CN109443682B - 激光激励式火工冲击模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光激励式火工冲击模拟装置，包括：谐振装置；大能量固体激光器，固体激光器发射激光，激光作用于谐振装置上产生冲击响应进而传递至被测试件上；和激光控制器，激光控制器对激光的输出能量、能量密度、脉宽和激光频率等参量进行调节，以适应不同冲击响应谱的要求，谐振装置包括：加载板、谐振板和传递块。传递块设置在加载板和谐振板之间，用于调节在谐振板上产生的冲击响应。通过激光激励与谐振装置的耦合作用，本发明能够快速、稳定模拟瞬态、高频、高量级冲击，其台面的重复性、均匀性及激光的可控性比较良好，能够较好地模拟火工冲击响应。
Description
技术领域
本发明涉及力学环境技术领域，特别是涉及火工冲击模拟装置。
背景技术
航天器火工冲击环境是由星箭分离、部组件展开等工作过程中的火工品起爆引起的作用于结构上的瞬态冲击响应，具有瞬态、高频、高量级的特点，是航天器在全生命周期内经历的最苛刻的力学环境之一。火工冲击的加速度响应幅值可高达200000g，作用持续时间小于20ms，主要频率在100Hz～100kHz范围。火工冲击能够对航天器上含有晶振、脆性材料等的精密电子设备造成致命损伤，影响甚至提前终止航天任务。
为了提高航天器的工作性能和可靠性，需要精确模拟火工冲击环境，测试航天产品对火工冲击的耐受性。目前，地面火工冲击模拟试验方法大体可分为火工爆炸式和非火工爆炸式两种。火工爆炸式试验采用真实火工品作为试验冲击源，能够模拟真实火工品爆炸产生的高频和高加速度量级，试验精度高。但采用火工爆炸式模拟试验装置，在正式试验前需要进行多次试错才能得到所需的冲击响应谱，试验结果可重复性差，而且试验成本高、周期长、存在较大的安全隐患。非火工爆炸式模拟试验又可分为机械撞击方式和振动台模拟两种。这类模拟方法具有重复性好、试验成本低等优点。目前国内航天产品冲击模拟试验主要采用该类方法。但是，非火工爆炸式方法模拟频率一般在10kHz以内，仅适用于模拟火工冲击中、远场的响应，无法模拟火工冲击源的高频特征，会导致“低频过”、“高频欠”的问题。“低频过试验”会造成设计合理的设备不能通过地面试验，而无法上天使用，“高频欠试验”则使一些设计有缺陷的航天产品“带病上天”，在轨发生故障，造成无法挽回的损失。因此，亟需研制一种高精度火工冲击模拟装置，实现航天产品真实火工冲击环境的精确模拟，为我国航天型号研制提供试验保障。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种火工冲击模拟装置，该装置具有快速、稳定、量级高、频率高等优点，实现了瞬态、高频、高量级的冲击试验要求。
本发明需要解决的技术问题是提供一种高精度火工冲击模拟试验装置，实现航天产品真实火工冲击环境的精确模拟、测试和分析。为解决上述技术问题，本发明提出了一种激光激励式火工冲击地面模拟试验装置，包括：
谐振装置；
固体激光器，固体激光器发射激光，激光作用于谐振装置上产生冲击响应进而传递至被测试件上；和
激光控制装置，激光控制装置对激光的输出能量、能量密度、脉宽和激光频率等参量进行调节，以适应不同冲击响应谱的要求，
其特征在于，
谐振装置包括：
加载板，加载板通过柔性索水平地吊设在谐振装置上；
谐振板，谐振板位于加载板上方，被测试件放置在谐振板上；
传递块，传递块设置在加载板和谐振板之间，用于调节在谐振板上产生的冲击响应。
根据本发明的一个实施例，谐振装置为长方体铝型材结构，通过螺栓固定在工作平台上。
根据本发明的一个实施例，加载板和谐振板都为铝合金材料，加载板通过四条柔性索在谐振装置上水平地吊起，并且谐振板通过四个传递块固定地设置在加载板上方。
根据本发明的一个实施例，加载板包括：板体，板体为冲击传递载体；波形发生器，述波形发生器为刚度不同的质量块，通过调节波形发生器可以实现冲击响应谱形控制；吸收层，吸收层为铝箔或者黑胶带，吸收层粘附于波形发生器上；和约束层，约束层为K9玻璃或者水膜，以在吸收层上方形成一层约束。当激光辐射加载板的冲击位置时，由于吸收层在极短时间内吸收较大能量，会迅速烧蚀产生等离子体，并在约束层的作用下不断积聚形成高量级的冲击波作用于加载板的波形发生器上，通过调节波形发生器材料刚度，可以产生具有一定谱形的冲击波。根据本发明的一个实施例，传递块由钢、铝合金或橡胶材料制成，传递块的高度在一定范围内能够调节，通过调节传递块的材料或者高度，能够控制冲击响应谱拐点。
根据本发明的一个实施例，谐振板由铝合金材料制成，通过调节谐振板的大小或质量，能够调节冲击响应谱拐点。
根据本发明的一个实施例，固体激光器为Nd：YAG固体激光器，固体激光器包括：激光激励系统，激光激励系统包括振荡级部分和能量放大级部分；冷却系统，冷却系统为激光激励系统提供冷却；和供电系统，供电系统为激光激励系统提供电力。
根据本发明的一个实施例，激光控制器包括：激光参数计算子模块，激光参数计算子模块计算不同冲击响应谱的要求参数；和激光参数调节子模块，激光参数调节子模块能够调节激光输出能量、能量密度、脉宽以及激光频率等参量。当采集到的冲击响应数据传输到激光控制器时，激光参数计算子模块首先进行该响应冲击响应谱的计算，并采用峰值包络的方法分别提取冲击响应谱的谱形、拐点、量级等参数，并与实验条件对应的参数进行对比，若符合实验条件，则运算结束；若不符合实验条件，激光参数调节子模块继续调节激光脉宽、能量、重复频率等参数并通过外控接口发送指令至固体激光器，从而控制固体激光器产生激光作用于谐振装置，直至测得的冲击响应达到实验条件要求，循环终止。
根据本发明的一个实施例，在工作平台上固定设置有反射镜和聚焦镜，通过调节反射镜的角度，使固体激光器产生的激光准确作用于激励位置，并且通过调节聚焦镜的位置，能够调节聚焦位置，进一步调节作用于冲击位置的激光光斑直径。聚焦镜位置通过滑轨设计进行调节，通过试验标定的方式在滑轨上标注每一激光光斑直径对应的聚焦镜位置，从而方便实验过程中光斑直径的调节。
根据本发明的另一个实施例的一种火工冲击模拟装置，包括：存储器，用于存储可执行指令；以及处理器，用于执行存储器中存储的可执行指令，以执行如下操作：在加载板的冲击位置处粘贴吸收层，打开水管，以在吸收层上方形成一层水膜；打开激光控制器，根据冲击响应谱来调节激光单脉冲能量、脉宽等参数，以控制固体激光器产生高能、窄脉宽激光；调节反射镜角度，以使激光反射通过聚焦镜；通过调节聚焦镜的位置，调整激光焦距以及光斑直径，以使激光聚焦于加载板的冲击位置处；吸收层吸收能量，从而烧蚀以产生等离子体，并在约束层的作用下积聚形成高量级的冲击波作用于加载板；冲击波通过传递块传递至谐振板，引起谐振板的冲击响应，并作用于被测试件。
根据本发明的一个实施例的火工冲击地面模拟试验装置的有益效果包括但不限于以下一个或多个：
本发明实现的瞬态、高频、高量级冲击环境与真实火工冲击环境具有较好的一致性；
本发明具有较好的重复性、可控制性、台面均匀性和稳定性；
本发明冲击过程对加载装置不产生破坏，可实现加载装置的可重复使用，有效降低成本和试验周期；
本发明通过调节各种参数，如激光能量、光斑直径、传递块高低以及加载板和响应板尺寸等，可实现冲击响应谱谱形、量级、拐点的调节，适应航天器不同火工品、不同位置处的冲击响应模拟要求。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的实施例，本发明将变得更加清楚，多个实施例被图示在附图中以用于说明性目的，并且决不应该被理解为限制实施例的范围。另外，不同的公开的实施例的各种特征可以组合以形成额外实施例，额外实施例是本公开的一部分，其中：
图1为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的设计示意图；
图2为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的激光束作用在加载板上的示意图；
图4为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的激光控制器的控制过程示意图；
图5为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的反射镜、聚焦镜和加载板的结构位置示意图。
附图标记说明：
1-谐振装置；
2-加载板；
3-谐振板；
4-传递块；
5-柔性索；
6-被测试件；
7-大能量固体激光器；
8-激光控制器；
9-反射镜；
10-聚焦镜；
11-工作平台
12-板体
13-波形发生器
14-吸收层
15-约束层
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
在本发明的任何实施例被具体地描述之前，应该理解本文中公开的概念不将它们的应用限制到在以下描述中阐述或在以下附图中图示的构造的细部和构件的布置。在这些实施例中图示的概念能够以各种方式实践或执行。本文中使用的具体短语和术语为了便于描述，并且不应该被认为是限制性的。
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。
图1为本发明实施例的激光激励式火工冲击模拟装置的设计示意图。如图1所示，激光控制器根据冲击响应谱来调节激光单脉冲能量、脉宽等参数，以控制固体激光器产生大通量、窄脉宽激光作用在谐振装置上，并作用于被测试的航天结构试验件上，然后将数据传输到数据采集系统中。数据采集系统进而向激光控制器输出指令。
参照图2所示，一种激光激励式火工冲击模拟装置，包括谐振装置主体框架1、加载板2、谐振板3、固体激光器7、激光控制器8、反射镜9和聚焦镜10。谐振装置主体框架1设于工作平台11上，加载板3通过四条柔性索5在谐振装置主体框架1上水平吊起，谐振板3通过四个传递块4固设于加载板2上方，激光控制器8控制固体激光器7产生高能激光，通过反射镜9和聚焦镜10作用于加载板2上，并通过调节传递块4在谐振板3上产生所需的冲击响应。
参照图2所示，谐振装置主体框架1为长方体铝型材结构，通过角码和螺栓连接并固设在工作平台上。
参照图2所示，加载板2和谐振板3为铝合金材料，加载板2通过四条柔性索5在谐振装置主体框架1上水平吊起，谐振板3通过四个立柱4固设于加载板2上方。
参照图3所示，加载板2包括板体12、波形发生器13、吸收层14和约束层15，板体12为冲击传递载体，波形发生器13为刚度不同的质量块，通过调节波形发生器13可以实现冲击响应谱谱形的控制，吸收层14为铝箔、黑胶带等材料，粘附于波形发生器13上，约束层15为K9玻璃、水膜等，在吸收层14上方形成一层约束。当激光束辐射加载板2的冲击位置，由于吸收层14在极短时间内吸收较大能量，会迅速烧蚀产生等离子体，并在约束层15的作用下不断积聚形成高量级的冲击波作用于加载板2的波形发生器13上，通过调节波形发生器13材料刚度，可以产生具有一定谱形的冲击波。
参照图2所示，传递块4为钢、铝合金、橡胶等材料，且其高度在一定范围内可调，通过调节立柱的材料和高度，可以实现冲击响应谱拐点的控制。
参照图2所示，谐振板3为大小、质量不同的铝合金材料，通过调节谐振板3的大小、质量，可以实现冲击响应谱拐点的调节，同时谐振板3为所测试设备的安装板，谐振板3上均匀打孔，便于设备的安装。
参照图2所示，固体激光器7为Nd：YAG固体激光器，由激光激励系统、冷却系统和供电系统三大部分组成，激光激励系统是激光器的核心部分，包括振荡级及能量放大级两部分，供电系统和冷却系统是保证激光冲击模拟装置正常、稳定工作的关键部分。
参照图4所示，激光控制器8包括激光参数计算子模块和激光参数调节子模块，可以实现激光输出能量、能量密度、脉宽以及激光频率等参量的调节，适应不同冲击响应谱的要求。当采集到的冲击响应数据传输到激光控制器8时，激光参数计算子模块首先进行该响应冲击响应谱的计算，并采用峰值包络的方法分别提取冲击响应谱的谱形、拐点、量级等参数，并与实验条件对应的参数进行对比，若符合实验条件，则运算结束；若不符合实验条件，激光参数调节子模块继续调节激光脉宽、能量、重复频率等参数并通过外控接口发送指令至固体激光器7，从而控制固体激光器7产生激光作用于谐振装置，直至测得的冲击响应达到实验条件要求，循环终止。
参照图2和图5所示，反射镜9和聚焦镜10同设于工作平台11上，通过调节反射镜9角度，使激光准确作用于激励位置，通过调节聚焦镜10有效调节激光聚焦位置，实现激光光斑直径的可调。聚焦镜10位置通过滑轨设计进行调节，通过试验标定的方式在滑轨上标注每一激光光斑直径对应的聚焦镜位置，从而方便实验过程中光斑直径的调节。
根据本发明的一种激光激励式火工冲击模拟装置，包括谐振装置、加载板、谐振板、固体激光器、激光控制器、反射镜和聚焦镜。谐振装置主体框架设于工作平台上，加载板通过四条柔性索在谐振装置主体框架上水平吊起，谐振板通过四个传递块固设于加载板上方，激光控制器控制固体激光器产生高能激光，通过反射镜和聚焦镜作用于加载板上，并通过调节传递块在谐振板上产生所需的冲击响应。
根据本发明的一个实施例，谐振装置主体框架为长方体铝型材结构，通过角码和螺栓连接并固设在工作平台上。加载板和谐振板为铝合金材料，加载板通过四条柔性索在谐振装置上水平吊起，谐振板通过四个传递块固设于加载板上方。进一步的，加载板包括板体、波形发生器、吸收层和约束层。板体为冲击传递载体，波形发生器为刚度不同的质量块，通过调节波形发生器可以实现冲击响应谱谱形的控制，吸收层为铝箔、黑胶带等材料并且粘附于波形发生器上，约束层为K9玻璃、水膜等以在吸收层上方形成一层约束。更进一步的，立柱为钢、铝合金、橡胶等材料，且其高度在一定范围内可调，通过调节传递块的材料和高度，可以实现冲击响应谱拐点的控制。更进一步的，谐振板为大小、质量不同的铝合金材料，通过调节谐振板的大小、质量，可以实现冲击响应谱拐点的调节，同时谐振板为所测试设备的安装板，谐振板上均匀打孔，便于设备的安装。
根据本发明的一个实施例，固体激光器为Nd：YAG固体激光器，由激光激励系统、冷却系统和供电系统三大部分组成，激光激励系统是激光器的核心部分，包括振荡级及能量放大级两部分，供电系统和冷却系统是保证激光冲击模拟装置正常、稳定工作的关键部分。激光控制器包括激光参数计算子模块和激光参数调节子模块，可以实现激光输出能量、能量密度、脉宽以及激光频率等参量的调节，适应不同冲击响应谱的要求。反射镜和聚焦镜固设于工作平台上，通过调节反射镜角度，使激光准确作用于激励位置，通过调节聚焦镜有效调节激光焦距，实现激光光斑直径的可调。
根据本发明的一个实施例，一种激光激励式火工冲击模拟装置的工作流程如下：
首先在加载板2冲击位置处粘贴铝箔作为吸收层，打开水管，在吸收层上方形成一层稳定、均匀流动的水膜，打开激光控制器8，根据要求冲击响应谱调节激光单脉冲能量、脉宽等参数，从而控制固体激光器7产生稳定、高能、窄脉宽的激光，调节反射镜9角度，使激光反射通过聚焦镜10，通过调节聚焦镜10位置，调整激光焦距以及光斑直径，使激光聚焦于加载板2的冲击位置，由于吸收层在极短时间内吸收较大能量，会迅速烧蚀产生等离子体，并在约束层的作用下不断积聚形成高量级的冲击波作用于加载板2，冲击波通过4个传递块4传递至谐振板3，引起谐振板3的冲击响应，并作用于被测试件6。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统(例如，一个或多个处理器)使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了火工冲击地面模拟试验装置的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本公开的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)”。
已经参照示范性实施例描述了本发明。不过，显而易见，本领域技术人员在上述描述的教导下可明显得出多种可选择的变型和改变。因而，本发明包含落入所附权利要求的精神和范围之内的所有可选择的变型和改变。应当强调的是，可以对上述实施例进行许多变化和修改，其中的元件将被理解为在其他可接受的示例之中。本文中，所有该修改例和变化例旨在被包括在本公开的范围中。前述的描述示出了某些实施例的细节。然而，应当理解，无论上述内容在文本或附图中如何详细描述，可以以许多方式实施装置和方法。如上所述，应当指出，在描述本发明的某些特征或方面时使用的特定术语不应被认为意味着术语在本文中重新限定为被限制为包括与术语相关联的装置和方法的特征或方面的任何特定特性。
Claims (8)
1.一种激光激励式火工冲击模拟装置，包括：
谐振装置；
大能量固体激光器(7)，所述固体激光器发射激光，所述激光作用于所述谐振装置上产生冲击响应进而传递至被测试件(6)上；和
激光控制器(8)，所述激光控制器(8)对所述激光的输出能量、能量密度、脉宽和激光频率进行调节，以适应不同冲击响应谱的要求，
其特征在于，
所述谐振装置包括：
主体框架(1)；
加载板(2)，所述加载板(2)通过柔性索(5)水平地吊设在所述主体框架(1)上；
谐振板(3)，所述谐振板(3)位于所述加载板(2)上方，所述被测试件(6)放置在所述谐振板(3)上；和
传递块(4)，所述传递块(4)设置在所述加载板(2)和所述谐振板(3)之间，用于调节在谐振板(3)上产生的冲击响应；并且
所述加载板(2)包括：
板体(12)，所述板体为冲击传递载体；
波形发生器(13)，所述波形发生器为刚度不同的质量块，通过调节波形发生器可以实现冲击响应谱形控制；
吸收层(14)，所述吸收层为铝箔或者黑胶带，所述吸收层粘附于所述波形发生器上；和
约束层(15)，所述约束层为K9玻璃或者水膜，以在吸收层上方形成一层约束。
2.根据权利要求1所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于：所述谐振装置为自由悬吊式结构，通过螺栓固定在工作平台上。
3.根据权利要求1所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于：所述加载板(2)和所述谐振板(3)为铝合金材料或铝蜂窝结构，所述加载板(2)通过多个柔性索(5)水平地吊设在主体框架(1)上，并且所述谐振板(3)通过多个传递块(4)固定地设置在所述加载板(2)上方。
4.根据权利要求1所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于：所述传递块(4)由钢、铝合金或橡胶材料制成，所述传递块的高度能够调节，通过调节所述传递块的材料或者高度，能够控制冲击响应谱拐点。
5.根据权利要求1所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于：所述谐振板(3)由铝合金材料或铝蜂窝结构制成，通过调节所述谐振板的大小或质量，能够调节冲击响应谱拐点。
6.根据权利要求1所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于，所述激光控制器(8)包括：
激光参数计算子模块，所述激光参数计算子模块计算不同冲击响应谱的要求参数；和
激光参数调节子模块，所述激光参数调节子模块能够调节激光输出能量、能量密度、脉宽以及激光频率。
7.根据权利要求2所述的激光激励式火工冲击模拟装置，其特征在于，在工作平台上固定设置有反射镜(9)和聚焦镜(10)，通过调节所述反射镜(9)的角度，使所述固体激光器(7)产生的激光准确作用于激励位置，并且通过调节所述聚焦镜(10)的位置，能够调节激光聚焦位置，以进一步调节激光光斑直径。
8.根据权利要求7所述的激光激励式火工冲击模拟装置，包括：
存储器，用于存储可执行指令；以及
处理器，用于执行存储器中存储的可执行指令，以执行如下操作：
在加载板的冲击位置处粘贴吸收层，打开水管，以在吸收层上方形成一层水膜；
打开激光控制器，根据冲击响应谱来调节激光单脉冲能量、脉宽，以控制固体激光器产生高能、窄脉宽激光；
调节反射镜角度，以使激光反射通过聚焦镜；
通过调节聚焦镜的位置，调整激光焦距以及光斑直径，以使激光聚焦于加载板的冲击位置处；
吸收层吸收能量，从而烧蚀以产生等离子体，并在约束层的作用下积聚形成高量级的冲击波作用于加载板；
冲击波通过传递块传递至谐振板，引起谐振板的冲击响应，并作用于被测试件。
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