郭迅，郭強(qiáng)嶺

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

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空空導(dǎo)彈爆炸分離沖擊試驗(yàn)分析

郭迅，郭強(qiáng)嶺

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

目的 獲取某型空空導(dǎo)彈爆炸分離沖擊試驗(yàn)的條件及方法。方法 針對(duì)爆炸分離沖擊環(huán)境高頻響、高量級(jí)、短時(shí)間等特性，分析獲取爆炸分離沖擊信號(hào)的方法，以及相應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜、歸納數(shù)據(jù)處理方法。結(jié)果 通過(guò)測(cè)試得到某型空空導(dǎo)彈的爆炸分離數(shù)據(jù)，進(jìn)行了沖擊響應(yīng)譜和歸納分析，得到了不同測(cè)點(diǎn)位置爆炸分離沖擊的特性。結(jié)論 形成了一種適用于空空導(dǎo)彈的合理、易實(shí)施的爆炸分離沖擊試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法。

空空導(dǎo)彈；爆炸分離沖擊；沖擊響應(yīng)譜

空空導(dǎo)彈是由載機(jī)攜帶并從載機(jī)上進(jìn)行發(fā)射、攻擊并摧毀敵方各類空中目標(biāo)的制導(dǎo)武器。而在空空導(dǎo)彈的發(fā)射過(guò)程中，需完成各種動(dòng)作，如彈射拋放、執(zhí)行機(jī)構(gòu)解鎖等，而這些解鎖和分離很多情況下都是通過(guò)火工裝置（如利用炸藥、推進(jìn)劑驅(qū)動(dòng)）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。這些爆炸（由火工品裝置工作時(shí)產(chǎn)生）在局部的彈體結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生高沖擊、寬頻帶、低速度、持續(xù)時(shí)間短的瞬態(tài)機(jī)械響應(yīng)，這個(gè)就是爆炸分離沖擊環(huán)境［1—3］，也是空空導(dǎo)彈所經(jīng)歷的最嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境之一。

爆炸分離沖擊可能造成微電子芯片結(jié)構(gòu)完成性遭到破壞、繼電器抖動(dòng)、電路板/電連接器短路、陶瓷/晶體/環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃等出現(xiàn)裂紋或斷裂。美國(guó)航天局曾經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析了從1963—1985年20多年間的所有飛行故障，經(jīng)故障分析，其中超過(guò)63次是由爆炸沖擊直接或間接引起的。在美國(guó)和西歐的導(dǎo)彈、火箭的研制過(guò)程中，爆炸分離沖擊試驗(yàn)是必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目[4]。

由于爆炸分離沖擊的特殊性，雖然GJB 150.27給出爆炸分離沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，但很難直接使用。因此文中針對(duì)某型空空導(dǎo)彈的典型爆炸分離沖擊問(wèn)題開(kāi)展分析，以期得到相應(yīng)的試驗(yàn)條件和方法。

1　環(huán)境數(shù)據(jù)

環(huán)境數(shù)據(jù)是制定環(huán)境試驗(yàn)條件的依據(jù)，必須獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，才能制定合理的試驗(yàn)條件。

1.1數(shù)據(jù)獲取

獲取空空導(dǎo)彈爆炸分離沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)的方法一般有三種[5]：分析模型、數(shù)據(jù)外推和實(shí)際測(cè)量。

1）分析模型方法主要通過(guò)建立爆炸分離沖擊的模型，得到對(duì)爆炸沖擊環(huán)境的預(yù)示結(jié)果。目前已經(jīng)有利用統(tǒng)計(jì)能量、有限元等方法進(jìn)行建模計(jì)算的先例［6—9］，但統(tǒng)計(jì)能量法無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)示具體的位置或頻率上的量級(jí)，而有限元法對(duì)于很難準(zhǔn)確預(yù)示爆炸分離沖擊高頻部分的量級(jí)，同時(shí)需耗費(fèi)大量時(shí)間和費(fèi)用用于模型的建立/修正，且一旦設(shè)計(jì)或工藝稍有改動(dòng)的則需要重新建模計(jì)算。因此截止目前，工程上還不能直接使用分析模型進(jìn)行爆炸分離沖擊數(shù)據(jù)的獲取，即使需使用分析模型數(shù)據(jù)，也必須通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正。

2）數(shù)據(jù)外推是在已經(jīng)有類似結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)火工裝置釋放的總能量、爆炸點(diǎn)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)位置的距離以及裝備的結(jié)構(gòu)形式等方面對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算及外推［1，5］。雖然在GJB 150.27中也給出了數(shù)據(jù)外推的一個(gè)指南，但由于國(guó)內(nèi)較少開(kāi)展爆炸分離沖擊相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量很少，且其準(zhǔn)確性與以往型號(hào)所用的結(jié)構(gòu)和火工裝置的近似程度直接相關(guān)，使用不當(dāng)時(shí)可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的誤差。

3）實(shí)際測(cè)量是獲取數(shù)據(jù)的主要方式，也是最直接的方式，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)示。目前主要通過(guò)外場(chǎng)實(shí)際測(cè)量、系統(tǒng)級(jí)地面試驗(yàn)、地面模擬試驗(yàn)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。這些測(cè)量數(shù)據(jù)可以提供較準(zhǔn)確的環(huán)境預(yù)示結(jié)果。

對(duì)于空空導(dǎo)彈上一種新型結(jié)構(gòu)的爆炸分離沖擊環(huán)境，只能通過(guò)大量的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其真實(shí)爆炸分離沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)示。由于爆炸分離沖擊環(huán)境頻帶寬（10 kHz）、量級(jí)大（可達(dá)上萬(wàn)個(gè)重力加速度）的特征常常超出了工業(yè)用測(cè)量系統(tǒng)的能力，因此必須采取一定措施避免數(shù)據(jù)的失真[10]。如：采用高頻響、高量程的傳感器，并具有良好的敏感軸向的承受能力；必須牢靠的固定傳感器，防止安裝座造成的搖擺誤差；采樣頻率盡量高于信號(hào)帶寬，保證具有良好的測(cè)量裕度。

1.2數(shù)據(jù)分析

針對(duì)某型導(dǎo)彈尾部的典型爆炸分離事件，進(jìn)行了地面實(shí)測(cè)，各信號(hào)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1　實(shí)測(cè)爆炸分離沖擊原始信號(hào)Fig.1　Original signal of measured pyroshock

從圖1中可看出此爆炸分離沖擊的時(shí)間歷程，其存在兩個(gè)峰值響應(yīng)。第一個(gè)響應(yīng)峰值為火工品爆炸所產(chǎn)生，后續(xù)峰值為火工裝置動(dòng)作而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件之間的高速撞擊。其中C1測(cè)點(diǎn)位于爆炸點(diǎn)的較遠(yuǎn)位置（約3 m，結(jié)構(gòu)較柔性），C2測(cè)點(diǎn)位于爆炸點(diǎn)的較近位置（約0.2 m），C3測(cè)點(diǎn)位于C1 及C2測(cè)點(diǎn)之間（約1.5 m，結(jié)構(gòu)較剛性），C4測(cè)點(diǎn)位于爆炸點(diǎn)附近。爆炸分離沖擊的量值隨著距離的變化顯著衰減，但由于結(jié)構(gòu)剛性的不同，時(shí)域信號(hào)中的第二個(gè)峰值，C1測(cè)點(diǎn)信號(hào)的峰值較C3測(cè)點(diǎn)高，故分別對(duì)火工裝置爆炸造成的沖擊、結(jié)構(gòu)高速撞擊造成的沖擊以及爆炸分離的全過(guò)程，分別進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜分析，以C4為例，如圖2所示。

圖2　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沖擊響應(yīng)譜Fig.2　SRS of Original signal

從圖2中可明顯看出，爆炸分離沖擊的全過(guò)程主要由火工裝置爆炸造成的高頻沖擊成分和高速撞擊造成的結(jié)構(gòu)低頻響應(yīng)成分組成。故造成了結(jié)構(gòu)剛性較好的C3測(cè)點(diǎn)在響應(yīng)量值上低于結(jié)構(gòu)剛性較差的C1測(cè)點(diǎn)，但爆炸分離過(guò)程必須包含此兩種因素，故爆炸分離試驗(yàn)的考核時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮此兩種情況。圖2b為對(duì)四個(gè)不同測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行全程沖擊響應(yīng)譜分析，也可看出，隨著距離的增大，產(chǎn)品所承受的爆炸分離沖擊環(huán)境明顯減弱。

2　試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件一般是根據(jù)飛行可靠性要求及爆炸沖擊環(huán)境的分布特性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的統(tǒng)計(jì)和處理給出的。同時(shí)必須考慮試驗(yàn)條件可實(shí)施性，使裝備得到合理的考核。

2.1試驗(yàn)條件的歸納

當(dāng)有足夠多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算，并對(duì)沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行包絡(luò)估計(jì)，也可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法得到預(yù)期最大沖擊環(huán)境，歸納結(jié)果作為爆炸分離沖擊試驗(yàn)的基本試驗(yàn)條件。因此推薦采用具有一定置信度的統(tǒng)計(jì)方法，可計(jì)算得到一個(gè)偏差，使其可覆蓋至少95%的沖擊量級(jí)，且置信度為50%，即歸納P95/50單邊對(duì)數(shù)正態(tài)容差上限。若測(cè)量數(shù)據(jù)不足，考慮到可能存在因?yàn)榛鸸て繁ǖ碾x散性，建議對(duì)包絡(luò)后形成的沖擊響應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一定量的增加，一般考慮增加+3～+6 dB。一個(gè)包絡(luò)規(guī)范譜的情況如圖3所示。

圖3　爆炸分離沖擊的規(guī)范譜Fig.3　SRS of pyroshock

如果一個(gè)單一軸向的試驗(yàn)不能反映其他軸向的響應(yīng)時(shí)，要進(jìn)行三個(gè)軸向的試驗(yàn)。如果有理由認(rèn)為僅需要一個(gè)軸向的試驗(yàn)（如裝備沖擊響應(yīng)僅對(duì)一個(gè)方向敏感），可以只進(jìn)行單軸向試驗(yàn)。盡管裝備在壽命期內(nèi)可能只經(jīng)歷一次爆炸分離沖擊，但考慮試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定時(shí)統(tǒng)計(jì)置信度的要求，GJB 150.27—2009建議每軸向試驗(yàn)至少3次。若采用極值包絡(luò)，則產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果具有一定的保守性，直接用于試驗(yàn)可能引起過(guò)試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)的實(shí)施

沖擊試驗(yàn)是考核沖擊環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，評(píng)定設(shè)備承受沖擊環(huán)境的能力。早期的沖擊試驗(yàn)，主要是以簡(jiǎn)單經(jīng)典脈沖波形（如半正弦）來(lái)模擬實(shí)際的沖擊環(huán)境。半正弦波有較大的低頻能量，試驗(yàn)時(shí)常使許多設(shè)備，特別是帶減震器的設(shè)備，由于低頻過(guò)試驗(yàn)而損壞。另外，由于在實(shí)際環(huán)境中產(chǎn)品經(jīng)常遇到的是復(fù)雜沖擊，因此用半正弦脈沖做為試驗(yàn)規(guī)范還可能導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)室已通過(guò)半正弦波沖擊試驗(yàn)的設(shè)備，在實(shí)際環(huán)境中又可能被損壞。

圖4　經(jīng)典沖擊與爆炸分離沖擊的對(duì)比Fig.4　Contrast between classic shock and pyroshock

爆炸分離沖擊是典型的復(fù)雜振蕩型沖擊，具有高幅值的振蕩波形，且持續(xù)時(shí)間很短，一般在20 ms內(nèi)衰減到0。針對(duì)爆炸分離沖擊的特點(diǎn)，宜采用等效損傷準(zhǔn)則來(lái)對(duì)其進(jìn)行模擬，即用沖擊響應(yīng)譜來(lái)模擬。若產(chǎn)品在爆炸沖擊模擬裝置的沖擊激勵(lì)作用下產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)譜與實(shí)際沖擊環(huán)境產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)譜相當(dāng)，就可以認(rèn)為該產(chǎn)品經(jīng)受了爆炸沖擊環(huán)境試驗(yàn)。

目前,模擬爆炸沖擊環(huán)境的方法主要有如下3類［11—15］：

1）火工品爆炸方式。可以產(chǎn)生最精確的模擬結(jié)果以及近區(qū)爆炸沖擊環(huán)境所特有的高加速度和高頻率范圍，但存在安全性差及加載量級(jí)離散性大等問(wèn)題。

2）機(jī)械撞擊方式。利用機(jī)械裝置的撞擊產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)環(huán)境，模擬爆炸沖擊類似的響應(yīng)環(huán)境，其具備操作成本相對(duì)較低、重復(fù)性好和加載量級(jí)可預(yù)見(jiàn)性高等優(yōu)點(diǎn)，但在產(chǎn)生沖擊譜的能力上存在一些局限性。

3）振動(dòng)臺(tái)模擬，可以實(shí)現(xiàn)模擬低幅值復(fù)雜沖擊環(huán)境沖擊譜的能力，這種方式的操作成本低、可控性高，但幅值、頻譜范圍和方向受到限制。

這三種模擬方式在GJB 150.27中也對(duì)應(yīng)了不同的程序，詳見(jiàn)表1。

表1　爆炸分離沖擊試驗(yàn)程序Table 1　Procedures of pyroshock test

由于導(dǎo)彈組成復(fù)雜，整機(jī)結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)不利于實(shí)驗(yàn)實(shí)施，若對(duì)整機(jī)進(jìn)行爆炸分離沖擊試驗(yàn)，存在費(fèi)用高、安全性差的問(wèn)題。因此將以某型導(dǎo)彈全彈各部組件按距離爆炸源的位置進(jìn)行分析，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別給出導(dǎo)彈遠(yuǎn)端（前部）、導(dǎo)彈近端（后部）的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法，以解決導(dǎo)彈在研制、生產(chǎn)中所需的爆炸分離沖擊試驗(yàn)技術(shù)難題。

從典型的爆炸沖擊環(huán)境（如圖2所示）可看出，中遠(yuǎn)距測(cè)點(diǎn)沖擊響應(yīng)譜幅值一般不超過(guò)200g，故離爆炸源較遠(yuǎn)的導(dǎo)彈中前部可通過(guò)振動(dòng)臺(tái)沖擊響應(yīng)譜實(shí)現(xiàn)部組件的考核。相應(yīng)的爆炸源附近測(cè)點(diǎn)因歸納出的沖擊響應(yīng)譜可達(dá)10 000g以上，振動(dòng)臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬。同時(shí)因?qū)椊Y(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，較難采用機(jī)械撞擊方式模擬，建議直接采取導(dǎo)彈中后部，保持正式部段結(jié)構(gòu)及正式火工品，直接進(jìn)行模擬試驗(yàn)。此試驗(yàn)方式可避免進(jìn)行導(dǎo)彈整機(jī)的試驗(yàn)，僅進(jìn)行導(dǎo)彈尾部部組件的實(shí)際爆炸分離試驗(yàn)，可有效地減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。

3　結(jié)語(yǔ)

空空導(dǎo)彈在壽命期內(nèi)需經(jīng)歷爆炸分離沖擊環(huán)境，文中通過(guò)數(shù)據(jù)獲取的方式分析了如何獲取制定爆炸分離沖擊環(huán)境的數(shù)據(jù)，并針對(duì)某型空空導(dǎo)彈的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了相應(yīng)的分析結(jié)果。同時(shí)分析了如何通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行條件的歸納，并考慮試驗(yàn)實(shí)施的困難，針對(duì)產(chǎn)品及爆炸分離沖擊的特性，設(shè)計(jì)了一種對(duì)空空導(dǎo)彈爆炸分離沖擊的考核方法，以使產(chǎn)品得到合理的考核。

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Pyroshock Test for Air-to-Air Missile

GUO Xun,GUO Qiang-ling
(ChinaAirborne MissileAcademy,Luoyang 471009,China)

Objective To obtain the conditions and methods of pyroshock test for air-to-air missile.Methods According to the characteristics of pyroshock,such as high frequency,high acceleration and short-time duration,the method to obtain the pyroshock signal as well as the shock response spectrum and inductive data processing method were analyzed.Results Pyroshock data of air-to-air missile were obtained by test.Characteristics of pyroshock at different measuring points were acquired through shock response spectrum(SRS)and statistical induction.Conclusion Testing conditions and methods of a reasonable and implementary pyroshock test for air-to-air missile are given.

air-to-air missile;pyroshock;SRS

2016-03-19；Revised：2016-04-01

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.013

TJ73

A

1672-9242(2016)04-0078-05

2016-03-19；

2016-04-01

郭迅（1987—），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境預(yù)示。

Biography：GUO Xun(1987—),Male,from Luoyang,Henan,Master,Engineer,Research focus:environmental signal.