崔冠宇，翟高偉，時洪揚，李 碩，文 藝，張顯輝，王雁翔

可回收電子設備抗強沖擊設計研究*

崔冠宇1，翟高偉1，時洪揚1，李 碩1，文 藝2，張顯輝1，王雁翔1

（1北京遙測技術研究所 北京 100076 2北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

針對箭載可回收電子設備的抗強沖擊設計進行了分析研究，設備采用模塊化方式方便安裝和調(diào)試，采用多種措施提升設備的抗強沖擊能力：對于設備和整流罩一起落地的情況，采用安裝腳減振防護；對于整流罩空中解體、設備單獨落地的情況，采用包角減振防護；為防止電源開關控制柄在強沖擊下移位，采用開關限位凸臺進行限位防護；對于印制板上的元器件，通過緩沖膠灌封來保證元器件焊點的強度，防止管腳斷裂、焊點開裂；采用LED防護罩對LED霧燈提供結(jié)構(gòu)防護，同時保證了LED霧燈的燈光能被觀察到。結(jié)合力學仿真和力學試驗，有效解決了可回收電子設備抗強沖擊問題。

可回收；強沖擊；力學仿真

引 言

目前，火箭整流罩一般采用無控制的再入返回方式，由于各種隨機干擾的影響，落點散布較大，較大的落區(qū)范圍將帶來人員疏散和財物安全的問題。隨著我國運載火箭發(fā)射任務的日益增多，整流罩落區(qū)的安全性已經(jīng)成為影響型號飛行方案及運載能力的關鍵因素。以某長征運載火箭為試點開展整流罩傘降控制回收研制，為后續(xù)火箭整流罩的重復利用打下技術基礎。

有源信標機安裝在整流罩上，內(nèi)置黑匣子，可記錄整流罩飛行參數(shù)。同時，信標機含有信標天線模塊、通信模塊、信標發(fā)射模塊及電源模塊，可通過有源信標機隨時跟蹤整流罩位置。整流罩在二級火箭飛行段被拋掉后，以自由落體形式返回地面，若降落傘打開失敗，整流罩落地沖擊會達到三萬倍重力加速度，所以要求有源信標機必須滿足抗三萬倍重力加速度強沖擊的要求。在承受強沖擊條件下，有源信標機在落地后需要正常工作，地面搜尋人員手持檢測設備能在150 km范圍內(nèi)順利搜尋到有源信標機發(fā)射的信號，保證有源信標機可回收。目前，抗強沖擊設計有采用阻尼材料和安裝阻尼器的方法來減小結(jié)構(gòu)的振動幅度[1,2]，有采取對合組合碟簧將大部分沖擊載荷作用在端蓋再傳遞給設備[3]，有采取限位器限制設備與安裝板的相對位移幅值[4]。對于箭上產(chǎn)品，空間緊湊且功能單元多，沒有放置對合組合碟簧和限位器的空間，僅憑阻尼器無法滿足設備抗三萬倍重力加速度強沖擊的要求。本文綜合采用多種減振和緩沖方式，滿足了有源信標機抗強沖擊的要求。

1 抗沖擊能力提升措施

根據(jù)功能需求，有源信標機需要采用集成化技術，集成電源、遙測、信標、衛(wèi)星通信及數(shù)據(jù)存儲等功能，既能通過無線電主動發(fā)送位置信息，又能提供信標供地面設備以搜索信號強度方向的方式實現(xiàn)單人地面逼近定位搜尋。有源信標機設備整機如圖1（a）所示，在信標機上表面放置電源開關保護蓋板，在兩個側(cè)面放置LED霧燈，信標機包含的模塊有：通信模塊、信標天線模塊、信標發(fā)射模塊、存儲模塊、電源模塊，如圖1（b）所示。

本文采用安裝腳減振、包角減振、電源開關限位、緩沖膠、LED防護罩等措施提升信標機的抗強沖擊能力。

1.1 采用安裝腳減振

有源信標機安裝在火箭整流罩上，落地瞬間有兩種可能：一是信標機和整流罩一起落地；二是整流罩空中解體，信標機單獨落地。針對信標機和整流罩一起落地的情況，需要在信標機的6個安裝腳放置減振墊。

常用的減振墊最大直徑為20 mm，承受的最大設備重量為7 kg。此次的有源信標機重量預計在10 kg～ 13 kg左右，且沖擊量級大，常用減振墊的減振能力無法滿足要求，需要尋找承重更大、減振效果更好的大減振墊。經(jīng)過調(diào)研，減振墊JZD38的減振能力滿足安裝減振要求，減振墊組成如圖2所示，各型號減振墊對比見表1。

加工減振墊ZJD38，設計配套的減振墊襯套、墊片，組裝后如圖3所示。減振墊ZJD38特性曲線如圖4所示。

圖2 減振墊組成示意圖

表1 減振墊性能及外形對比

圖3 減振墊JZD38總裝圖

圖4 減振墊JZD38特性曲線

1.2 采用包角減振

針對整流罩空中解體、信標機單獨落地的情況，需要在信標機的6個安裝耳片和8個外露角放置減振包角。

包角減振器根據(jù)有源信標機的安裝耳片尺寸和外露角尺寸開模具加工，膠料與ZJD38一致。根據(jù)包角減振器的尺寸設計固定減振器的襯套，構(gòu)成如圖5所示，總裝后如圖6所示。

1.3 電源開關限位

有源信標機為保證落地后能持續(xù)向外發(fā)送信號，內(nèi)置了可充電電源。在信標機頂面裝有電源開關保護蓋板，如圖1（a）所示。打開電源開關保護蓋板，可以操作電源開關。

圖5 包角減振器組成圖

圖6 包角減振器總裝圖

在火箭發(fā)射前，需要打開電源開關保護蓋板，將電源開關從“關”撥向“開”，電源開始工作。電源開關為彈簧結(jié)構(gòu)，在有源信標機落地瞬間，巨大的沖擊力有可能將電源開關的控制柄從“開”一側(cè)振到“關”，電源關閉，導致有源信標機無法向外發(fā)送信標信號，地面設備無法定位搜尋，因此需要設計限位結(jié)構(gòu)保證鈕子開關正常工作。

在電源開關保護蓋板上進行結(jié)構(gòu)設計改進，增加限位凸臺，如圖7所示。

圖7 增加限位凸臺

增加限位凸臺后，在電源開關保護蓋板打開時，電源鈕子開關可以在“開”、“關”間雙向撥動，但在電源開關保護蓋板合上后，限位凸臺擋住了鈕子開關的移動，電源開關只能定位在“開”或者“關”的某一側(cè)。即使有源信標機落地瞬間受到的沖擊力較大，電源開關也不會由于外力振到“關”的一側(cè)，保證了電源持續(xù)工作。

1.4 緩沖膠對元器件防護

在有源信標機受到強沖擊的情況下，最薄弱的地方是電子元器件。元器件容易在強沖擊下產(chǎn)生管腳斷裂、焊點開裂等情況，一旦焊點和管腳接觸不實，設備的電性能將無法保證。

元器件焊裝到印制板上，調(diào)試完畢后，在元器件外面灌一層緩沖膠，待膠液固化后，膠液和元器件結(jié)合成一個整體，提升了元器件的抗沖擊能力。但印制板緩沖膠的使用要考慮兩方面：一是有些緩沖膠需要先加熱熔化后再灌封固化，一旦加熱溫度過高，會損傷元器件性能；二是有些緩沖膠在固化時，有一個體積收縮的過程，產(chǎn)生的收縮應力有可能會損傷元器件，造成焊點或者管腳損傷。經(jīng)過調(diào)研，采用了緩沖膠HCJ1，該緩沖膠緩沖能力較強，融化溫度為45 ℃，低于元器件使用溫度，同時該緩沖膠固化時變形較小，不會對元器件管腳、焊點造成損傷。

對單模塊進行灌膠，包括模塊正反面，膠液距離模塊頂部1 mm～3 mm，高于需要保護的元器件。灌膠后如圖8所示。

測試各模塊電性能，一切正常后將各模塊組裝。

1.5 LED防護罩

為保證落地后被地面人員快速搜尋回收，有源信標機需配備LED霧燈。LED霧燈在強沖擊下需要保持正常工作，優(yōu)先選擇抗沖擊的柔性LED燈帶，如圖9所示。柔性LED燈帶的優(yōu)點是抗外界沖擊強，同時還可以裁剪成25 mm長的燈段，每段獨立可亮，如圖10所示。

圖9 柔性LED燈帶

在有源信標機的外側(cè)，安裝了4個LED，LED閃光可提醒搜尋人員，以便搜尋。LED霧燈在有源信標機落地瞬間有被撞擊損壞的風險。為保證LED霧燈正常工作，需要對其增加柔性膠套和防護罩。防護罩不僅要給LED霧燈提供結(jié)構(gòu)防護，還要在防護的同時保證LED霧燈的燈光能被外面觀察到。LED霧燈防護措施如圖11、圖12所示。將柔性LED燈帶安裝到有源信標機后，實物如圖13所示。

圖11 LED燈帶用膠套防護

圖12 膠套外安裝LED防護罩

2 力學仿真分析

通過力學仿真分析，可以提前發(fā)現(xiàn)存在的問題，早發(fā)現(xiàn)早解決。利用力學仿真分析軟件對有源信標機進行沖擊仿真分析[5,6]。

圖13 固定LED燈帶

表2 材料特性對比

印制板PCB和結(jié)構(gòu)殼體的材料視為線性，殼體材料為硬鋁2A12，印制板材料為環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240，襯套為不銹鋼1Cr17Ni2，其材料特性見表2。

沖擊響應分析用于評估設備在瞬時載荷下產(chǎn)生的響應。對沖擊試驗進行分析仿真，沖擊波形如圖14所示。

對單機分別加載、、方向沖擊載荷，仿真分析單機應力分布，分為信標機和整流罩一起落地、信標機單獨落地兩種情況進行分析。

圖14 沖擊試驗曲線

2.1 信標機與整流罩一起落地

信標機和整流罩一起落地，安裝腳減振墊發(fā)揮作用，設備應力分布云圖如圖15～圖17所示。

單機的沖擊應力最大發(fā)生在方向，最大應力為44.21 MPa。

沖擊的安全裕度計算（取安全系數(shù)=1.35）：

圖16 y方向應力分布

圖17 z方向應力分布

2.2 信標機單獨落地

信標機單獨落地，包角減振墊發(fā)揮作用，設備應力分布云圖如圖18～圖20所示。

圖18 x方向應力圖

圖19 y方向應力分布

圖20 z方向應力分布

單機的沖擊應力最大發(fā)生在z方向，最大應力為47.73 MPa。

沖擊的安全裕度計算（取安全系數(shù)=1.35）：

經(jīng)過仿真分析兩種情況，沖擊的安全裕度都大于零，單機滿足沖擊試驗條件，說明安裝腳減振墊和包角減振墊滿足要求。

3 試驗驗證

有源信標機調(diào)試后，通過力學試驗驗證設備的抗沖擊能力，分為隨機振動試驗和搭載飛行試驗。

3.1 隨機振動試驗

根據(jù)總體提供的隨機振動試驗條件開展試驗，試驗現(xiàn)場如圖21所示。

在有源信標機的試驗工裝上固定傳感器，通過傳感器反饋的信號確認試驗臺的振動量級，保證振動量級與總體要求一致。

圖21 力學試驗

試驗后對有源信標機進行電性能測試，指標正常，滿足要求。

3.2 搭載飛行試驗

開展搭載飛行試驗，驗證有源信標機的抗沖擊能力。

將有源信標機固定于某運載火箭的整流罩上，在火箭發(fā)射后4個小時內(nèi)，通過有源信標機的遙測數(shù)據(jù)信號及信標信號，地面搜尋人員順利確定準確落點，有源信標機成功回收，如圖22所示。

圖22 設備成功回收

搜索到有源信標機后，檢查發(fā)現(xiàn)電源模塊、信標天線模塊、通信模塊、存儲模塊、信標發(fā)射模塊均正常工作，之后成功讀取了全程飛行遙測參數(shù)，順利完成了飛行驗證任務。

4 結(jié)束語

通過安裝腳減振、包角減振，降低了有源信標機所承受的沖擊量級；通過給電源開關保護蓋板增加限位凸臺的方法，保證了在有源信標機受到強沖擊時，電源開關不會自動關閉；通過使用緩沖膠，對設備元器件起到防護作用；通過設計安裝LED防護罩，保證了LED霧燈在受到強沖擊時不僅能正常工作，LED燈光也能被觀察到。通過力學仿真分析和飛行試驗，驗證了對有源信標機的抗沖擊設計可以抗三萬倍重力加速度的強沖擊，措施有效。

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Research on high anti-impact design of recyclable electronic equipment

CUI Guanyu1, ZHAI Gaowei1, SHI Hongyang1, LI Shuo1, WEN Yi2, ZHANG Xianhui1, WANG Yanxiang1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076;2. Beijing Research Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076）

This paper focuses on the research on high anti-impact design of recyclable electronic equipment on rocket. The modular mode is adopted to facilitate the installation and debugging of the equipment. At the same time, many measures are adopted to improve the high anti-impact ability of the equipment: for the case that the equipment and the fairing fall to the ground together, the installation foot absorption pad is used for vibration reduction protection; for the case that the fairing disintegrates in the air and the equipment falls to the ground alone, the corner absorption pad is used for vibration reduction protection; in order to prevent the power switch control handle from shifting under strong impact, the limiting pin on power switch is used for limit; for the components on the PCB, the buffer glue is used to ensure the strength of the solder joints of the components and prevent pin fracture and solder joints cracking; the LED protective cover is used to provide structural protection for the LED lamp and ensure that the light of the LED lamp can be observed outside. Combined with mechanical simulation and mechanical test, the high anti-impact problem of recyclable electronic equipment is effectively solved.

Recyclable; High anti-impact design; Mechanical simulation

TB122

A

CN11-1780(2022)01-0041-09

10.12347/j.ycyk.20210309001

崔冠宇, 翟高偉, 時洪揚, 等.可回收電子設備抗強沖擊設計研究[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 41–49.

DOI：10.12347/j.ycyk. 20210309001

: CUI Guanyu, ZHAI Gaowei, SHI Hongyang, et al. Research on high anti-impact design of recyclable electronic equipment[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 41–49.

崔冠宇 1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為空用電子測控設備研制工作。

翟高偉 1986年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為空用電子測控設備研制工作。

時洪揚 1991年生，碩士，工程師，主要研究方向為空用電子測控設備研制工作。

李 碩 1993年生，碩士，工程師，主要研究方向為空用電子測控設備研制工作。

文 藝 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向為空間飛行器電氣系統(tǒng)綜合設計。

張顯輝 1976年生，碩士，研究員，主要研究方向為空用電子測控設備研制工作。

王雁翔 1983年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為超寬帶功放與信導設備研制。

基金項目：國家自然科學基金重大科研儀器研制項目“高速目標等離子體電磁信號多維度特征測量及通信技術研究”（6162790108）

2021-03-09

2021-05-05

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：楊秀麗)