對(duì)運(yùn)載火箭環(huán)境條件統(tǒng)一的探索

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 楊樹濤 吳彥森 雷凱 陳風(fēng)雨 張珂

在以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”為主的傳統(tǒng)航天產(chǎn)品研制模式下，各項(xiàng)產(chǎn)品保證工作隨方案、初樣、試樣等階段在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)各層次逐步展開，但近年來，航天科技工業(yè)新體系對(duì)于產(chǎn)品保證的需求發(fā)生了較大變化，這一變化首先體現(xiàn)在航天產(chǎn)品科研生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的型號(hào)研制模式相比，新模式突出強(qiáng)調(diào)了“產(chǎn)品化”，航天產(chǎn)品研制活動(dòng)由原有的“訂購方研制任務(wù)驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤啊畠煽偂バ吞?hào)、單位抓產(chǎn)品”的模式。

北京宇航系統(tǒng)工程研究所的產(chǎn)品化工作在中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的指導(dǎo)下開展，其中運(yùn)載火箭力、熱環(huán)境統(tǒng)一研究作為產(chǎn)品體系建設(shè)的重要組成部分，受到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的廣泛關(guān)注。為此，研究所運(yùn)載火箭總體研究設(shè)計(jì)室開展了火箭環(huán)境條件統(tǒng)一的研究工作，確定了環(huán)境條件產(chǎn)品化工作思路、工作原則、工作方法及實(shí)施途徑，并完成了初步統(tǒng)一方案的研究，為各系統(tǒng)單機(jī)開展產(chǎn)品化工作提供了條件。

一、工作思路及原則

運(yùn)載火箭環(huán)境主要包括力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境技術(shù)條件，是各系統(tǒng)儀器設(shè)備研制設(shè)計(jì)和驗(yàn)收考核的重要設(shè)計(jì)輸入。作為系統(tǒng)單機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)要求，其對(duì)各系統(tǒng)儀器設(shè)備研制設(shè)計(jì)具有重要影響，因此研究運(yùn)載火箭力、熱環(huán)境條件統(tǒng)一的可行性方案，制定合理的統(tǒng)一環(huán)境條件，將會(huì)大大推動(dòng)各分系統(tǒng)和單機(jī)產(chǎn)品化工作的開展。

1．工作思路

做好環(huán)境條件統(tǒng)一工作應(yīng)遵循以下工作思路：

◆環(huán)境條件統(tǒng)一工作應(yīng)根據(jù)在研和在飛型號(hào)各自的特點(diǎn)分別進(jìn)行力、熱環(huán)境條件統(tǒng)一，以艙段設(shè)計(jì)統(tǒng)一環(huán)境條件為主，分散單機(jī)（“兩器”、火工品等）單獨(dú)制定統(tǒng)一環(huán)境條件為輔，兩者結(jié)合并最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件統(tǒng)一。

◆對(duì)于在研型號(hào)，由于各系統(tǒng)儀器設(shè)備尚處于研制階段，如果從總體的設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行統(tǒng)一并得到各型號(hào)項(xiàng)目的配合和支持，即可開展“自上而下”的產(chǎn)品化工作。

◆對(duì)于在飛型號(hào)，因各型號(hào)都是已成熟應(yīng)用并經(jīng)過多次飛行成功驗(yàn)證的產(chǎn)品，在統(tǒng)一環(huán)境條件后需要按照統(tǒng)一環(huán)境條件開展一系列的摸底試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性分析，滿足要求即可進(jìn)入通用產(chǎn)品貨架。

◆無法通過統(tǒng)一環(huán)境條件的產(chǎn)品有3 種解決途徑：一是對(duì)不能適應(yīng)統(tǒng)一環(huán)境條件的儀器設(shè)備開展環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)（如開展減振、熱防護(hù)設(shè)計(jì)）；二是通過搭載飛行精細(xì)化測(cè)量等措施開展環(huán)境條件精細(xì)化包絡(luò)設(shè)計(jì)，研究統(tǒng)一的環(huán)境條件是否有下降空間；三是對(duì)確實(shí)無法通過統(tǒng)一環(huán)境條件試驗(yàn)的產(chǎn)品，可作為個(gè)性產(chǎn)品對(duì)待。

2．工作原則

從有利于產(chǎn)品化工作開展的角度出發(fā)，環(huán)境條件統(tǒng)一應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：

一是箭上環(huán)境設(shè)計(jì)艙段劃分?jǐn)?shù)量應(yīng)盡量少。如果艙段劃分過多，按各型號(hào)對(duì)應(yīng)艙段統(tǒng)一后的環(huán)境條件無法達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的目的。

二是箭上環(huán)境設(shè)計(jì)艙段劃分要按照力學(xué)環(huán)境嚴(yán)酷程度呈梯度化分布。箭上各艙段以發(fā)動(dòng)機(jī)艙的聲振環(huán)境最為嚴(yán)酷，而儀器艙儀器安裝板位置力學(xué)環(huán)境較好，如果將聲振環(huán)境較大的發(fā)動(dòng)機(jī)艙與其它艙段統(tǒng)一，則會(huì)給其它艙段儀器設(shè)備的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)帶來巨大的影響。因此，應(yīng)按照力學(xué)環(huán)境嚴(yán)酷程度梯度，同時(shí)考慮艙段劃分?jǐn)?shù)量盡量少的原則，可將箭上儀器設(shè)備力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)艙段劃分為儀器艙內(nèi)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)、其它艙段3 個(gè)部分。

二、工作方法及途徑

1．力學(xué)環(huán)境條件統(tǒng)一

（1）在研型號(hào)

型號(hào)A 和型號(hào)B 火箭助推器、芯一級(jí)共用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，且飛行時(shí)間基本相同，因此在低頻、高頻、耐共振等振動(dòng)環(huán)境條件方面基本保持一致。在其它各級(jí)飛行段上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不同的原因而有所區(qū)別；噪聲環(huán)境試驗(yàn)條件和沖擊環(huán)境試驗(yàn)條件也基本一致，在不同艙段和頻段上略有區(qū)別。

2 個(gè)型號(hào)在很多艙段具備統(tǒng)一力學(xué)環(huán)境條件的基礎(chǔ)，針對(duì)這些艙段目前也已基本做到了力學(xué)環(huán)境條件的統(tǒng)一化，箭上產(chǎn)品可以根據(jù)統(tǒng)一的環(huán)境條件來設(shè)計(jì)。后續(xù)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容是利用動(dòng)力系統(tǒng)試車、后續(xù)飛行試驗(yàn)等修正和優(yōu)化統(tǒng)一后的力學(xué)環(huán)境條件，針對(duì)當(dāng)前仍有明顯差異的條件進(jìn)一步研究統(tǒng)一的可行性。

對(duì)于無法通過統(tǒng)一環(huán)境條件的產(chǎn)品可考慮2 種途徑：一是開展環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性；二是開展搭載地面試車測(cè)量工作，通過精細(xì)化測(cè)量等途徑研究統(tǒng)一環(huán)境條件是否有降低的可能性。

（2）在飛型號(hào)

在飛型號(hào)基于同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，存在環(huán)境條件統(tǒng)一的前提，但目前各型號(hào)的力學(xué)環(huán)境條件和各系統(tǒng)設(shè)備的試驗(yàn)方法均具有明顯的繼承性，并考慮到各型號(hào)自身的特點(diǎn)，環(huán)境條件在具體參數(shù)上有所差異。可綜合考慮各型號(hào)環(huán)境條件，研究通過包絡(luò)的方法制定統(tǒng)一的力學(xué)環(huán)境條件。

統(tǒng)一的力學(xué)環(huán)境條件制定以后，各型號(hào)產(chǎn)品根據(jù)統(tǒng)一環(huán)境條件開展摸底試驗(yàn)，能夠適應(yīng)統(tǒng)一環(huán)境條件的產(chǎn)品直接進(jìn)入貨架，并綜合考慮技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一、產(chǎn)品化等因素，以確定是否形成通用產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)各型號(hào)的產(chǎn)品統(tǒng)一。

無法統(tǒng)一環(huán)境條件的產(chǎn)品可考慮2 種途徑：一是開展環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性；二是開展搭載飛行測(cè)量工作，通過精細(xì)化測(cè)量等途徑研究統(tǒng)一環(huán)境條件是否有降低的可能性。

對(duì)“兩器”、火工品、活門等單機(jī)，全箭使用量較大且分布在各個(gè)艙段，安裝位置較為分散，各型號(hào)之間產(chǎn)品共用現(xiàn)象普遍，可將此類型產(chǎn)品單獨(dú)制定統(tǒng)一的環(huán)境條件，方便各型號(hào)組批生產(chǎn)和驗(yàn)收。

2．熱環(huán)境條件統(tǒng)一

（1）在研型號(hào)

各部段結(jié)構(gòu)溫度由飛行彈道、結(jié)構(gòu)厚度、材料熱物性、發(fā)動(dòng)機(jī)噴流等綜合因素的作用，且結(jié)構(gòu)溫度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)輸入條件影響著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)比在研型號(hào)A 和型號(hào)B，彈道、結(jié)構(gòu)材料及厚度、發(fā)動(dòng)機(jī)布置均存在較大差異，因此導(dǎo)致各部段結(jié)構(gòu)溫度差異較大。如果統(tǒng)一結(jié)構(gòu)溫度和持續(xù)時(shí)間，則將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重等一系列問題，需要對(duì)各型號(hào)綜合分析后研究統(tǒng)一的可行性。

各艙段空間溫度取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)壁溫、艙內(nèi)熱源、冷源等的作用。對(duì)比型號(hào)A 和型號(hào)B的空間最高溫度，除尾艙內(nèi)空間溫度外，兩者最大差異值為10℃，持續(xù)時(shí)間最大差異值約為300s，可考慮將兩者最高溫度統(tǒng)一，同時(shí)研究持續(xù)時(shí)間的差異性。

型號(hào)A 與型號(hào)B 的空間最低溫度最大差異值為25℃，持續(xù)時(shí)間最大差異值約為220s。由于型號(hào)A 使用液氫推進(jìn)劑且飛行時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致主要艙段需承受較低的溫度環(huán)境；型號(hào)B 使用液氧推進(jìn)劑且飛行時(shí)間較短，所以主要艙段的最低溫度高于型號(hào)A。如果將兩者最低溫度統(tǒng)一，則型號(hào)B 的一些儀器設(shè)備需要經(jīng)歷更嚴(yán)酷的低溫鑒定試驗(yàn)，尤其是型號(hào)B 單獨(dú)使用的儀器設(shè)備會(huì)存在過試驗(yàn)問題，增加了設(shè)計(jì)難度，因此需要進(jìn)一步開展綜合比對(duì)分析來確定。

（2）在飛型號(hào)

各部段結(jié)構(gòu)溫度由氣動(dòng)加熱、結(jié)構(gòu)厚度、材料熱物性、發(fā)動(dòng)機(jī)噴流等綜合因素的作用，同時(shí)在飛型號(hào)彈道、結(jié)構(gòu)材料及厚度、發(fā)動(dòng)機(jī)布局也存在差異，導(dǎo)致在飛火箭各部段結(jié)構(gòu)溫度和持續(xù)時(shí)間有差異。由于各在飛型號(hào)結(jié)構(gòu)部分技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)比較成熟，且結(jié)構(gòu)方案更改影響較大，因此對(duì)結(jié)構(gòu)溫度條件不做統(tǒng)一。

各艙段空間溫度取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)壁溫、艙內(nèi)熱源、冷源等因素的作用。對(duì)比在飛型號(hào)艙段空間最高溫度（除尾艙及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間溫度外），在一定溫度區(qū)間范圍內(nèi)開展熱環(huán)境條件統(tǒng)一工作，按照最高溫度統(tǒng)一研究持續(xù)時(shí)間的差異性。

三、環(huán)境條件統(tǒng)一的實(shí)例

按照上述環(huán)境條件統(tǒng)一的工作方法及實(shí)現(xiàn)途徑，筆者在此以各型號(hào)某類典型產(chǎn)品低頻振動(dòng)力學(xué)環(huán)境條件統(tǒng)一為例，詳細(xì)介紹環(huán)境條件統(tǒng)一的過程及步驟。

首先，針對(duì)運(yùn)載型號(hào)低頻振動(dòng)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行比對(duì)分析。型號(hào)A、型號(hào)B、型號(hào)C 某類典型產(chǎn)品低頻振動(dòng)試驗(yàn)條件頻段均為5～100Hz，型號(hào)A 的頻譜拐點(diǎn)頻率為10Hz，型號(hào)B 和型號(hào)C 的拐點(diǎn)頻率為8Hz，兩者差異不大，具備統(tǒng)一的基礎(chǔ)；3 個(gè)型號(hào)均在30 ～50Hz 頻段存在1 個(gè)“凸臺(tái)”，量級(jí)因火箭結(jié)構(gòu)差異略有不同，采用包絡(luò)方法進(jìn)行統(tǒng)一。

為了滿足各型號(hào)力學(xué)環(huán)境的要求，各型號(hào)統(tǒng)一環(huán)境條件可采用包絡(luò)分析方法給出，并以圖譜繪制包絡(luò)的方法清晰地繪出各型號(hào)統(tǒng)一力學(xué)環(huán)境的條件。

運(yùn)載火箭環(huán)境條件統(tǒng)一是各系統(tǒng)單機(jī)研制單位開展產(chǎn)品化工作的重要前提和基礎(chǔ)，制定合理的統(tǒng)一環(huán)境條件對(duì)于推動(dòng)運(yùn)載火箭產(chǎn)品化工作具有重要意義。目前，北京宇航系統(tǒng)工程研究所運(yùn)載火箭總體研究設(shè)計(jì)室已完成了各型號(hào)力、熱環(huán)境的初步統(tǒng)一工作，后續(xù)還將與各系統(tǒng)單機(jī)研制單位進(jìn)一步合作，開展針對(duì)儀器設(shè)備對(duì)于各型號(hào)包絡(luò)統(tǒng)一環(huán)境條件的適應(yīng)性分析和驗(yàn)證工作，為最終的環(huán)境條件統(tǒng)一提供支撐?！?/p>