摘 要：星箭分离过程中，火工品解锁，卫星受到严酷的爆炸冲击环境，强烈的高频冲击环境可能使卫星上的电子、光学和其它敏感设备产生破坏。为减少卫星分离过程中相互之间产生的冲击作用，可在卫星与适配器之间安装减冲击环；通过对减冲击环的高频缓冲机理进行研究，分析冲击波的传递路径，在此基础上针对卫星模型进行减冲击环设计。采用爆炸冲击模拟星箭分离冲击环境，对其缓冲效果进行了评估，拐点之后减冲击环能衰减10 dB以上的冲击响应。
关键词：卫星；减冲击环；爆炸冲击；缓冲
卫星在点火至轨运行阶段经历严酷的冲击环境，包括发动机点火、关机与分离过程的冲击。尤其是，有效载荷的解锁分离冲击环境，以高频为主要成分［1］，据统计冲击响应谱的拐点大于1 000 Hz，爆炸冲击的加速度幅值可达3×102～3×105g［2］，强烈的冲击环境可能造成卫星上的电子、光学和其它敏感装置产生永久破坏。尤其对于一箭多星发射直接入轨的卫星，如图1所示。主星的分离也会对小星产生冲击环境。
为减少卫星分离过程中受到的冲击作用，可在卫星与适配器之间安装减冲击环［3-5］，如图2所示。
图1 一箭多星示意图
Fig.1 Schematic of the multi-satellite
图2 整体减冲击环安装示意图
Fig.2 Setting up schematic of shock ring
美国AFRL一直在积极从事降低卫星发射载荷环境的方法研究，提出航天器整体冲击隔离研究计划。1993年AFRL针对Delta II运载火箭及其有效载荷进行可行性研究。CSA公司开展了极有成效的工作，设计的有效载荷减冲支架可以大幅度降低200 Hz以上的冲击振动环境量级，而对低频环境无明显的放大作用。CSA公司研制出了ShockRing整体冲击隔离系统专利产品。整体冲击隔离系统是在有效载荷与有效载荷适配器之间加入一个减冲击环，对有效载荷整体进行冲击隔离，减小星箭分离对卫星的冲击载荷。
2002年AFRL进行了振动、噪声发射防护试验（VALPE）［6］，探空火箭上装了整体冲击隔离系统，用于防护监测试验发射环境的电子设备。根据探空火箭Ⅱ级发动机工作时获得的横向振动数据，表明冲击隔离系统在横向也明显衰减了传递过来的振动量。
美国在改进的运载火箭（EELV）飞行任务中［7-8］，整体冲击隔离系统如图3所示。其第二有效载荷适配器（ESPA）除了有一颗主卫星外，还安装6颗小卫星，在每个小卫星与有效载荷适配器均安装了减冲击环。
图3 运载火箭EELV上的整体冲击隔离系统
Fig.3 Shock isolation system on launch vehicle EELV
国内在卫星整体冲击隔离系统方面开展的研究工作较少。北京强度环境研究所李红对减冲击环的低频刚度进行了研究，采用弹丸撞击的方式模拟了冲击环境［9］。而有效载荷解锁分离，大多通过火工品进行分离，有效载荷受到的冲击环境为高频爆炸冲击环境。
本文在以上研究的基础上，从应力波的角度研究了爆炸冲击传播机理，分析了应力波在减冲击环内的传播路径，揭示了减冲环缓冲的机制，并通过爆炸冲击试验对减冲击环的缓冲性能进行了评估。
1 爆炸冲击传播机理
当结构受到爆炸冲击载荷时，冲击波表现出行波的性质。依据弹性波理论［10-11］，应力波斜入射界面时，发生波场分解，透射的应力波场由透射的p波与透射的s波叠加而成，较之垂直入射时的情况更为复杂。线弹性界面可以看作由两个无黏结且间距相对于波长可以忽略不计的界面构成，法向及切向满足弹性关系，如图4所示。
单轴应变状态下材料弹性波波速传播形式为
图4 应力波传播
Fig.4 Schematic diagram of the propagation of stress wave
式中：C为一维波的相速度；ρ为材料密度；E为材料弹性模量。
应力波传播过程中，当它从一种介质进入与之接触的另一种介质时，将在不同介质的分界面上同时发生反射和透射，弹性应力波的反射率和透射率由不同介质的波阻抗决定。
Nolte等［12-14］给出了应力波垂直穿过结构面的反射、透射系数计算公式分别为
式中：K n为界面法向刚度；Z为介质的阻尼，Z=ρC；ρ为介质的密度；C为应力波波速；ω为应力波的圆频率。
2 减冲击环设计原理
减冲击环的结构形式如图5所示。只由支撑块1与交错支撑的金属环2组成。每一层的支撑块与相邻层的支撑块错位排列，使同一层内任意两个支撑块（如1a和1b）之间的一段金属环形成了一个柔性梁。当减冲击环受到冲击载荷作用时，每层之间只能通过支撑块传递能量，延长了冲击波的传递路径；另外，通过相邻层的支撑块1c对1a、1b之间的柔性梁作用，使柔性梁弯曲变形迅速吸收存储冲击能量，然后缓慢释放。这种方案主要通过以下几种方式来衰减冲击载荷：
图5 减冲击环的结构形式
Fig.5 Structural form of shock ring
（1）延长冲击载荷的传递路径。冲击信号要经过一条曲折的弯曲路径传递到有效载荷，传递路径的延长增加了冲击载荷损耗［15］，如图6所示。
（2）每一层支撑块与金属环弯曲梁之间均组成了一个对接面。在对接面处，会对冲击波有反射、透射作用，当透射的冲击波较小时，对冲击载荷的衰减较大。
（3）柔性梁弯曲变形迅速吸收存储冲击能量，然后缓慢释放，从而降低冲击载荷的强度。
设计的减冲击环如图7所示。为了研究传递路径对减冲效果的影响，分别加工了四层减冲击环和六层减冲击环。
图6 减冲击环内冲击载荷传递路径
Fig.6 Shock transfer path in shock ring
图7 减冲击环
Fig.7 Pictures of shock ring
建立了减冲击环的有限元模型，支撑块和金属环的材料都为铝，金属环和支撑块都采用体单元模拟，加载条件为在冲击环底部施加冲击载荷，如图8所示。
图8 冲击环的有限元模型
Fig.8 Finite element model of shock ring
从仿真分析可知，冲击波自冲击环底面向上传播，并通过支撑块从下层环向上层环传播，在经过支撑块时支撑块左右两列冲击波会发生撞击，如图9（a）所示，产生继续向前传播的冲击压缩波和向回传播的稀疏波，稀疏波遇到冲击环底面的自由边界，会继续发射形成压缩波，传播机制非常复杂，在第一层环间上下之间不断传播叠加，导致第一层环的状态出现复杂的波传播状态，当向前传播的压缩波再次到达上一层的支撑块时，会再次发生撞击和发射，如图9（b）所示。冲击波会按照如上所述的传播机制急需向上传播，最终到达冲击环顶面，如图9（c）所示。此时冲击波已逐渐被衰减掉。冲击行波场在冲击环内反复传播，随着时间尺度的增加，行波场会逐渐在冲击环内部形成驻波场，表现为结构的共振，耗散掉了冲击波的能量。
图9 冲击波传递路径模拟
Fig.9 Simulation of shock transfer path in shock ring
3 爆炸冲击环境缓冲效果评估
有效载荷解锁分离，大多通过火工品进行分离，有效载荷受到的冲击环境为爆炸冲击环境。采用火药爆炸加载方法，其在物理意义上与爆炸分离冲击过程有相似性，能够更加真实的模拟爆炸分离冲击环境。通过改变不同火药药量、形状及结构形式、缓冲装置等来控制激励力成分、幅值大小，利用被激励结构的应力波监测爆炸激励的输入成分。对于柔性炸药条可采取不同的火药药量及形状来实现各种高量级冲击响应谱，如环形药条、U形药条等形状来满足试验要求。火工品激励响应板冲击模拟原理图，如图10所示。
本文为了评估减冲击环在爆炸冲击环境下的缓冲性能，采用环形炸药条来实现高量级爆炸冲击环境，开展了外场环爆炸冲击试验，如图11所示。在冲击板上布置了响应测点，在减冲击环与卫星承力筒连接位置处也布置了测点，以便通过对比两测点的冲击响应，评估冲击波经过减冲击环后的衰减情况，如图12所示。
图10 火工品激励响应板冲击模拟原理图
Fig.10 The schematic diagram of pyrotechnic explosive shock test
1—冲击测量控制系统；2—火工品控制装置；3—响应板；4—试件；5—传感测量装置；6—火工装置；7—响应板特性调节装置
图11 减冲击环冲击试验
Fig.11 Pyrotechnic explosive shock test
冲击板和减冲击环与卫星承力筒连接位置处各测点的时域数据及冲击响应谱，如图13和图14所示。
从图13和图14可知，在爆炸冲击作用下，冲击板上时域响应最大值为10 365g，冲击响应谱最大值约为26 633g。经四层减冲击环后，冲击波从响应冲击板传递到减冲击环上端，有一定的时间滞后，但增加了传递路径后，冲击波大幅衰减，时域响应最大值约为910g，冲击响应谱最大值约为2 956g，时域峰值衰减21 dB，冲击响应谱衰减大于9.9 dB；经六层减冲击环后，时域响应最大值为616g，冲击响应谱最大值为2 316g，时域峰值衰减22.7 dB，冲击响应谱衰减大于12.1 dB。相比四层减冲环，六层减冲环传播路径更长，减冲击效果更好。但考虑到减冲击环对星箭系统的附加重量以及对结构动特性的影响，综合减冲效果，后续可进一步对减冲击环进行优化设计。
图12 减冲击环冲击试验测点布置
Fig.12 Test points distribution in pyrotechnic explosive shock test
图13 四层减冲环各测点时域数据及冲击响应谱
Fig.13 Time history and shock response spectrum of test points for four layer shock ring
图14 六层减冲环各测点时域数据及冲击响应谱
Fig.14 Time history and shock response spectrum of test points for six layer shock ring
4 结 论
本文对减冲击环的缓冲机理进行了研究，分析了冲击波的传递路径，在此基础上针对卫星模型进行了减冲击环设计，采用爆炸冲击模拟星箭分离冲击环境，对其缓冲效果进行了评估。研究发现：在时域上，冲击波从响应冲击板传递到减冲击环上端，有一定的时间滞后，但增加了传递路径后，冲击波大幅衰减。经减冲击环后，冲击响应谱能衰减约10 dB。相比四层减冲环，六层减冲环传播路径更长，减冲击效果更好。这对有效载荷力学环境的改善具有十分重要的意义，具有广阔的应用前景。
