本發(fā)明涉及一種航天器設(shè)備沖擊防護裝置，特別是針對航天器上有高安裝精度要求的設(shè)備，對航天器火工裝置爆炸沖擊進行防護的裝置。

背景技術(shù)：

航天器上廣泛采用了火工分離裝置，用來完成連接與釋放、切割與破碎等功能?；鸸ぱb置爆炸分離會在瞬時激起高頻響高過載的振動級，沖擊譜峰值響應(yīng)頻率在10kHz以上，沖擊幅值高達10000-30000g，持續(xù)時間為毫秒級，對火工裝置附近的電子儀器設(shè)備上的晶體和陶瓷材料有嚴重的破壞作用。

根據(jù)2001年第52屆國際宇航大會論文“Isolation of sensitive instrumentation-platforms against very high pyrotechnic shock in launch vehicles(譯為：運載火箭上敏感設(shè)備平臺對高量級爆炸沖擊的隔離)”報道，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，以下簡稱為NASA)和歐洲航空防務(wù)與航天公司(European Aeronautic Defense and Space Company，以下簡稱為EADS)針對航天器設(shè)備沖擊防護采用圖1設(shè)計。如圖1所示，在連接界面兩端安裝硅橡膠墊片，并在安裝螺栓外部設(shè)置熱縮套管，構(gòu)成設(shè)備與安裝支架間的彈性隔離，實現(xiàn)對沖擊載荷的緩沖。該方式在阿里安-5火箭上面級上得到大量應(yīng)用，并取得良好效果。

在2007年《宇航學報》的28卷6期中，文獻“粘彈阻尼減振在導彈隔沖擊結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用”提出了一種應(yīng)用粘彈阻尼材料的緩沖器，用于設(shè)備對導彈的火工分離沖擊載荷進行防護，其設(shè)計如圖2所示，設(shè)備安裝在隔板上，隔板通過粘彈性材料與安裝支座彈性隔離，實現(xiàn)對由支座傳遞而來的沖擊載荷進行隔離，試驗表明該設(shè)計具有良好的隔沖擊效果。

然而，上述兩種類型的設(shè)備沖擊防護設(shè)計均以具有較大阻尼的橡膠或粘彈性材料作為沖擊隔離緩沖器的彈性阻尼元件，應(yīng)用于有高安裝精度要求設(shè)備的沖擊隔離時有以下兩點不足：

1)緩沖器對安裝設(shè)備形成彈性隔離，難以保證設(shè)備安裝精度；

2)彈性元件具有材料非線性，高量級沖擊載荷衰減后，設(shè)備相對初始位置發(fā)生無法預計的位移，設(shè)備經(jīng)歷沖擊后安裝精度無法保證。

因此，為對有安裝精度要求的設(shè)備進行沖擊防護，急需一種不僅可以大幅降低沖擊載荷同時亦能保證設(shè)備安裝精度的沖擊防護裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中彈性阻尼元件緩沖器無法保證設(shè)備安裝精度的問題，本發(fā)明提出了一種航天器設(shè)備沖擊防護裝置，對航天器的火工爆炸沖擊進行防護，在高效隔離沖擊載荷的同時保證設(shè)備的安裝精度，并可通過對沖擊防護裝置進行簡單結(jié)構(gòu)調(diào)整可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同重量與尺寸設(shè)備的沖擊防護需求。

本發(fā)明提供了一種航天器設(shè)備沖擊防護裝置，用于對航天器的火攻爆炸沖擊進行防護，包括：主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)，其中，主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)均為金屬骨架，設(shè)備被安裝在托架結(jié)構(gòu)上，主架結(jié)構(gòu)與托架結(jié)構(gòu)之間、主架結(jié)構(gòu)與航天器的艙體結(jié)構(gòu)之間以及設(shè)備與托架結(jié)構(gòu)之間均通過螺栓剛性連接。

優(yōu)選地，主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)的金屬骨架的表面粘貼覆蓋有單側(cè)或雙層的約束阻尼層。主架結(jié)構(gòu)與航天器的艙體結(jié)構(gòu)的連接部分為過渡結(jié)構(gòu)并由多個肋片組成，其中，過渡結(jié)構(gòu)用于分散航天器的艙體結(jié)構(gòu)的沖擊載荷輸入、延長沖擊應(yīng)力波在裝置上的傳遞路徑并使其發(fā)生多重反射以使沖擊載荷衰減。肋片的數(shù)量和位置都是可變的，以調(diào)整裝置剛度，從而避免設(shè)備沖擊防護裝置與設(shè)備的組合系統(tǒng)與航天器發(fā)生動力耦合。

主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)之間的螺栓連接使應(yīng)力波在傳遞至設(shè)備的過程中經(jīng)歷一個機械連接面，從而使沖擊載荷進一步衰減。

約束阻尼層具有約束作用并用于在沖擊響應(yīng)過程中發(fā)生振動變形時不產(chǎn)生伸縮變形，從而使轉(zhuǎn)之內(nèi)各層之間通過生剪切作用而耗散能量。約束阻尼層使沖擊能量在傳遞過程中快速衰減，從而抑制在航天器的發(fā)射段穩(wěn)態(tài)振動的量級。

因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，采用本發(fā)明可以實現(xiàn)以下的有益效果：

1)設(shè)備沖擊防護裝置的安裝環(huán)節(jié)未使用傳統(tǒng)方式所采用的彈性阻尼元件，而采用剛性連接，可以保證設(shè)備安裝時的精度；

2)高量級應(yīng)力波傳遞至沖擊防護裝置時，后者僅發(fā)生彈性變形，沖擊載荷衰減后，沖擊防護裝置的金屬主體結(jié)構(gòu)將恢復其初始位置，與傳統(tǒng)方式經(jīng)歷沖擊會引起無法預計的永久變形相比，可以使設(shè)備經(jīng)歷沖擊環(huán)境后的安裝精度得到保證；

3)通過調(diào)整沖擊防護裝置的肋片數(shù)量及位置以調(diào)整裝置剛度，可以適應(yīng)不同重量設(shè)備的沖擊防護要求。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中NASA和EADS所采用的航天器設(shè)備沖擊防護設(shè)計的示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的導彈上設(shè)備的沖擊隔離緩沖器的示意圖；

圖3是本發(fā)明的設(shè)備沖擊防護裝置結(jié)構(gòu)組成及外形圖，其中，(a)是主架結(jié)構(gòu)，(b)是托架結(jié)構(gòu)，(c)是安裝設(shè)備的沖擊防護裝置；

圖4是本發(fā)明的設(shè)備沖擊防護裝置的二維圖；

圖5示出了設(shè)備沖擊防護裝置的金屬骨架，其中，(a)是主架部分，(b)是托架部分，(c)是整體；

圖6是設(shè)備沖擊防護裝置的約束阻尼層結(jié)構(gòu)的示意圖，其中，(a)是雙側(cè)約束阻尼層，(b)是單側(cè)約束阻尼層；

圖7示出了本發(fā)明的沖擊防護裝置在某方向的沖擊時域曲線；

圖8示出了本發(fā)明的沖擊防護裝置在某方向的沖擊響應(yīng)譜；以及

圖9示出了采用不同過渡結(jié)構(gòu)的沖擊防護裝置。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖3-圖9及具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

應(yīng)了解，本發(fā)明的沖擊防護裝置由兩部分組成，包括主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝在托架結(jié)構(gòu)上，其外形如圖3所示，二維圖如圖4所示。主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)間、主架結(jié)構(gòu)與航天器艙體結(jié)構(gòu)間及設(shè)備與托架結(jié)構(gòu)間均通過螺栓剛性連接。

如圖5所示，主架結(jié)構(gòu)及托架結(jié)構(gòu)為金屬骨架，其表面粘貼覆蓋單側(cè)或雙側(cè)約束阻尼層，而約束阻尼層的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

參見圖4，主架結(jié)構(gòu)與航天器結(jié)構(gòu)的連接部分為過渡結(jié)構(gòu)，由多個肋片組成，該結(jié)構(gòu)形式可分散航天器結(jié)構(gòu)的沖擊載荷輸入，延長沖擊應(yīng)力波在防護裝置上的傳遞路徑并使其發(fā)生多重反射以衰減沖擊載荷。主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)間的螺栓連接使應(yīng)力波在傳遞至設(shè)備過程中經(jīng)歷一個機械連接面，使沖擊載荷進一步衰減。

沖擊響應(yīng)過程中防護裝置發(fā)生振動變形時，金屬骨架表面的阻尼層上下表面由于約束作用不能有伸縮變形，各層之間由于發(fā)生剪切作用而耗散能量。約束阻尼層使沖擊能量在傳遞過程中更迅速的衰減，同時抑制設(shè)備沖擊防護裝置在航天器發(fā)射段穩(wěn)態(tài)振動的量級。

通過改變過渡結(jié)構(gòu)，即增加或減少肋片數(shù)量或改變其位置，可以調(diào)整沖擊防護裝置的剛度，避免沖擊防護裝置與設(shè)備的組合系統(tǒng)與航天器發(fā)生動力耦合。

注意，本發(fā)明具體實施方式的沖擊防護裝置長為182mm，寬為160mm，高為50mm。

其中，主架結(jié)構(gòu)與航天器結(jié)構(gòu)間通過8個M4螺栓剛性連接，主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)間通過6個M4螺栓剛性連接，主架結(jié)構(gòu)上設(shè)置托板螺母。設(shè)備與托架間通過M4或M5螺栓連 接，托架上設(shè)置托板螺母，螺孔數(shù)量及位置根據(jù)設(shè)備安裝需求確定。主架結(jié)構(gòu)和托架結(jié)構(gòu)上均有開孔，以方便向下一側(cè)存在外伸結(jié)構(gòu)設(shè)備的安裝。開孔大小及形狀根據(jù)待防護設(shè)備的形狀確定。

主架結(jié)構(gòu)及托架結(jié)構(gòu)的金屬骨架由薄板組成，各處板厚為2mm，材料為2A12鋁合金。金屬骨架表面的雙側(cè)約束阻尼層即在金屬骨架兩側(cè)均粘貼單側(cè)約束阻尼層形成，單側(cè)約束阻尼層總厚度2.5mm，其中阻尼層厚度為2mm，選用ZN系列粘彈性阻尼材料，約束層為鋁合金蒙皮，厚度為0.5mm，材料為2A12鋁合金。

另外，本發(fā)明的沖擊防護裝置對沖擊載荷有良好的衰減效果，其對某方向上的沖擊載荷的衰減作用如圖7和圖8所示。

為適應(yīng)航天器上不同重量設(shè)備的沖擊防護需求，調(diào)整沖擊防護裝置過渡結(jié)構(gòu)的肋片數(shù)量及位置，并利用有限元軟件建模分析沖擊防護裝置與待防護設(shè)備組合系統(tǒng)的基頻，避免在發(fā)射過程中與航天器的主要固有頻率耦合。如圖9所示，示出了采用幾種不同形式過渡結(jié)構(gòu)的沖擊防護裝置。

綜上所述，通過本發(fā)明的航天器設(shè)備沖擊防護裝置，可以保證設(shè)備安裝時的精度，使設(shè)備經(jīng)歷沖擊環(huán)境后的安裝精度得到保證，并且通過調(diào)整沖擊防護裝置的肋片數(shù)量及位置，可以適應(yīng)不同重量設(shè)備的沖擊防護要求。

本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。