開(kāi)蓋檢查，定位為機(jī)箱底板附近晶振器件沖擊失效，該晶振器件通過(guò)DG-4防松膠粘貼在整個(gè)產(chǎn)品機(jī)體的底部安裝面上，晶振通過(guò)兩條引線焊接到PCB板上，由PCB板完成電路部分的信號(hào)處理，如圖5所示。

3.1 電子產(chǎn)品有限元模型

采用MSC.PATRAN商用FEM軟件建立電子產(chǎn)品有限元模型：機(jī)箱的側(cè)壁、底板、蓋板等結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬；對(duì)于相對(duì)產(chǎn)品面積、質(zhì)量大的組件，采用剛性單元(RBE2)、梁?jiǎn)卧M器件間的連接；印制板電路上分布許多小元器件，則以均布質(zhì)量分布在印制板上；膠接、螺接、鉚接和焊接一般理想化為剛性連接或根據(jù)情況建立梁?jiǎn)卧?，材料參?shù)如表1所示。失效晶振質(zhì)量0.001 5 kg，將DG-4膠和晶振按照實(shí)體單元建模，晶振與PCB板間兩條引線用梁?jiǎn)卧M，與底板內(nèi)表面共節(jié)點(diǎn)建立模型，模型如圖6所示。

表1 材料參數(shù)表

根據(jù)低量級(jí)正弦掃描試驗(yàn)實(shí)測(cè)響應(yīng)，其中機(jī)箱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)一階基頻481 Hz，響應(yīng)0.96gn；有限元仿真模型掃頻分析響應(yīng)曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，一階基頻490 Hz，響應(yīng)1.0gn，有限元模型較好的模擬了產(chǎn)品機(jī)箱實(shí)際狀態(tài)，可以作為瞬態(tài)響應(yīng)分析工作的模型。

3.2 瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析

產(chǎn)品按照鑒定級(jí)沖擊試驗(yàn)條件等效的半正弦波進(jìn)行加載(幅值及周期如圖6所示)，在晶振粘貼處及附近PCB板上輸出瞬態(tài)沖擊響應(yīng)，如圖7所示。由于晶振緊貼機(jī)體底面安裝面，且剛性粘貼，將直接承受來(lái)自擺錘式?jīng)_擊臺(tái)的沖擊載荷，晶振粘接處瞬態(tài)時(shí)域響應(yīng)94gn(高于晶振抗沖擊試驗(yàn)條件50gn)。

為了避免沖擊載荷過(guò)大給晶振帶來(lái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將原PCB板上的晶振電路部分與晶振本體進(jìn)行集成，作為一體布局在原PCB板上，集成后尺寸為0.03 m×0.03 m ×0.01 m，質(zhì)量0.12 kg，三維圖及有限元模型如圖7所示；以此方案按照?qǐng)D3流程進(jìn)行分析，結(jié)果如表2、圖8所示，晶振粘貼處的沖擊響應(yīng)作為對(duì)應(yīng)PCB板的沖擊輸入載荷，將PCB板的設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式(6)和式(7)估算出f1和f2，兩者數(shù)值相當(dāng)，并3倍于機(jī)箱結(jié)構(gòu)基頻480 Hz，因此在該沖擊載荷條件下PCB板可以避免由于過(guò)大的加速度響應(yīng)、變形而導(dǎo)致其上器件失效、焊點(diǎn)開(kāi)裂等失效形式，且更改后晶振處的沖擊響應(yīng)也小于其組件試驗(yàn)條件，更改后的電子產(chǎn)品順利通過(guò)了鑒定級(jí)試驗(yàn)，也進(jìn)一步表明了設(shè)計(jì)、分析的正確性。

表2 PCB板設(shè)計(jì)期望頻率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了航天器火工沖擊環(huán)境特點(diǎn)及其影響，梳理了航天器電子產(chǎn)品火工沖擊環(huán)境失效模式，研究了航天器電子產(chǎn)品火工沖擊環(huán)境預(yù)示方法，給出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行抗火工沖擊載荷設(shè)計(jì)方法，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)航天器電子產(chǎn)品抗火工沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)流程合理、計(jì)算方法正確，能夠有效指導(dǎo)航天器電子抗火工沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)；

(2)通過(guò)合理分配航天器電子產(chǎn)品機(jī)箱及PCB板剛度參數(shù)，能夠有效降低電子產(chǎn)品火工沖擊響應(yīng)，相關(guān)試驗(yàn)表明，火工沖擊載荷在傳遞過(guò)程中通過(guò)變剛度設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)其衰減與隔離；

(3)等效的半正弦波輸入載荷能夠有效簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品的火工沖擊環(huán)境，由此可以順利開(kāi)展航天器電子產(chǎn)品抗火工沖擊環(huán)境的仿真預(yù)示工作，便于設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] NASA. NASA-STD-7003 Pyroshock test criteria[S]. Washington D. C.：NASA，1999

[2] 張歡，劉天雄, 李長(zhǎng)江, 等. 航天器火工沖擊環(huán)境防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 航天器工程, 2014, 23(2): 104-113

Zhang Huan，Liu Tianxiong, Li Changjiang, et al. Status and application analysis of spacecraft pyroshock protection techniques[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 23(2): 104-113 (in Chinese)

[3] Wong E H，Seah S K W，Shim V P W，et al. A review of board level solder joints for mobile applications[J]. Microelectronics Reliability，2008，48(12)：1747-1758

[4] Wong E H, Lim K M, Lee N, et al. Drop impact test mechanics and physics of failure[C]// Proceedings of the Fourth Electronic Packaging Technology Conference. New York: IEEE, 2002: 327-33

[5] Department of Defense. MIL-STD-810G Environmental engineering considerations and laboratory tests[S]. Washington D. C.: Department of Defense，2008

[6] Moening C J. Pyrotechnic shock flight failure[C]//Institute of Environmental Sciences Pyrotechnic Shock Tutorial Program,31st Annual Technical Meeting. Washshington D. C. NASA, 1985：4-5

[7] Alan Patterso. ARES I separation system design certification testing[R]. Washington D. C.：NASA，2005

[8] J Gomez Garcia，J Albus，C Hude，et al. Isolation of sensible instrumentation-platforms against very high pyrotechnic shock in launch vehicles[C]// 52 International Astronautical Congress. Paris：IAF，2001

[9] Peter H V，Edward C Schlatter. Z-leg shock isolator：US. 20100327142[P]. 2010-12-30

[10] B Brevart. Design rules for electronic equipment submitted to shock[C]// ESA/ESTEC Workshop on Spacecraft Shock Environment and Verification. Paris: ESA, 2008

[11] 丁繼鋒，趙欣，韓增堯. 航天器火工沖擊技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2014, 35(12): 1339-1349

Ding Jifeng, Zhao Xin，Han Zengyao. Research development of spacecraft pyroshock technique[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(12): 1339-1349 (in Chinese)

[12] 趙欣，丁繼鋒，韓增堯, 等.航天器火工沖擊環(huán)境分析預(yù)示方法研究綜述[J]. 航天器環(huán)境工程, 2016, 33(3): 247-256

Zhao Xin, Ding Jifeng, Han Zengyao, et al. Review of the prediction methods of the pyroshock environment in spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2016, 33(3): 247-256 (in Chinese)

[13] 張歡，劉海平，劉天雄, 等.航天器火工沖擊載荷減緩設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 34-41

Zhang Huan, Liu Haiping, Liu Tianxiong, et al. Design and verification of pyrotechnic shock reduction scheme of spacecraft[J]. Equipment Environment Engineering, 2015, 12(3): 34-41 (in Chinese)

[14] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB/Z 222-2005 動(dòng)力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和分析指南[S]. 北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部出版，2005

Commission on Science, Technology, and Industry for National Defense. GJB/Z 222-2005 Guidelines for dynamic environmental data acquisition and analysis[S]. Beijing: Military Standard Publishing Department of Commission on Science, Technology, and Industry for National Defense, 2005 (in Chinese)

[15] Department of Defense. MIL-STD-810G Environmental engineering considerations and laboratory tests[S]. Washington D. C.：Department of Defense，2008

[16] 中國(guó)人民解放軍總裝備部. GJB 150.16A-2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)[S]. 北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版，2009

General Armament Department of the Chinese People’s Liberation Army. GJB 150.16A-2009 Laboratory environmental test methods for military materiel Part16:vibration test[S]. Beijing: Army Standards Press of General Armament Department, 2005 (in Chinese)

[17] 戴夫 S 斯坦伯格.電子設(shè)備振動(dòng)分析[M]. 王建剛,譯. 北京：航空工業(yè)出版社，2012

Dave S Steinberg. Vibration analysis for electronic equipment[M]. Wang Jiangang, translated. Beijing: China Aviation Industry Press，2012 (in Chinese)

[18] 季馨, 王樹(shù)榮. 電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013: 194-196

Ji Xin，Wang Shurong. Adaptive design of vibration environment for electronic equipment[M]. Beijing: Publishing Hause of Electronics and Industry, 2013: 194-196 (in Chinese)