[发明专利]用于模拟高强度烟火冲击的系统和方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及冲击测试，更具体地，涉及用于模拟受测组件或样品中的高强度烟火冲击（pyrotechnic shock）的系统和方法。

背景技术

航天器如通信卫星在发射过程中会受到若干分散冲击事件。例如，在助推器和运载火箭分离以及运载火箭级分离过程中，运载火箭携带的航天器会受到冲击。一旦航天器进入轨道，航天器与运载火箭分离以及子系统如太阳能电池板的部署过程中，航天器也会受到冲击。

烟火或爆炸性材料被广泛用在太空发射中以促进上述提到的分离和部署事件。在分离或部署事件过程中爆炸性能量的释放会引起持续时间相对较短而幅值较高的冲击脉冲的产生。例如，冲击脉冲的持续时间可以在50微秒到不超过20毫秒之间。此外，冲击脉冲的频率范围可以达到1000000Hz，且峰值幅度（例如，加速度）达300000g（或g’s）。这种强度相对较高的冲击脉冲会被传输到安装在航天器和运载火箭上的敏感组件和仪器中。

为了确保这些组件在发射过程中能够承受高强度冲击脉冲，通常在实验室环境或其他受控环境中对单个组件进行合格性测试。在合格性测试过程中，组件会受到模拟预期发生在服务环境中（例如，在运载火箭上）的烟火冲击的冲击脉冲。通常使用指定或期望冲击响应谱或冲击响应频谱（shock response spectrum，即SRS）来描述被模拟的烟火冲击的特征。可以使用实弹通过测量模拟的或实际的系统结构对烟火冲击的响应来建立期望SRS。例如，可以建立表示被传输到安装在运载火箭的载荷连接装置上的通信卫星的烟火冲击的期望SRS。该期望SRS可以包括所有在飞行序列过程中发生的烟火冲击的复合。例如，期望SRS可以包括发生在火箭发动机和运载火箭分离过程中的冲击，整流罩和运载火箭分离过程中的冲击，引爆烟火螺栓切割刀过程中的冲击以及其他冲击事件，其中引爆烟火螺栓切割刀会释放将卫星固定在载荷连接装置上的夹紧带，从而允许卫星与运载火箭分离。

在组件合格性测试过程中，用于模拟烟火冲击的系统和方法包括在实验室环境中测定量弹药的使用。弹药可以与安装有组件或组件质量模型的结构连接。可以试图引爆弹药以在该结构中产生引起加速度响应的冲击脉冲，重复期望SRS。不幸地，使用这种方法产生的冲击脉冲会不准确，因为难于量化测定量弹药（即，爆炸物质）包含的潜在能量。此外，实弹产生的冲击脉冲会难于控制，从而导致在反复试验基础上使用不同实弹量耗费时间重复测试直到实现加速度响应在期望SRS可接受的限度内。

此外，因为期望SRS可以包括若干具有不同频率成分的不同冲击事件，使用实弹测试会导致受测样品的过测试，从而损伤昂贵的测试硬件，而且需要故障分析以及硬件的修理、修复或重新设计，然后再重新测试。为了避免过测试而减少弹药量会导致受测样品的欠测试（under-testing），其中冲击幅值小于合格性测试指定的水平。与使用爆炸性材料进行合格性测试相关的进一步缺点是为安全处理和材料存储，需要复杂测量。

用于模拟烟火冲击的现有系统还包括机械撞击的使用，从而在装有待测组件的结构中产生冲击脉冲。不幸地，机械撞击方法存在的挑战在于从一次机械撞击到另一次机械撞击精确地在结构中重现期望的加速度。此外，机械撞击方法会在主要冲击脉冲结束时在结构中引起机械鸣震（mechanical ringing）或残留的机械响应。这种机械鸣震不会出现除非由于用于实际飞行结构中的冲击的吸收、抑制、衰减或分布而出现在实际飞行结构中。就这一点而言，这种会出现在撞击方法中的机械鸣震会引起烟火撞冲击的不精确模拟。

可看出，在现有技术中需要一种系统和方法来精确模拟具有期望SRS的高强度烟火冲击，该冲击包括若干具有不同频率成分的冲击事件。此外，现有技术中还需要一种系统和方法模拟高强度烟火冲击，其能够被精确地控制，同时具有极好的重复性而且成本较低。

发明内容

本发明具体解决和缓和了上述关于高强度烟火冲击模拟的需求，其中，在一个实施例中，本发明提供了一种用于模拟烟火冲击的系统。该系统可以包括电功率放大器、振动器或谐振梁（或称为共振梁（resonance beam））。电功率放大器可以被配置为放大表示期望冲击响应频谱（SRS）的瞬态信号。振动器可以被配置为产生冲击脉冲以响应放大的信号波形。谐振梁可以被安装至振动器且可以被配置为放大冲击脉冲。