[0001] 本发明涉及半正弦冲击试验技术领域，尤其涉及一种用于气动冲击台的气源控制系统。

[0002] 飞行器自身机械结构及其电子元器件工作时，往往会面临颠簸、爆炸、冲击以及振动等动力学环境。其中，冲击是指短时间内作用于装备上的高量级输入力脉冲，包括机械冲
击、爆炸分离冲击以及弹道冲击等。半正弦冲击是常见的一种冲击形式。

[0003] 通常，电子元器件作为试验件，进行半正弦冲击试验时采用跌落冲击形式或气动冲击形式。这两种形式均是使用冲击座撞击受撞座，仅能获得较小的冲击量级，通常为
5000g(g为重力加速度)以下，而能获得100000g左右冲击量级的霍普金森杆，持续的脉宽为
0.05ms左右，仅适合小尺寸产品冲击试验使用。

[0004] 对于飞行器上一些尺寸稍大的电子元器件，利用气动冲击台进行半正弦冲击试验时，要求冲击量级达到20000g以上，脉宽达到0.10ms以上。因此，如何提供一种与气动冲击
台相适配的气源控制系统成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

[0055] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。

[0056] 如背景技术所述，对于飞行器上一些尺寸稍大的电子元器件，利用气动冲击台进行半正弦冲击试验时，要求冲击量级达到20000g以上，脉宽达到0.10ms以上。因此，如何提
供一种与气动冲击台相适配的气源控制系统成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

[0057] 为解决上述问题，参照图1和图2，本发明提供一种用于气动冲击台的气源控制系统，包括底座110、受撞座120、冲击座130、波形发生器140、重力加速度放大座150和冲击气
缸160。底座110的内部形成有储气腔1111，储气腔1111内储存有压缩气体。受撞座120安装
于底座110的顶面。由底座110支撑受撞座120。冲击座130可上下移动地设置于受撞座120的
顶面的上方。波形发生器140安装于冲击座130的顶面，有利于重力加速度放大座150遭受冲
击座130撞击时产生所需脉宽的冲击波形。重力加速度放大座150设置于冲击座130的顶面
的上方，顶面适用于安装航天器的电子元器件等试验件。冲击气缸160竖直穿设于储气腔
1111内。冲击气缸160的顶端设置有上阀体161和气动制动器162，底端设置有下阀体163，缸
筒内设置有活塞164和活塞杆165。上阀体161与缸筒的内部的上部连通。气动制动器162能
够制动活塞杆165。下阀体163与缸筒的内部的下部连通。活塞杆165的顶端与冲击座130的
底端通过螺栓固定连接。下阀体163通过第一控气管路171能够与储气腔1111连通。上阀体
161通过第二控气管路172能够与储气腔1111连通。气动制动器162通过第三控气管路173能
够与储气腔1111连通。

[0058] 借助用于气动冲击台的气源控制系统进行半正弦冲击试验的过程及原理如下：

[0059] 首先，冲击座130、波形发生器140和重力加速度放大座150随冲击气缸160的活塞杆165向上移动。在此过程中，第一控气管路171与下阀体163连通。储气腔1111内压缩气体
通过第一控气管路171和下阀体163流入缸筒的内部的下部，驱使活塞164及活塞杆165向上
移动，以带动冲击座130、波形发生器140和重力加速度放大座150向上移动。当冲击座130的
底面高于受撞座120的顶面一定高度时，第一控气管路171与下阀体163断开连通，第三控气
管路173与气动制动器162连通，气动制动器162制动活塞杆165，并限制活塞杆165继续向上
移动。

[0060] 接着，进行加速冲击试验或自由落体冲击试验。

[0061] 在进行加速冲击试验时，冲击座130和波形发生器140随冲击气缸160的活塞杆165向下移动，而重力加速度放大座150自然下落。在此过程中，第二控气管路172与上阀体161
连通，储气腔1111内压缩气体通过第二控气管路172和上阀体161流入缸筒的内部的上部。
与此同时，位于缸筒的内部的下部的压缩气体通过下阀体163释放。接着，第三控气管路173
与气动制动器162断开连通，气动制动器162释压，释放活塞杆165。位于缸筒的内部的上部
的压缩气体驱使活塞164及活塞杆165向下移动，以带动冲击座130和波形发生器140向下移
动。由于冲击座130和波形发生器140受到自身重力作用和来自活塞杆165的牵引力作用，而
重力加速度放大座150仅受到自身重力作用，因此，冲击座130和波形发生器140的下降速度
大于重力加速度放大座150的下降速度。冲击座130与受撞座120发生撞击后，转为向上移
动，并与正在向下移动的重力加速度放大座150发生碰撞，以使重力加速度放大座150的速
度变化量增大，进而提升了冲击量级。整体上，借助用于气动冲击台的气源控制系统进行半
正弦冲击试验，冲击量级能够达到20000g以上，脉宽能够达到0.10ms以上，适合飞行器上一
些尺寸稍大的电子元器件进行半正弦冲击试验使用，所测得的波形的上升段和下降段均不
会发生畸变，所测试验数据符合预期要求。

[0062] 在进行自由落体冲击试验时，冲击座130、波形发生器140、冲击气缸160的活塞杆165以及重力加速度放大座150自然下落。在此过程中，位于缸筒的内部的下部的压缩气体
通过下阀体163释放。接着，第三控气管路173与气动制动器162断开连通，气动制动器162释
压，释放活塞杆165，冲击座130、波形发生器140、冲击气缸160的活塞杆165以及重力加速度
放大座150自然下落。

[0063] 需要说明的是，冲击座130与受撞座120的撞击过程符合动量守恒定律。冲击座130与重力加速度放大座150的撞击过程也符合动量守恒定律。进行加速冲击试验时，假设冲击
座130的质量为m1，重力加速度放大座150的质量为m2，冲击气缸160的活塞杆165的运动行程
为L，冲击气缸160的缸筒的口径为R，冲击气缸160的压力为P，储气腔1111内初始压力为PC，
储气腔1111的体积为VC，冲击座130与受撞座120发生撞击时速度为V0。假设冲击座130与重
力加速度放大座150发生碰撞前，冲击座130的速度为V1，重力加速度放大座150速度为V2；冲
击座130与重力加速度放大座150发生碰撞后，冲击座130的速度为V1’，重力加速度放大座
150速度为V2’。

[0064] 当冲击座130与受撞座120发生撞击时：

[0065]

[0066] 根据动能守恒定律可知：

[0067]

[0068] 根据碰撞理论可知：

[0069] m1v1+m2v2＝m1v1+m212

[0070] 假设冲击座130与重力加速度放大座150的碰撞时长为Δt，重力加速度放大座150产生的加速度量级为G，可计算得出：

[0071]

[0072] 若需产生半正弦波形，波形发生器140的刚度K应满足：

[0073]

[0074] 根据上述公式可得到理想的冲击加速谱型的峰值和持续时间。

[0075] 优选地，受撞座120通过螺栓可拆卸地安装于底座110的顶面，以便于受撞座120的拆装。波形发生器140通过螺栓可拆卸地安装于冲击座130的顶面，以便于波形发生器140拆
卸更换和安装使用。

[0076] 优选地，受撞座120的材质为铁，具有较高的强度。冲击座130和重力加速度放大座150的材质为铝合金。

[0077] 优选地，波形发生器140包括橡胶弹簧和金属弹簧。金属弹簧嵌设于橡胶弹簧内，横截面呈网格结构，与橡胶弹簧一体成型。如此，有利于重力加速度放大座150产生冲击量
级为30000g以上，脉宽为0.10ms以上的半正弦波形。假设橡胶弹簧以及金属弹簧并联后所
形成的波形发生器的刚度为K2，金属弹簧的抗压刚度为Kj，橡胶弹簧的刚度为Kx，金属材料
2
的弹性模量为Ej，金属材料的截面惯性矩为Ij，XdAj为金属材料的各微元面积与各微元至
截面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分。橡胶弹簧的材质为橡胶材料，橡胶材料的弹
性模量为Ea2，橡胶弹簧的横截面面积为Ax，橡胶弹簧的轴向高度为H2，橡胶材料的修正系数
为β2，β2介于0‑1之间，则：

[0078]

[0079] 优选地，储气腔1111的体积为冲击气缸160的缸筒内部的体积的2倍‑3倍。

[0080] 优选地，重力加速度放大座150为倒置的多棱台结构。冲击座130为倒置的多棱台结构。需要说明的是，重力加速度放大座150的结构强度需要依据最高试验量级进行校核，
其固有频率应大于1/2Δt，在重力加速度放大座150的顶面安装有加速度传感器。

[0081] 优选地，冲击座130的重量与重力加速度放大座150的重量的比值大于10，有利于重力加速度放大座150获得更高的加速度G值，进而实现更大的冲击量级。

[0082] 在其中一些实际应用中，重力加速度放大座150的顶面尺寸为150mm×150mm以上。将一些尺寸稍大的电子元器件通过螺栓安装于重力加速度放大座150的顶面。冲击气缸160
的缸筒的口径为250mm，活塞杆165的运动行程为0.85m，储气腔1111的体积为冲击气缸160
的缸筒内部的体积的3倍，冲击座130的重量约为135kg，重力加速度放大座150的重量约为
12kg。进行半正弦冲击实验前，借助活塞杆165，使冲击座130的底面高于受撞座120的顶面
0.85m，储气腔1111内充压至0.75MPa。进行半正弦加速冲击实验时，重力加速度放大座150
产生了冲击量级为30000g，脉宽为0.12ms的半正弦波形。

[0083] 具体地，在示范例中，第一控气管路171包括第一单向阀1711、隔离阀1712、第一比例阀1713、第一增压阀1714、第一泄压阀1715、应急阀1716、节流阀1717、第二单向阀1718和
蓄能器1719。第一单向阀1711的入口与储气腔1111连通，用于防止压缩气体回流。隔离阀
1712的入口与第一单向阀1711的出口连通。第一比例阀1713的入口与隔离阀1712的出口连
通，用于调节流量。第一增压阀1714的入口与第一比例阀1713的出口连通，出口与下阀体
163的进气口连通。应急阀1716的入口与隔离阀1712的出口连通。节流阀1717的入口与应急
阀1716的出口连通。第二单向阀1718的入口与节流阀1717的出口连通，出口与下阀体163的
进气口连通，以防止压缩气体回流至节流阀1717。通过第一单向阀1711、隔离阀1712、第一
比例阀1713和第一增压阀1714能够为缸筒的内部的下部建压。当第一比例阀1713或第一增
压阀1714发生故障时，也可以通过第一单向阀1711、隔离阀1712、应急阀1716、节流阀1717
和第二单向阀1718为缸筒的内部的下部建压。第一泄压阀1715的入口与下阀体163的出气
口连通，以便于缸筒的内部的下部通过下阀体163进行释压。蓄能器1719的入口与第一单向
阀1711的出口连通，出口与隔离阀1712的入口连通。当供气源发生故障或处于非工作状态
时，蓄能器1719能够向第一控气管路171供应压缩气体，而由于第一单向阀1711的存在，蓄
能器1719不能向第二控气管路172/第三控气管路173供应压缩。蓄能器1719起到备用气源
的作用。

[0084] 优选地，隔离阀1712、第一比例阀1713、第一增压阀1714和第一泄压阀1715为电磁阀，便于电气控制。应急阀1716和节流阀1717为手动阀，便于人工开启。

[0085] 具体地，在示范例中，第二控气管路172包括第二比例阀1721、第二增压阀1722、第二泄压阀1723和第一手动泵1724。第二比例阀1721的入口与储气腔1111连通。第二增压阀
1722的入口与第二比例阀1721的出口连通，出口与上阀体161的进气口连通。通过第二比例
阀1721和第二增压阀1722能够为缸筒的内部的上部建压。第二泄压阀1723的入口与上阀体
161的出气口连通，以便于缸筒的内部的上部通过上阀体161进行释压。第一手动泵1724的
入口与储气腔1111连通，出口与上阀体161的进气口连通。当第二比例阀1721或第二增压阀
1722发生故障时，也可以由人工借助第一手动泵1724为缸筒的内部的上部建压。

[0086] 优选地，第二比例阀1721、第二增压阀1722和第二泄压阀1723为电磁阀，便于电气控制。

[0087] 具体地，在示范例中，第三控气管路173包括第三增压阀1731、第三泄压阀1732和第二手动泵1733。第三增压阀1731的入口与储气腔1111连通，出口与气动制动器162的进气
口连通。通过第三增压阀1731能够为气动制动器162建压，以使气动制动器162限制活塞杆
165上下移动。第三泄压阀1732入口与气动制动器162的出气口连通，以便于气动制动器162
释压。第二手动泵1733的入口与储气腔1111连通，出口与气动制动器162的进气口连通。当
第三增压阀1731发生故障时，也可以由人工借助第二手动泵1733为气动制动器162建压。

[0088] 优选地，第三增压阀1731和第三泄压阀1732为电磁阀，便于电气控制。

[0089] 具体地，在示范例中，还包括第三单向阀181、滤清器182、溢流阀183、两个第一压力检测传感器184、第二压力检测传感器185、第三压力检测传感器186和控制器。第三单向
阀181的入口与储气腔1111连通，以防止压缩气体回流至储气腔1111内。滤清器182的入口
与第三单向阀181的出口连通，出口分别与第一控气管路171、第二控气管路172、第三控气
管路173连通，能够对压缩气体进行过滤，去除压缩气体中的油水等杂质。溢流阀183的入口
与第三单向阀181的出口连通，用于管路内压缩气体的的溢流。其中一个第一压力检测传感
器184安装于第一增压阀1714与下阀体163的连通管路上，用于检测缸筒内部的下部的气
压。另一个第一压力检测传感器184安装于蓄能器1719与第一单向阀1711的连通管路上，用
于检测蓄能器1719内气压。第二压力检测传感器185安装于第二增压阀1722与上阀体161的
连通管路上，用于检测缸筒内部的上部的气压。第三压力检测传感器186安装于第三增压阀
1731与气动制动器162的连通管路上，用于检测气动制动器162内气压。控制器分别与每个
第一压力检测传感器184、第二压力检测传感器185、第三压力检测传感器186、隔离阀1712、
第一比例阀1713、第一增压阀1714、第一泄压阀1715、第二比例阀1721、第二增压阀1722、第
二泄压阀1723、第三增压阀1731、第三泄压阀1732电性连接。控制器设置有人机交互模块。
操作人员通过人机交互模块向控制器输入上升、加速冲击和自由落体冲击等指令。控制器
能够接收每个第一压力检测传感器184、第二压力检测传感器185、第三压力检测传感器186
所获取的气压数值，以控制隔离阀1712、第一增压阀1714、第一泄压阀1715、第二增压阀
1722、第二泄压阀1723、第三增压阀1731、第三泄压阀1732是否工作，并控制第一比例阀
1713、第二比例阀1721的开度。

[0090] 具体地，在示范例中，用于气动冲击台的气源控制系统还包括支架191、两个弹性悬挂件192、两个导向杆193、冲击面板194、四个减震器195和基座196。支架191包括四个竖
杆和一个横梁。两个竖杆的底端分别可拆卸地安装于冲击座130的顶面。其中两个竖杆的顶
端分别通过螺母可拆卸地连接于横梁的一端，另外两个竖杆的顶端分别通过螺母可拆卸地
连接于横梁的另一端。两个弹性悬挂件192的轴线均竖直设置，底端分别安装于重力加速度
放大座150的顶面的相对两侧，顶端分别安装于横梁的相对两端。在进行半正弦冲击实验
前，借助两个弹性悬挂件192，可使重力加速度放大座150的底面高于波形发生器140的顶
面，以满足试验要求。同时，弹性悬挂件192能够防止重力加速度放大座150上下移动幅度过
大。两个导向杆193的轴线均竖直设置，底端分别与冲击座130固定连接，顶端分别固定连接
于横梁的相对两端。重力加速度放大座150的相对两侧分别形成有供相对应的导向杆193穿
过的导向孔。两个导向杆193对重力加速度放大座150的移动方向起到约束作用，保障高速
运动的重力加速度放大座150在竖直方向上进行上下移动，而不发生旋转运动。冲击面板
194通过螺栓可拆卸地安装于冲击座130的底面。在进行冲击试验时，冲击面板194使得冲击
座130的底面受力均匀。遭受损坏时，仅需更换冲击面板194即可，而无需更换价格更为昂贵
的冲击座130，有利于降低维护维修成本。四个减震器195分别通过螺栓可拆卸地安装于底
座110的下座体111的底面的四侧。进行冲击试验时，减震器195能够起到减震作用。基座196
通过螺栓可拆卸地安装于四个减震器195的底面，用于支撑减震器195、底座110和受撞座
120，使减震器195、底座110和受撞座120的轴线呈竖直状态。

[0091] 优选地，支架191和导向杆193的材质为不锈钢，具有较高的刚度和强度。支架191提高了其与导向杆193以及重力加速度放大座150所构成的整体结构的刚度和强度。

[0092] 优选地，每个弹性悬挂件192为弹簧绳。

[0093] 优选地，每个导向杆193的中部横截面直径大于端部横截面直径，提高了导向杆193与冲击座130连接时的接触面积，既无需再使用垫片，又保障了连接的稳固性。

[0094] 优选地，每个减震器195均为减震气囊。当四个减震气囊充气后，所能承受的重量应超过冲击装置总重的至少2倍。

[0095] 优选地，基座196的材质为钢或混凝土。

[0096] 具体地，在示范例中，底座110包括下座体111、上座体112和顶盖113。在下座体111的内部形成有储气腔1111。上座体112通过螺栓可拆卸地安装于上座体112的顶面，至少一
侧设置有与储气腔1111相连通的充气口，通过充气口向储气腔1111内充入压缩气体。顶盖
113通过螺栓可拆卸地安装于上座体112的顶面，顶面安装有受撞座120。

[0097] 优选地，顶盖113与上座体112之间设置有密封圈。上座体112与下座体111之间也设置有密封圈。如此，有效地提高了储气腔1111的密封性。

[0098] 优选地，下座体111、上座体112和顶盖113的重量之和不小于8吨，既满足半正弦冲击试验需求，又降低制造成本。

[0099] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0100] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0101] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0102] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实
施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0103] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。