航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

航天器火工冲击环境分析预示方法研究综述

航天器火工冲击力学环境问题是一个宽频、瞬态和强非线性的冲击动力学问题。火工冲击响应的预示涵盖结构动力学、冲击动力学、爆炸力学、高应变率材料力学行为等多学科理论。目前,工程上尚无统一、有效的预示方法。在航天工程中,航天器及其组件冲击环境条件设计以及系统级和单机缓冲设计,都迫切需要能够准确预示航天器的火工冲击响应。文章对国内外航天器火工冲击响应机理进行综合理论分析,并在系统调研分析预示方法的基础上提出了航天器火工冲击响应预示研究的重点和难点。     

复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题，以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先，推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点，建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型，并进行响应计算，获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线，为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后，对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后，将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明，联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

航天器火工冲击环境防护技术现状与应用

火工冲击环境是航天器经历的最恶劣的力学环境之一,尤其以航天器与运载火箭分离时最为恶劣。火工冲击环境会影响有冲击敏感元件的设备甚至航天器的正常工作,严重时可导致发射任务失败。因此,有必要研究火工冲击环境的防护措施。文章分析了火工冲击环境特点及载荷组成,阐明了火工冲击载荷来源、作用机制及防护原则,分析了航天器系统级和部件级火工冲击防护措施的现状,在调研国内外航天器火工冲击防护措施最新进展的基础上,提出了我国航天器火工冲击防护技术的研究方向及应用建议。     

一种航天器火工冲击源建模和分析方法

为解决航天器火工冲击力学环境预示中无法确定载荷力函数的问题,提出一种基于流体编程软件（Hydrocodes）的“振源系统-近场结构”一体化建模和分析方法,分析由火工品触发的航天器星箭分离机构及其他解锁释放机构的冲击过程,从中提取力函数, 实现对振源与主结构的解耦分析。以包带式星箭分离结构为例,对该方法的可行性进行研究和论证。通过对模型进行爆炸冲击直接加载和力函数的解耦加载这两轮计算结果的对比分析,初步校验了该方法的可行性。通过对模型的耦合性分析和对其简化模型的分析,进一步校验了局部建模的合理性和解耦分析的准确性。该方法是一种能够确定航天器火工冲击源函数的可行方法,为从工程上解决航天器火工冲击的响应预示问题奠定了基础。     

统计能量分析法在爆炸分离冲击响应预示中的应用

针对复杂结构的爆炸分离冲击问题,文章采用统计能量分析方法对其响应进行了计算分析。首先对切割索产生的连续载荷进行了离散处理,然后基于统计能量分析并结合虚拟模态综合法,对航天器分离过程中的冲击响应进行了预示。得到的结果符合爆炸分离冲击环境下结构响应特征及其传递规律,对航天器抗冲击设计与评估具有一定的参考价值。     

航天器火工冲击源力函数模拟分析

为对航天器火工冲击响应进行预示分析,使用显式有限元法对冲击源力函数进行模拟。以太阳电池阵解锁为背景,建立合理的有限元模型,分析多种简单脉冲函数及其组合函数在航天器上的冲击响应规律。通过与试验实测数据对比分析,使用简单脉冲函数的叠加,得到符合试验结果的冲击源脉冲函数,使冲击环境预示结果与实测数据一致。文章所提供的冲击源载荷拟合方法无须对复杂的火工品装置建模,可为后续冲击响应分析工作奠定基础。     

航天器电子产品抗随机振动环境设计方法研究

航天器电子产品在航天器发射过程中经历恶劣、复杂的随机振动环境,可能会引起电子产品失效。根据电子产品内部印制电路板(PCB)随机振动原理和特点,文章研究梳理了航天器电子产品随机振动失效模式及抗随机振动设计的5条一般原则,总结出航天器电子产品进行抗随机振动能力分析评估的两种方法和风险判据,利用有限元仿真分析证明了上述分析方法和判据正确可行。针对失效模式,从两个方面提出了5种降低产品随机振动动力学响应的可行方案,通过计算仿真及试验表明:产品内部PCB位移响应和变形极限大幅降低,减振方案有效。以上分析方法、判据及减振方案,可以作为同类电子产品抗随机振动能力评估的参考,为随机振动失效问题提供解决的思路和途径。     

基于传递特性的航天器在轨冲击环境预示方法研究

实际飞行实验中,经常需要较为精确地确定高频激励作用下航天器某结构部位的冲击响应,统计类预示方法速度快但误差较大;数值类预示方法较为精确,但计算规模大、耗时长,且很难考虑冲击源和结构传递等偏差的影响。文章参考振动传递函数的定义和性质,建立了基于结构传递特性、用已知结构点的冲击环境预示相关结构冲击环境及其分布的方法;利用某火工分离试验冲击测量结果,验证了该方法可快速、准确预示指定部位的冲击环境。     

太阳翼电爆释放冲击载荷的仿真分析和试验验证

国内航天器太阳翼的压紧释放装置绝大多数使用火工切割器作为释放的动力源,当火工切割器起爆时,会产生很大的高频冲击载荷,对压紧点附近的设备造成很大的影响。为此,文章以国内典型航天器太阳翼压紧杆式压紧释放装置为研究对象,对其冲击载荷进行分析,提出了一种仿真基础模型,通过评估火工切割器的起爆能量,避开较难分析的冲击源起爆过程,得到各个测点的冲击载荷。冲击载荷的仿真结果与试验结果进行比较,验证了仿真基础模型的有效性,并提出重点考虑火工切割器安装螺钉的建模,从而对基础模型加以修正。     

航天器火工冲击环境数据外推技术研究

为了制定可靠的组件冲击试验条件,需要预示航天器火工冲击环境。在分析了航天器火工冲击环境预示的三类方法,包括试验法、数值分析法和数据外推法的基础上,详细总结和分析了数据外推法的国内外研究进展,并通过理论推导提出了新的数据外推公式;以大量火工冲击测量数据为参照,通过对比分析证明该数据外推公式比NASA和ESA的数据外推公式在中高频段上具有更好的预示精度和数据包络性,并且在理论上具有更宽的适用范围。所介绍的火工冲击环境数据外推技术可用于航天器组件冲击环境的快速估算,并为制定冲击试验条件提供参考。     

静止轨道高精度遥感卫星在轨冲击监测与定位

针对空间环境下航天器偶发的冲击影响敏感载荷性能的问题，提出了利用振动测量系统实时连续监测载荷安装位置附近的动力学环境的方法，通过分析各测点的冲击时域响应大小及冲击发生先后顺序，初步确定冲击发生的位置。结果表明:冲击的发生以天为周期，一天之中冲击发生的频次和强度与航天器所处轨道位置强相关，且存在2个明显的冲击高发时段。冲击很可能发生于载荷底板附近，可在地面试验中进行精确定位和完善设计。上述研究实现了在轨冲击现象的定量分析及冲击源的定位，将提升现有在轨动力学分析的能力，指导后续航天器设计，降低冲击现象对敏感载荷性能的影响。     

飞行器爆炸螺栓分离冲击环境散布分析

爆炸螺栓分离装置是一种应用广泛且相对成熟的点式火工分离装置，在航天器分离中应用广泛。爆炸螺栓通过腔内炸药爆炸的拉伸、剪切力学效应，使螺栓特定部位断裂实现解锁。爆炸分离过程会产生时间短、频率高、峰值高的冲击波，对航天器结构产生冲击。分离过程中，爆炸螺栓断裂位置尺寸、炸药药量和螺栓预紧力等因素的偏差都会影响爆炸分离产生的冲击响应。通过不同设计尺寸偏差下的有限元分析计算，研究了不同因素对航天器关键位置冲击响应谱的影响。结果表明爆炸螺栓断裂位置的端面尺寸和炸药药量的变化对冲击响应谱有着显著影响。     

星箭分离减冲击环结构优化设计

针对星箭分离过程，建立了减冲击环结构模型，并分析了该结构的减冲原理。利用冲击响应谱的时域合成算法计算获得符合冲击谱规范的时域载荷，并以此作为结构优化设计中动力学模型的输入载荷工况。以减冲击环的连续层数、单层支撑块数、连续层厚度、支撑块层高度以及环的外半径和内半径6个结构参数为设计变量，以减冲效果和结构强度、刚度为约束，以质量最轻为目标，建立减冲击环的结构优化设计模型，这是一包含离散变量和连续变量的混合优化问题。为了在跨平台下求解该混合优化问题，采用代理模型策略和自适应模拟退火算法求解，并在最优点处开展结构性能对设计变量的敏度计算，对计算结果进行了分析评估。本研究对强冲击动力学环境下的航天器结构分析与设计有一定的指导意义。     

钢球式解锁螺栓分离装置的强度计算

基于失效分析方法,文章确定了某钢球式火工分离装置各组成部件的强度最薄弱环节,并针对这些环节进行了受力分析与最大承载力计算,通过计算得到了外筒壁厚与钢球直径的尺寸设计是影响分离装置总体载荷强度的关键。同时,对火工分离装置进行了分离能力与承载力的试验,结果表明文章提出的强度计算能准确估算出分离装置最大承载力,为类似航天器火工装置的尺寸设计以及小型化设计提供了理论参考依据。     

航天器火工冲击技术研究进展

系统总结了国内外航天器火工冲击环境预示、地面试验和减冲击技术三个方面的研究进展,并分析了国内在以上三个方面与国外航天强国的差距。在此基础上,从我国航天工程实际需求出发,分析指出了今后航天器火工冲击领域应重点开展的研究方向。     

采用伪速度冲击响应谱评估蜂窝夹层板破坏边界

采用伪速度冲击响应谱(PVSRS)对航天器蜂窝夹层结构进行了冲击破坏边界评估。目前航天领域常用的冲击响应谱(SRS)是绝对加速度谱(AASRS)，相较于绝对加速度谱，伪速度谱能更清楚地显示出结构在低频、中频和高频段不同的冲击响应特征。分析了弹性力和惯性力在低频、中频和高频段对结构安全性的影响，据此在对数四坐标伪速度谱上给出了相应的结构破坏边界。以一典型蜂窝夹层结构为研究对象，通过有限元分析计算得到的结构破坏边界与伪速度谱给出的结构破坏边界符合得较好。在航天器结构冲击安全性研究领域，本文采用的伪速度谱结构冲击破坏边界是对目前常用的加速度谱方法的一个有益补充。     

基于激光激励的火工冲击响应及其特性研究

针对传统火工冲击激励方法在频率范围方面的局限性，研究新兴的激光激励方式、激励特性及其参数的影响，探究模拟火工冲击试验的可行性。首先参考经典的冲击试验方法，制定了激光激励试验的试验方案，设计了试验装置并进行了冲击试验；然后针对火工冲击和激光激励的试验结果，在时域、频域进行了时频分析和响应谱分析与对比；最后依据该试验方法，讨论了激光脉冲频率和激光脉冲能量对冲击响应的影响。研究提出的激光激励方法对火工冲击机理研究与地面模拟试验设计具有一定的参考价值。     

航天器火工引爆链路系统设计验证方法研究实践

火工链路设计是航天器安全设计的重要一环,其设计是否合理、验证是否充分,直接影响飞行任务的成败。为确保航天器火工装置在轨可靠工作,需要开展火工引爆链路设计验证工作。文章首先介绍了传统的火工引爆链路设计方法存在效率低、易出错的特点,然后从航天器系统角度提出了一体化火工引爆链路设计验证方案,使用基于目标导向的设计要素识别方法确保要素全面无遗漏。接着从数据融合角度建立火工引爆链路数字化仿真模型,实现数据源自动导入、仿真过程自动运行、仿真报告自动生成;最后对同一火工装置同一测试状态下的历次数据进行比对分析,确保及时发现问题。该方案可有效提高火工链路设计验证的效率和效果,为航天器火工引爆链路设计验证提供参考。     

航天器电子产品加速试验技术现状及探讨

随着电子产品在航天器中占比越来越高,采用加速试验来进行航天器电子产品的可靠性验证与评估成为一种高效的手段。文章综述了加速试验技术在航天器各层次电子产品中的应用现状,并且根据航天器研制特点梳理了航天器电子产品加速试验类型及加速试验设计方法,给出了我国在该领域开展研究工作的建议。