浅析机载设备炮击振动试验方法
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作者:邓德军
摘 要：除飞机发动机旋转部件工作时产生振源外，航炮射击时炮口会产生冲击波和航炮后座反冲两种振动源环境，这种振动源环境随着振源距离的增加呈显著减弱趋势。
关键词：旋转部件;振源;冲击波;后座反冲
1 炮击效应
炮击环境是一个重复冲击或瞬态振动，其主要原因为炮口的冲击力撞击设备表面;航炮的机械运动引起的结构架重复冲击或瞬态振动或者二者的结合。
炮击环境对机体及机载设备的结构和功能完整性产生潜在的不利效应。不利效应随着航炮的口径、设备与航炮的接近程度和炮击环境持续时间的增加而增加。与设备的固有频率（随同它的谐波）相一致的炮击速率和炮击环境持续时间，将增大到对设备的结构和功能完整性的不利效应，引起的主要效应如下：
（1）部件之间、部件接口之间的摩擦力增加或减小;
（2）设备绝缘电阻下降，磁场和电场强度变化;
（3）电路板故障、电路板损坏，电连接器失效;
（4）永久的机械变形;
（5）机械部件断裂;
（6）加速疲劳（低周期疲劳）;
（7）潜在的压电作用;
（8）晶体、陶瓷、环氧树脂或玻璃封装件的断裂。
2 振动试验与炮振试验
机载设备振动试验用于确定产品的结构是否能经受得住预期的动态振动力，并确保产品不会由于运输或使用中的振动而导致性能降低或出现故障。炮击振动试验用于评定载机结构及设备在炮击振动环境中的抗振能力，验证在经受航炮连续射击工作环境下，机体及机载设备遇到重复冲击力/瞬态振动时，保持结构和功能完整性的能力。不能以常规的振动试验来代替炮振试验，但如果炮振谱的最大值等于或低于其规定的试验量值，则可以不进行炮振试验。
机载设备是否需做炮振试验，在GJB150.20A中規定以炮口为圆心，2m半径范围内的设备需考虑做炮振试验，2m半径范围以外的设备一般不予考虑。
3 试验条件的确定
试验条件应根据可用的实测数据来测定。若无实测数据，可按以下给出的炮振试验振动谱和持续时间确定。
3.1 试验振动谱
通用炮击振动谱是由宽带随机谱上迭加四个窄带随机峰组成，四个窄带随机峰对应的中心频率上涉及频率的基频及前三阶倍频。涉及参数有：
（1）距离矢量（D）：炮口到设备和结构连接点之间的空间距离;
（2）航炮的投影距离参数（H）：炮管轴线到飞机表面的垂直距离;
（3）深度参数（Rs）：飞机蒙皮到机内设备之间的垂直距离。如果Rs未知，则取Rs=7.5cm;
（4）振动峰值带宽（△f）：△f=π*（Fi）0.5/4。
△f：在功率谱密度峰值下降3dB处的带宽。
Fi：射击频率的基频或倍频。
3.2 试验持续时间
三个轴向的每个方向上振动10min。
（1）若宽带随机和窄带随机分开做，则：
窄带随机：三个轴向的每个方向四个频带各振动10min;
宽带随机：三个轴向的每个方向各振动10min;
（2）若振动峰值用正弦定额来代替窄带随机，并且正弦定额和宽带随机分别进行，则：
正弦定额：三个轴向的每个方向各振动10min;
宽带随机：三个轴向的每个方向各振动10min。
3.3 试验轴向和试验次数
分别对试验件三个相互垂直轴的每一轴向进行炮振试验。如果试验样品在载机上具有特定的安装方向，则选择三个相互垂直轴向时应包括这一方向;如果试验样品在载机上任意安装，则应选择对振动量值最为敏感的方向为三轴之一。
3.4 与其它试验的顺序关系
一般情况下，机体或机载设备先进行炮击振动试验，也可以根据实际情况在振动和冲击试验之后进行炮振试验，具体如下：
（1）若炮击环境特别严酷，机体或机载设备的主要结构或功能不失效的概率很小时，则应先进行炮击振动试验，确定设备符合炮击振动要求后，再开始更温合的环境试验;
（2）若炮击环境虽然严酷，但机体或机载设备的主要结构或功能不失效的概率较大时，炮击振动试验可以在振动、温度、冲击试验之后进行。这样在炮击振动试验可以对试验件进行筛选，以暴露综合环境、振动、温度冲击和炮击振动故障;
（3）在炮击振动试验量值不如振动试验量值严酷的情况下，可以不进行炮击振动试验;
（4）当同时与其它环境条件（如：振动、温度冲击、湿度、压力等）一起进行试验时，炮击环境可能影响机体或机载设备的性能。若机体或机载设备对综合环境敏感，试验时应同时施加这些环境。若同时综合这些环境进行试验不可行，并且有必要同其它环境一起估计炮振试验，则将单个试验件依次暴露在所有相关的条件下。一般情况下，在规定的工作条件期间的任何时间都有可能发生炮击，所以，应尽可能接近实际的寿命环境剖面来安排试验顺序。若无法确定，则在振动和冲击试验后立即进行炮击振动试验。
4 试验设备
所有试验设备，包括所有的辅助设备，要能提供规定的炮击装备响应环境，其允差满足国军标相应要求。另外，所有测量传感器、数据记录和数据压缩设备能够测量、记录、分析和现实足够的数据，所有能够满足试验条件的炮振试验装置都可采用，建议准备下列试验设备：
（1）试验用航炮;
（2）试验用弹同一批次，并在射击前进行合膛检查;
（3）机身模拟舱段、气垫（用于模拟飞机空中飞行）、模拟舱段内安装的导管、电缆、机载设备等;
（4）测试试验设备，有关试验设备、夹具、试件的模态频率与炮击速率之间的关系，包括和试验结构之间的试验模态调查，这一步骤十分重要;
（5）实测数据，在直接波形控制下的补偿波形和脉动信息。
5 试验准备工作
应完成安装、调试使航炮处于正常状态，炮击振动试验件的安装应与实际使用期间的一样，应特别注意安装到平台的细节，炮击响应振动对装备/平台的安装细节十分敏感。使用中带有减震装置的设备，一般应带上减震装置进行试验。
用于测量和控制的传感器应刚性牢固地安装在试验样品与台面或夹具的固定点上，或尽可能靠近地，或其它规定位置上。
6 试验方法
（1）确定试验程序、标定负载、试件结构、测点布置、炮击量级、炮击时间、炮击重复次数，安装所有连接件（例如：电缆、管道等）使施加在试件上的应力和应变与实际使用中遇到的情况一致;
（2）对试件进行全面的目视检查，特别注意检查重点区域或认为特别容易损坏的地方，记录检查结果;
（3）通过成品厂作立靶密集实验时，重复测试单个航炮单次射击、连续射击、多个航炮单次射击、多次射击对载机机身蒙皮、机体结构的冲击及各设备的影响;
（4）将航炮发射时的后座力模拟成正弦激励，对航炮发射产生的振动响应进行模拟计算，通过对动态响应结果分析获得结构应力和位移较大的部位;
（5）对航炮发射产生的振动响应进行模态计算，分析炮击振动与载机机体、机翼、货舱地板、发动机以及航炮附近安装的重要设备的固有频率，为航炮安装提供避免产生共振的参考依据。
7 试验结论
得到实测响应数据，统计重复脉冲响应谱。
8 航炮的优化改进
为减少航炮后座力对载机带来的影响，优化设计航炮位移导轨装置。减少炮口冲击波范围内引发的动应力，避免局部产生的较大压强而引发航炮安装开口周围蒙皮振动疲劳裂纹、结构强烈振动和机载设备振动损伤等。
参考文献：
[1]刘治虎.机载电子设备强度试验标准对比分析[J].机械工程师，2015（5）.
[2]吴伟.一种航空电子设备的抗炮振加设计[J].机械工程师，2017（5）.
[3]徐明，王光芦，施荣民，朱光荣.GJB150.20A-2009军用装备实验室环境试验方法第20部分：炮击振动试验[S].
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