基于实测数据分析的空空导弹冲击环境研究

基于实测数据分析的空空导弹冲击环境研究

摘要：介绍了空空导弹在寿命期内（包括运输、贮存和使用过程）所经历的各种冲击环境及其环境效应，研究了实测数据的分析处理方法，并以空空导弹冲击实测数据为实例进行分析处理，得出了描述实际冲击环境的主要技术参数，可为空空导弹冲击试验条件归纳和试验模拟提供理论支撑。

关键词：冲击环境；数据分析处理；试验条件

中图分类号：TJ760.6+24文献标识码：A文章编号：1673-5048（2015）03-0058-04

Study on Airborne Missile Shock Environment

Based on the Analysis of Measured Data

Guo Shengli，Yan Shengyan

（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Abstract：The shock environment and environment of airborne missile in the life period （including transportation，storage and use）are introduced.The analysis methods of measured data are researched，and the data is taken as an example for analysis. The main technical parameters to describe

the actual shock of the environment are got，which can provide theoretical support for airborne missile shock test condition and test simulation.

Key words：shock environment，data analysis and processing，test conditions

0引言

空空导弹在运输、贮存、挂飞和自主飞行过程中会遭遇严酷的冲击环境[1]，主要包括运输装卸时，由于人员或设备原因发生的意外跌落；挂机飞行时的起飞、着陆冲击；空中发射瞬时的发射冲击；飞机或导弹在空中作机动时的机动冲击；舰载飞机的弹射起飞和拦阻着陆冲击等等。这些冲击环境的效应都将直接影响空空导弹的结构完整性和

工作性能。

将空空导弹所经受的冲击“应力”，转化为相应试验条件，在实验室环境下进行冲击试验模

收稿日期：2015-04-02

作者简介：郭胜利（1981-），男，河南洛阳人，工程师，硕士研究生，研究方向是环境工程与环境试验技术。

拟，是提高产品健壮性的必要手段[2]。

在确定试验条件时，MILSTD810F[3]指出：根据在相似自然环境条件下安装在平台上的相同或非常相似的装备产

生的数据推导得出具体的试验量值、范围、速率和试验时

间。因此，在有空空导弹实测环境数据时，可对实测数据进行分析处理，转化为相应环境的试验条件，从而进行模拟试验，达到考核空空导弹对冲击环境的适应性的目的。

1冲击环境效应

冲击是装备经历的最一般的力学环境，装备对机械冲击环境的响应具有以下特征[4]：高频震荡、短持续时间、明显的初始上升时间和高量级的正负峰值，在产品上造成的破坏形式以峰值破坏为主，会导致：

a. 零件之间摩擦力的增加或减少，或相互干扰而引起的装备失效；

b. 装备绝缘强度变化、绝缘电阻抗下降、磁场和静电场强的变化；

c. 装备电路板故障、损坏和电连接器失效；（有时装备在冲击作用下，可能使电路板上多余物迁移而导致短路）；

d. 当装备结构或非结构件过应力时，装备产生永久性的机械变形；

e. 当超过极限强度时，装备的机械零件损坏；

f. 材料的加速疲劳（低周疲劳）；

g. 装备潜在的压电效应；

h. 由于晶体、陶瓷、环氧树脂或玻璃封装破裂造成的装备失效。

2冲击环境测量

冲击环境的瞬态性，使得测量实际的激励非常不现实。业内通用的做法是测量冲击环境引起的响应，从响应预测激励。通过试验件冲击响应特性将响应等效为激励，或直接采用响应控制[5]。

为了解产品实际的冲击环境，首先制定一个可行的测试方案，方案至少应包括冲击类型、测量点数量、位置和方向，采样频率和每个传感器的动态范围，且对冲击响应测量系统有严格的要求[6]，如下：

a. 动态范围大：由于冲击信号的幅值变化范围远较振动大，故冲击的准确描述至少需要40 dB以上的测量系统；

b. 频率范围宽：由傅里叶变化可知，即使一个简单脉冲，其频率范围也非常宽。例如一个持续时间为50 ms的半正弦脉冲，其频率含量远高于连续正弦振动信号的频率，甚至在100 Hz仍有频率分量存在；对于典型脉冲，频率范围的经验公式为0.008D≤f≤10/D，式中D为冲击持续时间。

c. 若测量系统高频限不足以覆盖脉冲高频含量，则会产生失真。为了避免波形失真，一般对测量系统的上限频率设置推荐为f≥10/D是合理的。

实际测量时，记录冲击响应的时域信号和测量过程中所发生的物理事件，测量数据用于数据分析。

3冲击数据分析处理方法 3.1数据预处理

冲击信号具有强的瞬态性，信号中难免混入一些失真的信号或干扰信号。所以，在得到冲击环境的实测数据后，首先要对数据进行一系列的预处理[7]，以得到真实有效的数据。预处理过程主要有：失真数据的辨识及处理、间歇噪声辨识及处理、过大仪器噪声辨识及处理、假趋势辨识及处理、信号丢失处理等。对预处理后的数据进行分析处理主要分为时域和频域两种分析方法。

3.2时域分析方法

冲击时域数据分析应该给出三个主要特征信息：冲击有效持续时间、峰值加速度值和冲击信号波形。

3.2.1冲击有效持续时间的确定

航空兵器2015年第3期郭胜利等：基于实测数据分析的空空导弹冲击环境研究冲击的有效持续时间[8]有以下两

种定义：

a. 冲击的有效持续时间TE是包含绝对值超过1/3最大峰值的所有时间历程幅值所对应的最小时间长度；

b. 冲击有效持续时间Te（对处理复杂瞬态数据更合适）的定义是：包含至少90%以上的均方根RMS时间历程幅值超过10%最大均方根幅值的时间历程所对应的最小时间长度。

图1所示为冲击加速度响应时间历程样本。图2说明了图1所示样本经截断的冲击时间历程的有效持续时间TE

和Te。由于这种冲击波形的复杂和延长的特点，TE和Te 相差不大。对于少数复杂冲击的时间历程，通常不是这样。对TE的90%的技术要求，防止了由于幅值超过10%RMS 的噪声尖峰影响所导致的冲击持续时间过长。图3给出了图2所示的时间历程的短时平均RMS值的估计以及Te。图3中，短时平均时间大约是Te的13%。多数情况下，分析员根据经验能够圆满地确定有效持续时间TE和Te，用来替代精确的分析定义。为确定有效持续时间TE和Te，在对任何测量的瞬态时间历程数据进行处理时，重要的是保存复杂瞬图1冲击加速度响应时间历程样本

图2冲击加速度响应时间历程截断样本的有效持续时间态过程的固有信息和最大限度地减少与仪器噪声有关

的信息。

图3冲击加速度响应时间历程截断样本短时平均RMS

3.2.2峰值加速度的确定

峰值加速度：最高峰所对应的幅值即为峰值加速度。

3.2.3冲击波形的确定

根据冲击激励源的不同，对简单冲击，时域冲击波形可近似处理为半正弦波、后峰锯齿波或梯形波；对复杂冲击，可以处理为持续时间为Te的瞬态过程。

鉴于冲击激励的复杂性，实际的冲击波形从冲击响应时域波形上往往很难确定，GB/T2423.5-1995《电工电子产

品环境试验第二部分：试验方法试验Ea和导则：冲击》中给出了一个原则性的建议，可参考执行[9]。即：一般的，对线弹性系统的撞击或减速引起的冲击，选用半正弦波；由于爆炸螺栓引起的冲击，选用梯形波。GJB150.18A建议优先使用后峰锯齿波，理由是后峰锯齿波比半正弦波具有更均匀的冲击响应，其残余冲击响应谱接近初始响应谱。

3.3频域分析方法

在给定分析频率fn上的冲击响应谱值SRS定义如下：一个无阻尼振动固有频率为fn的单自由度（SDOF）系统上作用一个给定的基础输入时，质量块的最大响应。基础输入是在一个规定的持续时间内的实测冲击（规定的持续时间应当是有效持续时间Te）。单自由度系统的阻尼特性用“Q”（品质因子）表示，Q为50表示1%的临界阻尼，Q为10表示5%的临界阻尼，Q为5表示10%的临界阻尼。在实验室模拟时，Q可取10和5 两个值，分别对应较大阻尼和较小阻尼。冲击响应谱曲线的横坐标是单自由度系统的固有频率，纵坐标是最大响应加速度。冲击响应谱的频率范围从所感兴趣的最低频率一直到该谱达到平直段时的频率。对高端频率要求保证不忽略任何高频分量，最低频率由装备的频率响应特性确定。对于感兴趣的最低频率fmin，冲击响应谱的计算从冲击的第一个幅值上升开始，到Te或1/2fmin（两者取较大者）。

冲击响应谱描述了一系列单自由度振动系统，在冲击激励作用下，其最大响应值与系统的固有频率之间的关系（称为初始冲击响应谱）。在冲击激励函数作用之后，单自由度振动系统的响应时间历程出现的最大值与系统的固

有频率之间的关系称为剩余冲击响应谱。

最大冲击响应谱是在冲击激励函数作用下，单自由度振动系统的响应时间历程最大值与系统的固有频率之间的

关系。取初始冲击响应谱与剩余冲击响应谱之间的最大值。在工程实际中，大多采用最大冲击响应谱。

4实例分析

4.1弹射冲击

某产品弹射试验时测得的时域信号如图4所示，从实测数据中得出，该环境属于冲击环境，首先对冲击数据进行预处理，包括剔除趋势、奇异点等。

图4弹射试验原始时域图

从时域信号结合弹射实际过程可以看出，弹射冲击分为三个冲击过程，第一个为发射装置解锁过程，第二个为弹射过程，第三个为产品落地的缓冲过程。按本文第3节方法对弹射过程冲击信号进行分析[10]，分析结果如图5和图6所示。

图5弹射冲击信号时域

由分析得出，弹射冲击：峰值加速度约为80g，持续

时间约为10 ms，冲击响应谱拐点约为4 500 Hz，峰值约为380g。

图6弹射冲击信号冲击响应谱

4.2运输跌落冲击

某产品带包装箱运输跌落时测点的冲击响应如图7所示。

图7包装箱底面跌落时域信号

时域信号结合跌落物理过程可以看出，跌落冲击分为两个冲击过程，第一个为跌落至地面过程，第二个为地面缓冲过程。对第一个冲击信号进行分析，分析结果如图8和图9所示。图8跌落冲击时域

图9跌落冲击响应谱

由分析得出，跌落冲击：峰值加速度约为50g，持续时间约为20 ms，波形近似为半正弦脉冲。冲击响应谱拐点约为35 Hz，峰值约为50g。

4.3发射冲击

某产品发射时测得的原始时域信号如图10所示。

图10发射冲击原始时域

时域分析如图11所示，频域分析如图12所示。

图11发射冲击时域

图12发射冲击响应谱

由分析得出，发射冲击：峰值加速度约为40g，持续

时间约为27 ms，波形近似半正弦脉冲。冲击响应谱拐点约为30 Hz，峰值约为50g。

本章以弹射冲击、运输跌落冲击和发射冲击实测数据为例，分析并提取了相应冲击环境的试验技术参数：经典冲击试验所需要的冲击时域峰值加速度（隐含冲击方向），冲击持续时间、冲击波形；或冲击响应谱试验所需要的冲击响应谱数据。

试验条件与试验方法密切相关，对于现场模拟试验，只需构建与实际环境相同或相近的环境，按照试验件实际使用的方式进行（下转第65页）（上接第页）同或相近的环境，按照试验件实际使用的方式进行试验。对于条件试验，将实测数据按本文3.2节方法处理给出试验方法要求的试验参数即为试验条件。对于冲击响应谱试验，按本文3.3节方法对实测数据进行5%和10%阻尼比的最大冲击响应谱计算，然后对一系列的冲击响应谱数据分别进行95/50单边容差上限归纳即可确定冲击响应谱的试验谱形。

5结论

本文介绍了介绍了空空导弹在寿命期内（包括运输、贮存和使用过程）所经历的各种冲击环境及其环境效应，研究了实测数据的分析处理方法，并以空空导弹冲击实测数据为实例进行分析处理，得出了描述实际冲击环境的主要技术参数，可为空空导弹冲击试验条件归纳和试验模拟提

供理论支撑。

参考文献：

[1] 国防部试验方法标准.环境工程考虑和实验室试验.北京：中国航空工业第三零一所，2008.

[2] GJB150A.军用装备实验室环境试验方法[S].

[3] GB/Z222.动力学环境数据采集和分析指南.国防科技工业委员会，2005.

[4] James H.Wise.动力学数据采集和分析手册.国防科技工业标准化研究中心译，2003.

[5] 李德葆. 工程振动试验分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.0引言