弹载记录器的抗高过载分析及设计*

马其琪，徐晓辉，孔雁凯，郭 涛

(1 中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051;2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051;3 洛阳理工学院工程训练中心，河南洛阳， 471023)

0 引言

近年来，弹载存储测试技术的研究已经成为航空航天以及军事技术学科的一个重要方向，具有广泛的应用前景，它是在特殊环境条件下完成各种参数测试的有效方法。弹载记录器在应用过程中，暴露出了产品可靠性低的问题。面临的一大难题是如何提高产品可靠性，提高设备的各项性能指标以及保证产品安全可靠的工作。为了准确的获取弹体在飞行过程中的各种姿态参数，记录器在设计、研制、生产、使用的全过程都必须重视可靠性研究。由于弹载记录器一般是一次性使用的特殊设备，所以记录器的可靠性问题就是飞行过程中的抗高过载问题。

1 弹载记录器的抗高过载分析

弹体侵彻时在混凝土靶板接触界面处产生很强的应力，并向记录器传播应力波;弹体逐渐进入靶板，记录器壳体的底部与混凝土接触部分所受应力最大，其次顶部中心的应力也较大;弹体即将离开靶板时，记录器底部所受应力仍是最大的，并且侧面与弹体接触部分所受应力也很大。因此，弹体侵彻时，记录器外壳结构的底部以及外壳结构与弹体的接触面承受的应力最大。

图1 弹体侵彻标靶应力分布图

通过分析回收记录器，可以总结出弹载记录器的失效模式主要是:外壳失效，电路体失效。

1.1 外壳失效机理分析

弹载记录器随弹体侵彻目标的过程相当于是高速率冲击碰撞过程。在高过载、高冲击环境下，记录器外壳因所承受的屈服应力等原因会发生形变或断裂，引起灌封材料的挤压、拉伸、剪切应力改变，使得电路灌封体出现裂纹甚至断裂，最终导致电路板或芯片结构薄弱部位应力超过破坏强度而发生断裂、电路短路或断路等，从而导致记录器失效。

在高过载冲击动态载荷下，所发生在材料中的损伤和破坏，是与速率密切相关的动态过程，如果承受的载荷强度明显超过了材料的屈服应力强度，材料的薄弱环节就会变成各种损伤。

弹载记录器在高过载、高冲击环境下的损伤主要是记录器的外壳因塑性变形引起的层裂，又由于外钢壳盖与内钢筒直接刚性接触，内钢筒会发生振动，从而造成电路板的损坏，导致测试失败［1］。

1.2 电路体失效机理分析

(1)元器件失效机理分析

电子元器件最常见失效模式有:管腿腐蚀或断腿、芯片破碎或粘结不良、内部有可动多余物等。造成上述这些失效模式的原因主要有以下几方面:

1)芯体破碎引起的失效

在制造生产过程中，芯体由于工艺水平的限制容易出现划痕、裂纹、损伤等缺陷，这些缺陷部位会使芯体所受的应力超过自身的强度极限时出现不稳定的应变-应力关系，导致芯体破碎［2］。

2)元器件疲劳失效

在高过载、高冲击环境下，当弹载记录器上电时，芯片温度会瞬间升高，由于热膨胀的作用，引线会变长;当记录器断电时，芯片温度降低，由于冷缩的作用引线会收缩。在不断的张弛的作用下，引线根部的应力最大，导致引线根部因疲劳而出现失效［3］。

3)芯片管脚断裂引起的失效

管脚断裂失效机理主要是疲劳断裂、过应力断裂和焊接不良断裂。由于弹载记录器工作于高温、高冲击环境下，芯片管脚的工作环境条件较恶劣，发生断裂现象很多［4］。

(2)印制电路板失效机理分析

印制电路板的主要失效模式有开路失效和短路失效，这些失效会引起信号传送终止、信号中断或信号改变。

(3)导线失效机理分析

导线的主要失效模式首先是断裂。断裂位置多发生于导线的活动部分与不可活动部分的交界附近。其次是导线表面发黑造成接触不良。此外，导线在器件记录器装配过程中不可避免的要弯曲，在高冲击环境下，受到张应力的部位，受到的张应力最大，从而造成失效。还有导线本身的工艺缺陷，在使用过程中因承受的机械应力过大导致断裂，也可能在贮存时受腐蚀发生失效［4］。

芯体破碎、材料性能变化、焊接不良等重要度较大。因此，外壳、电路体是弹载记录器的薄弱环节，在可靠性试验方案制定过程中，应主要针对上述薄弱环节进行试验方案设计。

2 弹载记录器的整体设计

本章主要对以往实际试验时出现的各种问题，对弹载记录器重新进行了抗高过载设计，从电路结构、壳体抗高过载以及缓冲保护等方面进行设计。然后再对记录器进行打弹试验，以验证可靠性设计。

2.1 弹载记录器结构、原理分析

由于应用环境的特殊性，弹载记录器必须具备体积小、功耗低的特点以及具有抗高过载的能力和测量高过载的能力。弹载记录器由3个部分组成:外壳、存储测试电路体和电池。弹载记录器总体结构如图2所示。

图2 弹载记录器总体图

2.1.1 弹载记录器电路模块

弹载记录器的电路模块是整个设备的关键部分，通常由信号调理电路、A/D转换电路、双电源供电保护电路、FPGA电路等组成，如图3所示。加速度计获取的信号依次经过信号调理电路、A/D转换电路，最后进入FPGA电路，而FPGA电路又是电路模块的关键，它决定着电路的触发电平、采样频率、延迟时间等参数［5］。

电路模块的信号调理电路是把传感器信号进行调理后送到A/D转换电路;双电源供电自保护电路是采用双电池为整个系统供电;中心控制电路是对A/D变换后的数据进行编帧后送入存储器中，并且可在读数接口的控制下将存储器中的数据读出。

同时，弹载记录器遵循低功耗设计原则，信号调理模块把采集到的信号调理至适合于A/D的采样范围内。A/D转换器的功能是在FPGA控制下，进行信号采集，并将其送到FPGA逻辑模块中。

实际设计时，存储电路通过引线独立出来，如图3左上，将存储器电路置于用于保护的内钢筒内。

图3 记录器硬件电路

2.1.2 弹载记录器抗高过载结构

图4是弹载记录器的外壳及内部结构图。

图4 记录器壳体平视图

弹载记录器的顶盖配有穿线孔、指示灯孔和读数孔，并且和外钢壳通过螺纹刚性连接。电路体和电池通过灌封胶固定在外壳体内部。内钢筒和外钢壳之间的灌封胶能避免两者之间的刚性接触。记录器电路模块中，存储器的保护是重中之重。因此存储器被单独通过引线灌封在内钢筒内。撞靶的过程中内钢筒可产生小的位移，减小内部存储器的过载，起到缓冲作用。记录器内钢筒盖和内钢筒也是通过螺纹连接，且顶部中央有出线孔，进行了圆角处理。内钢筒内部支撑壁顶部及底部与内钢筒的交界处都做了圆角处理，可以避免这些地方出现应力集中，防止存储器的损坏。毛毡作为缓冲材料吸收冲击波的能量，对记录器电路体进行一定的防护。

即使是在撞靶过程中记录器壳体失效，外壳顶端读数口失效，也能通过存储器上的读数口读取存储器中的数据，获取并分析弹体飞行参数。

图5 记录器壳体内部图与内钢筒

2.1.3 弹载记录器缓冲保护技术

弹载记录器在弹体发射以及侵彻目标过程中，承受着很高的过载冲击力，另外还伴随有振动、噪声等，这些外在环境的影响会带来很大的破坏。因此必须对记录器进行灌封，以保证其稳定性，具有很高的抗冲击特性。从两个方面对存储测试电路进行缓冲保护:加固保护和隔离保护。加固保护是用灌封胶将电路板灌封在具有高强度和刚度的机械壳体内固化成模块。隔离保护是采用合适的缓冲材料，例如在电路板上涂硅胶等途径，耗散冲击强度，以减小传递到设备上的应力。

3 试验数据

靶场试验是验证弹载记录器抗高过载性能的有效途径。本次试验以130 mm加农炮在约200 m距离上侵彻12.5 mm钢靶。通过回收记录器数据验证记录器的抗高过载性能。

图6 靶场试验位置图

回收并检查记录器，外壳已经严重变形，部分壳体已经断裂，但是底部基本完好，如图7所示，内部钢筒完好，读数口完好，可以实现读数功能。

图7 记录器回收以及内钢筒

读取并处理钢筒内部存储芯片上的数据，可以获取弹体飞行过程中的轴向加速度曲线，其中弹体在膛内的加速度最大值可以达到6 000 g，而弹体在侵彻过程中的加速度则可以高达1.7×104g。

图8 记录器回收数据

4 结论

图9 滤波处理后的加速度

本次设计的弹载记录器是针对原有的记录器出现的问题加以优化。经过实际的靶场试验，弹载记录器能够承受高达1.7×104g甚至更高的加速度冲击，能够很好的完成记录弹体飞行数据的任务。

［1］刘俊，石云波，马游春.高过载测试中结构防护模型研究［J］.测试技术学报，2005，19(3):249－253.

［2］吴虹，李延夫.硅压力传感器可靠性强化试验研究［J］.微纳电子技术，2007(7/8):288－290.

［3］任鸿秋.存储测试系统的可靠性分析［J］.火力与指挥控制，2008，33(4):146－148.

［4］张栋，钟培道，等.失效分析［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［5］赵小珍.电子记录系统的抗高过载设计及应用［D］.太原:中北大学，2008.