技术领域
[0001] 本
发明属于
航天器火工冲击环境模拟技术领域。
背景技术
[0002] 在航天工程中为了实现连接--分离动作，航天器上广泛使用了火工分离装置，如火工切割索、爆炸
螺栓、火工分离
螺母等。当接收到分离指令时，这些火工分离装置内部的火工品点火爆轰产生爆轰产物气体并通过做功来实现分离动作。由于火工品爆轰的强烈冲击作用，在火工装置附近会产生强烈的冲击波，并传递到远场航天器结构上，引起航天器结构的冲击响应。这种冲击响应具有高频、瞬态和高幅值的特点，一般称之为有效
载荷的冲击环境。通常它对航天器主结构影响较小，但往往会对含有对冲击敏感的元器件造成损伤，如继电器抖动、陶瓷材料破裂以及钎焊的脱落等，从而有可能导致航天任务的失败。因此，许多含有对冲击敏感元器件的设备在发射前都需要进行地面冲击环境模拟试验，对这些设备的抗冲击性能进行考核。
[0003] 常见的火工冲击环境地面模拟装置主要有真实的火工品爆炸激励式、机械撞击式和
振动台三种。其中，采用真实的火工品爆炸激励能够复现真实的火工品爆炸产生的复杂型振荡冲击，但由于使用火工冲击具有一定的危险性，因而无法通过开展大量火工冲击试验探索装置参数对谐振板上冲击环境的影响规律，使用范围受到一定限制。机械式撞击是通过氢气炮、落锤撞击谐振杆或谐振板从而在谐振装置上产生类似于火工品爆炸冲击的冲击环境。由于该方法简单、易于操作且一致性较好，因而受到广泛研究与使用。但该方法明显的不足是机械式撞击在模拟爆炸冲击复杂振荡冲击方面仍有一定不足。在采用该方法进行试验过程中，经常会出现“低频过，高频欠”等现象，需要结合
力限条件进行试验设计。振动台模拟方法具有易于操作，且谱形可控等优点，但该方法同样在高频段冲击模拟存在技术
瓶颈，一般只用于
频率低于5KHz的冲击
信号。
[0004] 综上所述，三种方法在实际应用过程中，使用时均受到一定的限制，无法更好的达到实验目的。
发明内容
[0005] 本发明是为了解决现有火工冲击环境地面模拟装置使用范围受限的问题，现提供一种火工冲击环境模拟装置。
[0006] 一种火工冲击环境模拟装置，该装置为双板式加载结构，加载板6底部的炸药3外罩有安全罩4，安全罩4底面开有泄压孔5，
[0007] 谐振板1上开有四条谐振板滑槽11，四条谐振板滑槽11分别由谐振板1的四
角处向谐振板1中心方向延伸，
[0008] 加载板6上开有四条加载板滑槽61，四条加载板滑槽61分别与四条谐振板滑槽11上下正对，
[0009] 四根
连接杆2分别与四条谐振板滑槽11一一对应，连接杆2的一端嵌在谐振板滑槽11中，连接杆2的另一端嵌在谐振板滑槽11下方的加载板滑槽61中，连接杆2能够
支撑加载板6和谐振板1保持固定的间距，并能够沿谐振板滑槽11与加载板滑槽61的延伸方向滑动。
[0010] 上述双板式加载结构的四角分别通过柔性悬挂件7将双板式加载结构悬挂在
支架上。
[0011] 上述柔性悬挂件7的柔性绳索基频应小于5Hz。
[0012] 上述谐振板1采用
碳纤维复合材料铺层板。
[0013] 上述谐振板1的尺寸为700mm×700mm×6mm。
[0015] 上述加载板6的尺寸为1000mm×1000mm×10mm。
[0016] 本发明对传统的火工冲击环境模拟装置进行了改进，获得了一种考虑安全性的真实火工品爆炸双板式冲击环境模拟装置。本发明中，加载板和谐振板连接点
位置可调。不同的连接点位置能够影响谐振板冲击响应谱的低频斜率，也就是通过不同的连接点位置获得不同的冲击环境，扩展了使用范围。本发明通过真实的火工品爆轰在谐振板上产生的复杂振荡型冲击来模拟航天器上火工品爆炸冲击环境，能够快速准确地复现给定的标准冲击环境，从而对航天器设备或元器件进行冲击考核。
附图说明
[0017] 图1为一种火工冲击环境模拟装置的主视剖面图；
[0018] 图2为一种火工冲击环境模拟装置从顶部角度观察时的示意图；
[0019] 图3为一种火工冲击环境模拟装置从低部角度观察时的示意图；
[0020] 图4为真实星箭分离冲击时域
加速度的曲线图；
[0021] 图5为一种火工冲击环境模拟装置测点的时域加
速度曲线图；
[0022] 图6为真实火工冲击响应谱与谐振板上测点冲击响应谱(SRS)对比曲线图，其中，曲线A表示装置测点结果的+6dB，曲线B表示真实星箭分离冲击结果，曲线C表示装置测点响应结果，曲线D表示装置测点结果的-6dB。
具体实施方式
[0023] 在工程中采用真实的火工品爆炸来模拟火工冲击环境是最可靠的方法，然而由于火工品在使用过程中存在一定的危险性，在一定程度上限制了该方法的使用。另一方面，在进行火工冲击试验时为了实现冲击环境条件，试验人员往往需要付出很大的时间和精力对装置参数进行调试。基于以上两点，本发明首先从安全性角度出发，对传统的火工冲击环境模拟装置进行了安全性改进，具体如以下实施方式所述。
[0024] 具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种火工冲击环境模拟装置，该装置为双板式加载结构，该双板式加载结构包括：谐振板1和加载板6，谐振板1位于加载板6上方、且二者相互平行设置，谐振板1与加载板6之间通过四根连接杆2相互连接，四根连接杆2能够支撑加载板6和谐振板1保持固定的间距，且二者之间保留有固定距离，加载板6的下表面设有炸药3。
[0025] 加载板6底部的炸药3外罩有安全罩4，充分保护试验人员和设备的安全。该增设的安全罩4在保证安全性的
基础上，为了不影响引爆
雷管布线以及炸药爆轰气体排放，在安全罩4的底部设计了泄压孔5以实现爆轰气体排放和雷管布线等功能。
[0026] 谐振板1上开有四条谐振板滑槽11，四条谐振板滑槽11分别由谐振板1的四角处向谐振板1中心方向延伸；加载板6上开有四条加载板滑槽61，四条加载板滑槽61分别与四条谐振板滑槽11上下正对；四根连接杆2分别与四条谐振板滑槽11一一对应，连接杆2的一端嵌在谐振板滑槽11中，连接杆2的另一端嵌在谐振板滑槽11下方的加载板滑槽61中，并能够沿谐振板滑槽11与加载板滑槽61的延伸方向滑动。
[0027] 上述火工冲击环境模拟装置的原理是：通过炸药等真实的火工品起爆产生的爆炸冲击激励作用于谐振板1上引起真实的复杂振荡型火工冲击波，从而对试验设备进行考核。
[0028] 由于火工冲击时域响应的复杂性以及响应时长的不同，在实际工程中一般不以冲击时域响应作为对比参照，而是以与响应时长无关的冲击响应谱(SRS)作为考核指标。所谓冲击响应谱是一种频域分析方法，该方法的具体操作为将冲击时域信号加载在一系列单
自由度系统(SDOF)基底上，得到各不同频率下单自由度系统响应的最大值，然后以单自由度系统固有频率为横坐标，其响应最大值为其对应频率的纵坐标所作的曲线。本实施方式中响应最大值指的是绝对加速度响应最大值，故也称为绝对加速度冲击响应谱。
[0029] 因此，试验时通过雷管引爆炸药3，炸药3爆轰气体瞬间冲击加载板6，并在该结构上引起爆炸冲击波。冲击波传递至谐振板1与加载板6的连接位置时会沿着连接杆2传递至谐振板1上，并在该谐振板1上引起具有瞬态、高频和高量级特点的冲击波。
[0030] 此外，在装置的加载板6和谐振板1上设计了连接杆2的滑槽，即：四条谐振板滑槽11和四条加载板滑槽61。连接杆2能够沿谐振板滑槽11与加载板滑槽61的延伸方向滑动，即能够实现加载板6和谐振板1连接点位置的改变。不同的连接点位置能够影响谐振板6冲击响应谱SRS的低频斜率，也就是通过不同的连接点位置获得不同的冲击环境。
[0031] 本实施方式中，火工品选用PETN(学名季戊四醇四
硝酸酯)炸药。研究表明，炸药的装药量能够有效改变谐振板上的冲击环境的SRS谱值而不改变其谱形。
[0032] 本实施方式中，由于炸药3会对加载板6产生强烈的爆炸冲击作用，因此加载板6采用低
碳钢材料。加载板的尺寸为1000mm×1000mm×10mm。
[0033] 由于在实际航天工程中，为了减轻重量，许多支架以及板结构都采用
碳纤维铺层复合材料。因此为了更加真实地模拟火工冲击波在复材中的传递特性，本实施方式中的谐振板1采用碳纤维复合材料铺层板。谐振板1的尺寸为700mm×700mm×6mm。同时，通过设计不同厚度的谐振板1来实现谐振板厚度的调节。研究表明，通过调节复合材料谐振板1的厚度可以有效调节谐振板1上冲击响应谱的拐点频率。
[0034] 综上所述，本实施方式能够有效调节谐振板上火工冲击响应谱的低频斜率、拐点频率和谱值。该火工冲击环境模拟装置的三个主要调节参数对冲击响应谱影响规律如表1所示：
[0035] 表1装置可调节参数对冲击响应谱影响规律
[0036]
[0037] 将图4真实星箭分离近场冲击响应与图5火工冲击环境模拟装置上测点的冲击时域响应进行对比。由图可知，火工冲击环境模拟装置测点的冲击响应与真实冲击响应振荡形式相似且幅值相近。图6为真实星箭分离近场冲击响应与火工冲击环境模拟装置测点的冲击响应谱对比曲线图。由图可知，装置上测点的冲击响应谱能够将真实星箭分离冲击响应谱包络在±6dB范围内。以上分析表明，本实施方式所述的一种火工冲击环境模拟装置能够快速实现给定的冲击环境。
