弹载数据存储模块抗高过载防护技术研究

姬永强，李映辉，聂 飞

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都 610031;2.中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621900)

在导弹飞行试验中，弹上环境参数是飞行试验测试的主要内容，通常包括飞行姿态、加速度、温度、应力应变以及在火工品爆炸分离环境下的结构响应等。弹载测试系统具备这些数据的实时采集功能，由测量模块、采集模块和数据存储模块等组成，其中数据存储模块是整个系统的核心，测试数据主要以数字量的方式记录在数据存储模块中，在试验完成后回收数据存储模块并对数据进行回读分析。所以将数据存储模块作为保护的重点对象，确保数据在发射、分离、抛射及碰地等高过载条件下能保持完好且能正常回读，这一模式在解决多通道测试数据回收中发挥着重要的作用。

国内外学者对用于弹载电子产品防护的材料性能和缓冲机理进行了研究，取得了一定的进展。徐鹏等［1］利用泡沫铝对弹载存模块作了缓冲研究，陈鲁疆等［2－3］利用橡胶泡沫材料对侵彻弹载测试模块进行了防护研究;吴晓莉等［4］从高聚物材料特性方面对高冲击下电子线路灌封的缓冲机理进行了研究。国外sandia实验室［5－6］给出的报告中只可用于侵彻的测试装置大致构成，未见具体缓冲措施和相关理论推导。

本文将从能量吸收角度对基于复合缓冲结构的弹载数据模块保护技术进行阐述。

1 数据存储模块破坏机理

弹载测试系统主要由测试传感器、采集模块、存储模块和供电系统等组成。测试传感器主要用于飞行环境参数测量采集，采集模块用于测量信号的模电转换，测量数据以数字方式保存在存储模块中，供电系统是用于保证系统正常工作的电源。弹载测试存储系统工作示意图如图1所示。

图1 弹载测试系统工作示意图Fig.1 On-board test system working diagram

数据存储模块在发射、飞行以及终点侵彻中会经历高温、高动能、强冲击等极端恶劣环境，其中伴随高动能撞击过程产生的应力波过载幅值最大可达数万g。当弹体在终点弹道与硬目标碰撞时，高幅值应力波会引起电路板破坏，电子元器件的严重变形甚至谐振。这些现象都会造成存储模块逻辑甚至物理功能的失效，致使数据不能正常回读。

2 防护结构设计

防护结构设计的关键就是为了吸收数据存储模块的动能并衰减碰撞应力波，使存储模块自身的动能被缓冲材料吸收，同时降低应力波峰值，增加脉冲持续时间［1，4］。

存储模块保护装置如图2所示。复合缓冲模块主要用于碰撞动能的吸收，由两种以上不同的材料分次灌封而成，其中的高分子材料用于对弹塑性应力波的隔离衰减。图2(a)为存储模块保护装置原理示意图，图2(b)为灌封后的存储模块保护装置。

图2 存储模块保护装置Fig.2 Sketch of storage protection device

3 缓冲机理

当缓冲模块受到轴向冲击力达到一定幅值时，缓冲模块会发生部分延性断裂，继而另一部分会发生塑性变形。设存储模块为刚体，在碰撞过程中不吸收能量，又设其质量为m;当弹体碰到靶体瞬间，假设弹体速度变为0，存储模块仍以相对速度ν0对缓冲模块进行冲击，则缓冲模块在延性断裂阶段吸收的能量为:

其中:Eh为断裂阶段的剪切变形能，Ec为缓冲模块在断裂过程的塑性变形能和热能。ν1为断裂阶段后存储模块的剩余速度。

存储模块以速度ν1继续对缓冲模块进行压缩，缓冲模块在与存储模块接触的区域附近发生了永久的塑性变形，而远离接触区的地方存在弹性变形:

式中:E1为塑性变形能，E2为弹性变形能。

由式(1)、式(2)可得:

由式(3)可见，减小存储模块的质量，并选取能耗系数较大的缓冲材料，可以使存储模块在碰撞过程的动能被缓冲材料有效吸收。

另一方面，碰撞产生的弹塑性压缩波越过自由界面时在材料内部引起的拉应力［7］为:

其中:σm为脉冲峰值应力，λ为脉冲波长，δ为截面距自由边界的距离。

由式(4)知引起材料动态破坏的应力与应力峰值和脉冲波长相关。通常情况下，电路板是由几种材料层压复合而成，当应力波阵面扫过电路板时，应使得应力波峰值小于电路板及电子元件材料的临界破坏应力，并应避免元器件产生谐振。

分次灌封的复合缓冲结构，具有非线性粘弹材料的典型耗能特征，加剧了应力波传播过程的幅值衰减和波形弥散［4］，降低应力波脉冲峰值应力，并使脉冲波长变长(脉冲持续时间增加)，从而防止存储模块发生破坏。

4 防护技术验证及试验考核

试验通过高过载冲击放大器来输入相应峰值的波形，用以模拟导弹侵彻硬目标时的高过载、窄脉冲的试验环境，测试复合缓冲结构的缓冲效果并验证相应峰值脉冲下防护结构的防护可靠性，试验件采用铝合金的外壳作为夹具，存储模块保护装置质量约190 g。

试验使用了10万g量程的冲击加速度传感器。试件通过夹具与试验台面刚性连接。在夹具底座和存储模块上各安装一只传感器，用以测量台面的输入波形和经缓冲结构缓冲后的响应，如图3。

试验获得曲线如图4所示，为缓冲前台面输入波形和经复合缓冲结构缓冲后的输出波形比较图。由图4曲线可以看出，经复合结构缓冲后的波形明显变得平滑、峰值大幅降低、脉冲持续时间拉长、峰值出现时间滞后，这是高分子粘弹材料耗能性质的典型表现。图4的特征数据如表1所示。

由表1数据可知，经缓冲后的过载最大峰值仅为缓冲前台面输入过载最大峰值的23.8%，峰值出现时间明显滞后，缓冲后峰值脉宽约为缓冲前峰值脉宽的300%。

对同一试件连续进行三次冲击试验(表2)，结果表明，存储模块数据保存完好，读取正常，说明该结构缓冲效果较为理想。

5 结论

介绍了弹载飞行参数测试系统中关于数据存储模块在高过载条件下的防护技术，对用于弹载数据存储模块防护的复合缓冲机理进行了探讨和研究，并通过高过载冲击试验对存储模块保护装置进行了验证和考核。该复合缓冲结构经冲击试验验证，可抗峰值45 000～65 000 g、峰值脉宽为35～40 us的多次冲击，缓冲后波形峰值为缓冲前峰值的23.8%，缓冲效果明显。可以用于飞行试验中多通道测试系统的数据模块防护。

［1］ 徐 鹏，范锦彪，祖 静，等.高g值冲击下存储测试电路模块缓冲保护研究［J］.实验力学，2005，20(4):610－614.XU Peng，FAN Jin-biao，ZU Jing，et al.The buffer of onboard test circuit module in high g shock［J］.Journal of Experimental Mechanics，2005，20(4):610－614.

［2］ 陈鲁疆，熊继军，张文栋，等.侵彻过程中弹载测试装置防护技术研究及仿真［J］.弹箭与制导学报，2006，26(2):224－226.CHEN Lu-jiang，XIONG Ji-jun，ZHANG Wen-dong，et al.Research on protective technology of test device on missile during penetration and simulation［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2006，26(2):224－226.

［3］ Zhang W D.Ultra-high g deceleration time measurement for the penetration into steel target［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34:436－447.

［4］ 吴晓莉，张 河.高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及措施研究［J］.包装工程，2004，25(1):44－46.WU Xiao-li，ZHANG He.The cushioning mechanism and measures of sealing materials of circuit boards in high-g impact［J］.Packaging Engineering，2004，25(1):44－46.

［5］ Forrestal M J，Frew D J.Penetration of concrete target with deceleration-time measurements［J］.International Journal of Impact Engineering，2003，28:479－497.

［6］ Franco R J， Platzbecker M R. Miniature penetrator(MINPEN)acceleration recorder development test［J］.Sandia National Laboratories，1998，1172C:379－386.

［7］ 北京工业学院八系爆炸及其作用编写组.爆炸及其作用(下册)［M］.国防工业出版社，1979:169－192.