航天飞行器上通常使用大量的火工装置完成特定的功能,如子级或部段分离、大型天线或太阳能电池板展开、电爆阀启动、发动机点火等。这些火工装置爆炸时在邻近结构上所产生的剧烈的瞬态结构冲击响应,通常也称为火工品冲击。爆炸冲击具有冲击加速度量级大、振荡持续时间短(不大于20毫秒)、频响范围宽等特点。一般冲击加速度时域波形最大值在300~200000克,最高频率带宽可达100千赫。
爆炸冲击一般不会对较大型弹(箭)体结构的强度产生损伤(细长结构、轻薄结构和脆性材料结构除外)。但是,容易对电子设备和微机械设备产生危害。爆炸冲击引起的失效模式大体可分为四类:第一类是与高应力有关的失效模式,如细长结构或薄壁结构的失稳,脆性部件(如陶瓷、晶体及树脂玻璃等)的破碎等。第二类是由高加速度量级引起的失效模式,如引起继电器抖动,电位计滑移,阀芯误动作及螺栓松动;。第三类问题与位移过大有关,如焊点脱焊、电路板及导线的破裂,或封装模块内部电路与封装壳体接触引起的短路。最后一类是导致在冲击环境中操作的电子设备短时失效。由于在冲击过程中运行的电容器、晶振器或混合电路模块暂时失效引起的故障。另外,爆炸冲击偶尔会发生加热效应和电离效应引起的故障。
爆炸冲击试验条件主要以冲击响应谱形式给出,并要求模拟实际爆炸冲击测量数据的主要波形特征、持续时间等。模拟爆炸冲击环境的试验方法主要有火工品爆炸方式、机械撞击方式、振动台模拟三类。试验前,根据被试产品所在的爆炸环境区域及试验条件量级的不同,选择合适的模拟试验方法。
①火工品爆炸方式。使用火工品爆炸来激励响应结构产生要求的爆炸冲击环境,被试产品安装在响应结构上进行考核。试验时,激励源可以使用正式火工品装置或替代火工品,响应结构可以是正式部段结构或模拟结构。
采用真实的火工品装置和正式部段结构进行爆炸冲击试验一般称为系统级爆炸冲击试验。对其他大量级爆炸冲击环境的模拟,最通用的火工装置是用柔性聚能炸药条连接到作为响应结构的钢板边缘或背面,并且把试验件按照真实使用状态安装于钢板上进行考核。
火工品爆炸方式模拟试验技术的优点是,可以产生与实际火工品爆炸特征相似的高加速度和高频率范围的爆炸冲击环境。主要缺点是试验费用高、有安全性风险及加载量级离散性较大。
②机械撞击方式。机械撞击式模拟试验装置的主要原理是用一个物体撞击另外一个专门设计的响应结构,使被撞击的响应结构产生与爆炸冲击类似的响应环境。
这种设备多数利用摆锤、自由跌落质量、气动活塞、弹射弹或其他弹性加速弹丸等撞击另外一个结构(如板、梁、杆或组合结构等),以激发其共振,产生瞬态响应环境。通过调节响应结构的冲击动力学特性、支承条件以及控制撞击力的幅值和时间宽度,就可以使结构产生要求的冲击谱型。
撞击式模拟设备的主要优点是操作成本相对较低、重复性好和加载量级可预见性高。但是它们在产生冲击谱的能力上有一些局限性。
这种模拟试验方法产生的冲击谱量级在10000克以下,频率范围一般低于10千赫。
③振动台模拟。振动台模拟爆炸冲击的试验方法的原理是通过冲击响应谱加载控制技术,在振动台上实现低幅值的复杂冲击环境的冲击环境模拟,冲击响应谱控制所用的复杂冲击波形通常用小波综合及正弦衰减综合等方式生成。
电动振动台和电液振动台具有设备规范、操作成本低、可控性高等优点,但它们的幅值、频谱范围(3千赫以下)和方向受到限制。
特别需要说明的是,由于自由跌落式冲击台和经典波形冲击(如半正弦、锯齿波等)过大的低频冲击及高频的不足,不能用来模拟爆炸冲击环境。