運(yùn)載火箭整流罩降噪技術(shù)研究進(jìn)展

齊江龍，原 凱，陳雅曦，王明杰，張衛(wèi)紅

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭整流罩用于保護(hù)衛(wèi)星及其他有效載荷，可防止其受氣動力、氣動加熱以及聲振等有害環(huán)境的影響，是運(yùn)載火箭的重要組成部分。根據(jù)美國NASA的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，大約 60%的衛(wèi)星發(fā)射失敗事故是由于運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)的振動和噪聲過高而引起的，而整個(gè)衛(wèi)星質(zhì)量僅僅是使衛(wèi)星能夠承受火箭發(fā)射和飛行過程中的振動和噪聲[1]。為了減輕運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量和改善整流罩的內(nèi)噪聲環(huán)境，目前各國新型運(yùn)載火箭整流罩多采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如中國長征五號系列、美國的宇宙神5系列、歐洲的阿里安5系列、SpaceX的獵鷹9系列火箭等，整流罩蒙皮大多由雙層碳纖維面板和鋁合金蜂窩夾芯或類似結(jié)構(gòu)組成，但內(nèi)部噪聲環(huán)境仍然非常惡劣，某些型號整流罩內(nèi)噪聲總聲壓級達(dá)到140 dB以上。隨著中國運(yùn)載火箭飛行任務(wù)的增加及有效載荷形式的多樣化，火箭整流罩需要適應(yīng)不同衛(wèi)星平臺、結(jié)構(gòu)布局和質(zhì)量的變化，部分有效載荷對噪聲環(huán)境十分敏感，如大面積柔性天線、大型太陽電池陣、大口徑光學(xué)載荷等，因此改善火箭整流罩內(nèi)的噪聲環(huán)境不僅能降低航天器故障率，同時(shí)能提升有效載荷的質(zhì)量，對于衛(wèi)星和火箭的設(shè)計(jì)、制造和發(fā)射都有重要意義。

整流罩的降噪技術(shù)可從是否有控制源方面分為被動（無源）噪聲控制和主動（有源）噪聲控制。被動噪聲控制以傳統(tǒng)的聲學(xué)控制方法為主，技術(shù)手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動的隔離與降低等，這些噪聲控制方法的機(jī)理在于使噪聲聲波與聲學(xué)材料或結(jié)構(gòu)相互作用而消耗聲能，從而達(dá)到降低噪聲的目的?？傮w上講，傳統(tǒng)的被動噪聲控制方法對降低中高頻噪聲較為有效，而對降低低頻噪聲的作用不大或頻段很窄。相比之下，主動噪聲控制特別適合對低頻噪聲振動進(jìn)行控制，但實(shí)際飛行中，整流罩內(nèi)噪聲是寬頻帶且隨機(jī)的，要獲得有效的主動降噪效果，主動控制系統(tǒng)將會十分復(fù)雜，且需要具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

本文總結(jié)了國內(nèi)外整流罩降噪的主要方法及工程應(yīng)用的研究進(jìn)展，對被動噪聲控制技術(shù)和主動噪聲控制技術(shù)的幾種主要方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并提出了中國在該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 被動噪聲控制技術(shù)

為了改善火箭整流罩內(nèi)的噪聲環(huán)境，國外學(xué)者設(shè)計(jì)了多種被動降噪方式，大致可分為吸聲毯、亥姆霍茲共鳴器、被動結(jié)構(gòu)聲衰減裝置和聲阻抗失配技術(shù)等。針對傳統(tǒng)的降噪措施在低頻段效果較差且質(zhì)量大的問題，20世紀(jì)90年代開始整流罩降噪技術(shù)的研究集中在減小整流罩內(nèi)低頻聲壓級和降噪材料的質(zhì)量優(yōu)化方面，研究方向主要有改進(jìn)聲學(xué)覆蓋層設(shè)計(jì)、可調(diào)節(jié)亥姆霍茲共鳴器、分布式吸振器、真空雙層殼體整流罩等。

1.1 吸聲毯

吸聲毯（Acoustic Blanket，AB）是火箭整流罩應(yīng)用較早的降噪方法，通常由棉絮、玻璃纖維一類的多孔材料構(gòu)成，可以從隔聲和吸聲2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對整流罩的降噪，但吸聲效果占主導(dǎo)作用。吸聲毯的吸聲機(jī)理首先是粘滯性和內(nèi)摩擦作用，由于聲波在材料中傳播時(shí)的質(zhì)點(diǎn)振動速度各不相同，使得相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的粘滯力或內(nèi)摩擦力，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能；其次是熱傳導(dǎo)效應(yīng)，由于聲波傳播時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的疏密程度不同，因而媒質(zhì)溫度也各不相同，從而使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)吸聲降噪的效果[2]。但由于質(zhì)量和體積的限制，其有效降噪頻率區(qū)間一般在400 Hz以上。

傳統(tǒng)吸聲毯在國外的研究與應(yīng)用已經(jīng)有三十多年的歷史，1997年美國計(jì)劃使用大力神 4型火箭發(fā)射Cassini土星探測器，由于探測器使用的放射性同位素?zé)犭婋娫磳?00 Hz和250 Hz兩個(gè)特定噪聲頻率比較敏感，NASA通過優(yōu)化填充棉絮的厚度和密度以及引入玻璃纖維隔聲層，對原吸聲毯進(jìn)行了改進(jìn)，使其在特定頻率上的降噪效果得到3 dB的改善。盡管改進(jìn)后的吸聲毯與原吸聲毯相比質(zhì)量和體積都有所增加，但將特定頻率的整流罩內(nèi)噪聲控制在電源能承受的范圍內(nèi)，降低了電源改造費(fèi)用[3]。波音公司在整流罩吸聲毯的設(shè)計(jì)中，采用硅粘合熱處理玻璃纖維與棉絮，并成功應(yīng)用于德爾它4型運(yùn)載火箭[4]。Slagle等[5]在泡沫材料中嵌入多個(gè)質(zhì)量塊，通過控制單個(gè)質(zhì)量塊的嵌入深度，使其具有多個(gè)諧振頻率，從而得到更寬的低頻降噪效果。孫目等[6]進(jìn)行了整流罩無敷設(shè)工況下的噪聲實(shí)驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)能量法仿真分析了整流罩圓柱段內(nèi)襯泡沫塑料的降噪效果。宋海洋等[7]應(yīng)用VA One軟件建立某衛(wèi)星整流罩的統(tǒng)計(jì)能量模型，對整流罩不同聲學(xué)處理效果進(jìn)行分析比較，選出降噪效果較好的材料，得出多孔材料中密度、流阻、曲折因子、孔隙率和背后空氣層厚度對材料降噪效果的影響規(guī)律。任方等[8]采用三聚氰胺泡沫塑料吸聲材料開展了被動控制內(nèi)聲場降噪方法的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量法及混響室噪聲環(huán)境實(shí)驗(yàn)，研究吸聲材料厚度、表面處理及布局方式對整流罩降噪性能影響規(guī)律。

1.2 亥姆霍茲共鳴器

亥姆霍茲共鳴器（Helmholtz Resonator，HR）是一種單孔共振吸聲結(jié)構(gòu)，由密閉的空腔通過較小的孔頸與外部空間相連而成，當(dāng)聲波入射時(shí)，孔頸中的氣柱體在聲波的作用下像活塞一樣做往復(fù)運(yùn)動，與頸壁發(fā)生摩擦使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏膿p，在共鳴器的固有頻率與外界聲波頻率一致時(shí)發(fā)生共振，這時(shí)孔頸中空氣柱振幅和振速達(dá)到最大，具有很強(qiáng)的吸聲能力。由于亥姆霍茲共鳴器對特定頻率具有明顯的降噪效果，因此常被用于整流罩的降噪，當(dāng)其共振頻率與整流罩內(nèi)空腔模態(tài)頻率相匹配時(shí)，可降低該模態(tài)在外部激勵下的響應(yīng)峰值，有效改善整流罩內(nèi)噪聲環(huán)境。

Lane等[9]將亥姆霍茲共鳴器引入到整流罩空腔夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，以空腔夾芯殼體結(jié)構(gòu)為研究對象，在空腔夾層結(jié)構(gòu)中沿軸向布置一系列復(fù)合材料管，并在軸向復(fù)合材料管的兩端面向殼體內(nèi)部聲腔開孔，通過在管中不同位置布置泡沫塞，構(gòu)成一系列聲學(xué)共鳴器。Bielak等[10]設(shè)計(jì)了一種分布陣列亥姆霍茲共鳴器的多層多孔板結(jié)構(gòu)，拓寬了低頻消聲降噪的頻率范圍。洛克希德馬丁公司[11]采用金屬薄片包覆吸聲泡沫，并在其上陣列多個(gè)亥姆霍茲共鳴器組成消聲單元板，鋪設(shè)于整流罩內(nèi)表面，取得良好的降噪效果，成功應(yīng)用于多次發(fā)生任務(wù)，圖1為用于發(fā)射X-37B的宇宙神5火箭整流罩，其內(nèi)表面大量使用了該消聲單元。

圖1 發(fā)射X-37B的宇宙神5火箭整流罩Fig.1 Atlas V Vehicle Fairing to Launch X-37B

榮吉利等[12]應(yīng)用虛擬阻抗管法分析了亥姆霍茲共鳴器共振頻率及吸聲系數(shù)與其壁面厚度的變化關(guān)系，并研究得出不同安裝位置對圓柱空腔內(nèi)平均聲壓級的影響可達(dá)10 dB以上，在工程應(yīng)用中應(yīng)將其放置于空腔模態(tài)振幅較大的位置。原凱等[13]對亥姆霍茲共鳴器的聲學(xué)共振頻率表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)，可為亥姆霍茲共鳴器的降噪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.3 被動結(jié)構(gòu)聲衰減

波音公司的 Osman等[14]提出一種分布式吸振器（Distributed Vibration Absorber，DVA）用以進(jìn)行整流罩的聲學(xué)優(yōu)化，將薄鋁板粘合在聚氨酯泡沫材料上層，近似等效為一個(gè)單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，該裝置結(jié)合了泡沫材料高頻降噪和動力吸振器低頻減振能力，具有一定的寬頻降噪效果。Esteve等[15]研究了將DVA和 HR同時(shí)布置于整流罩內(nèi)，將聲學(xué)控制和結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合用以減小整流罩內(nèi)噪聲。Zheng等[16]通過優(yōu)化被動約束層阻尼（Passive Constrained Layer Damping，PCLD）來控制圓柱殼的振動，在控制振動的同時(shí)還優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)參數(shù)和敷設(shè)方式，用最好最少的聲學(xué)材料到達(dá)最優(yōu)減振降噪的效果。

1.4 聲阻抗失配

Eaton等[17]將整流罩內(nèi)部空間充滿氦氣，利用氦氣和空氣的聲阻抗突變來減小外噪聲的向內(nèi)傳播，從而改善整流罩內(nèi)聲場。試驗(yàn)得出該方法在全頻率范圍內(nèi)都有良好的降噪效果，整流罩內(nèi)聲場總聲壓級降低10 dB左右，但是會引起部分結(jié)構(gòu)的振動增強(qiáng)。Griffin等[18]提出一種整流罩真空雙層殼體的降噪方案，利用將兩殼體的間隙抽成真空或臨界真空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)聲阻抗失配。設(shè)計(jì)了將內(nèi)殼體彈性懸掛于外殼體的驗(yàn)證性試驗(yàn)，其真空層有效地阻隔了聲波傳遞，對于穿透性較強(qiáng)的中低頻噪聲降噪效果尤其明顯，在0～200 Hz范圍內(nèi)殼體內(nèi)聲場總聲壓級降低19 dB以上，但由于該方案技術(shù)復(fù)雜，在工程應(yīng)用上還存在較大困難。

2 主動噪聲控制技術(shù)

主動噪聲控制可分為有源聲控制（Active Noise Control，ANC）和結(jié)構(gòu)聲主動控制（Active Structural Acoustic Control，ASAC）。與被動控制相比，主動控制適合對空間的低頻噪聲和結(jié)構(gòu)的低頻振動進(jìn)行控制，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)更輕便的特點(diǎn)。

2.1 有源聲控制

在有源聲控制中，前饋式有源聲控制應(yīng)用較為廣泛，其原理如圖2所示，初始傳感器采集原噪聲信號，送入主動噪聲控制器中進(jìn)行分析并發(fā)出控制信號，揚(yáng)聲器作為次級聲源發(fā)出一個(gè)與原噪聲幅值相等、相位相反的聲波，兩聲波發(fā)生相消干涉，達(dá)到降低噪聲的目的，誤差傳感器可采集未抵消完全的噪聲送入控制器進(jìn)行再控制[19]。

圖2 前饋式有源聲控制原理Fig.2 Feedforward Active Acoustic Control Principle

運(yùn)載火箭實(shí)際起飛和飛行過程中，整流罩的外噪聲通過透射和結(jié)構(gòu)共振的傳播轉(zhuǎn)變?yōu)檎髡值膬?nèi)噪聲，具有非線性、隨機(jī)和寬頻帶的特點(diǎn)，要求有源聲控制的自適應(yīng)算法兼具較快的收斂速度性和良好的穩(wěn)定；同時(shí)，對于整流罩這種復(fù)雜空間的噪聲控制，單通道主動控制系統(tǒng)可能不能滿足要求，需要多個(gè)次級作動器和誤差傳感器來擴(kuò)大降噪范圍，提高控制效果，這時(shí)就需要考慮設(shè)計(jì)多通道主動控制算法。20世紀(jì)80年代開始，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，主動控制技術(shù)也得到迅速發(fā)展。Mark等[20]采用自適應(yīng)反饋控制和廣義預(yù)測控制，對整流罩進(jìn)行了主動噪聲控制研究，使內(nèi)噪聲一階模態(tài)降低6 dB，總聲壓級降低2～3 dB。Kemp等[21]為減小整流罩內(nèi)的低頻振蕩噪聲，將主動調(diào)諧揚(yáng)聲器安裝在整流罩頭錐處，能夠有效抑制整流罩內(nèi)聲場的前兩階縱向模態(tài)。2003年，VALPE-2探空火箭在飛行試驗(yàn)中采用了自適應(yīng)聲振衰減裝置，其安裝于整流罩頭錐處來控制整流罩內(nèi)低頻噪聲，安裝位置及降噪效果如圖3所示，通過與VALPE-1飛行試驗(yàn)結(jié)果對比得出整流罩內(nèi)噪聲在20～300 Hz范圍內(nèi)的總聲壓級減小8.8 dB。

圖3 自適應(yīng)聲振衰減位置Fig.3 Adaptive Vibro-acoustic Attenuation Device

續(xù)圖3

2.2 結(jié)構(gòu)聲主動控制

結(jié)構(gòu)聲主動控制的概念由美國弗吉尼亞理工大學(xué)的Fuller在20世紀(jì)80年代中期提出[22]，是有源聲控制（ANC）與振動主動控制（Active Vibration Control，AVC）的有機(jī)結(jié)合，通過作動器（如激振器、壓電陶瓷等）來有效抑制結(jié)構(gòu)聲輻射。新型運(yùn)載火箭整流罩大多采用較薄的復(fù)合材料外殼，其內(nèi)聲場具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)-聲耦合效應(yīng)，使得ASAC能夠在低頻段對整流罩內(nèi)噪聲發(fā)揮明顯的抑制效果。。

1998年，NASA Langley研究中心進(jìn)行了機(jī)艙內(nèi)部噪聲的ASAC控制技術(shù)研究[23]，開啟了結(jié)構(gòu)聲主動控制方法研究的大門。1999年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室對一次性使用火箭STARS的全尺寸復(fù)合整流罩進(jìn)行了測試并建立了結(jié)構(gòu)聲模型，采用結(jié)構(gòu)傳感器、聲傳感器反饋來減小傳入整流罩內(nèi)部的聲能量，將陶瓷壓電片等智能材料作為結(jié)構(gòu)聲控制的作動器貼在整流罩壁上，試驗(yàn)結(jié)果表明，聲場在150 Hz以下和180 Hz處主動控制的降噪效果明顯[24]。

2001年，F(xiàn)uller[25]開發(fā)了一種新型結(jié)構(gòu)作動器——分布式主動吸振器（Distributed Active Vibration Absorber，DAVA），具有小型、輕質(zhì)、功耗小和高輸出等優(yōu)點(diǎn)，由多孔泡沫、PVDF薄膜和質(zhì)量層組成，實(shí)現(xiàn)了275 Hz頻率處的主動降噪，同時(shí)結(jié)合吸聲材料的主被動一體化設(shè)計(jì)在200～800 Hz范圍內(nèi)聲功率降低18 dB。Lane等[26]采用DAVA作動器進(jìn)行復(fù)合材料整流罩內(nèi)噪聲結(jié)構(gòu)聲主動控制的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在 70～200 Hz頻率范圍內(nèi)整流罩內(nèi)噪聲減小5 dB，在共振頻率處降噪效果達(dá)到10 dB。Stephen等[27]為了降低火箭起飛時(shí)在 60～250 Hz中低頻范圍內(nèi)的高聲壓級噪聲，將低頻效果良好的電磁激勵裝置融入到 DAVA設(shè)計(jì)中。

3 結(jié)束語

對國內(nèi)外運(yùn)載火箭整流罩降噪技術(shù)的原理和工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)分析，國外在整流罩降噪技術(shù)方面日趨成熟，已經(jīng)在部分運(yùn)載型號中有所應(yīng)用，而中國在該領(lǐng)域仍有一定差距，特別是低頻噪聲的降噪技術(shù)還處于探索階段。隨著中國各新型運(yùn)載火箭及其精密有效載荷的不斷出現(xiàn)，工程上對整流罩降噪水平提升的需求越來越緊迫。根據(jù)目前的研究能力和未來的工程需要，對整流罩降噪技術(shù)的發(fā)展提出以下建議：

a）多種降噪方式的綜合運(yùn)用。

運(yùn)載火箭在發(fā)射和飛行過程中，整流罩內(nèi)聲場是復(fù)雜且嚴(yán)酷的隨機(jī)寬頻噪聲，單一的降噪方式很難取得良好的效果。采用吸聲毯、亥姆霍茲共鳴器等方式實(shí)現(xiàn)特定頻段的大幅降噪，采取“以聲消聲”的ANC技術(shù)來抑制直接進(jìn)入整流罩內(nèi)的透射聲，采用控制火箭結(jié)構(gòu)振動聲輻射的 ASAC技術(shù)控制整流罩的輻射聲，同時(shí)，針對不同有效載荷的特殊需求，靈活搭配以多種降噪方式，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)載火箭整流罩聲振環(huán)境的有效改善，提高可靠性，降低發(fā)射失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

b）與整流罩回收技術(shù)相結(jié)合。

整流罩降噪技術(shù)的應(yīng)用，必然導(dǎo)致整流罩整體質(zhì)量的增加與有效載荷質(zhì)量的下降，同時(shí)被動降噪技術(shù)和主動降噪技術(shù)都會大幅提高整流罩的造價(jià)。受SpaceX公司獵鷹9整流罩回收嘗試的啟發(fā)，將整流罩降噪技術(shù)與回收技術(shù)相結(jié)合，會在一定程度上抵消整流罩質(zhì)量和成本增加帶來的弊端，促進(jìn)整流罩降噪技術(shù)的研究與應(yīng)用。

c）優(yōu)化整流罩氣動外形。

中國現(xiàn)有運(yùn)載火箭的頭部整流罩外形基本是鈍頭+單錐/雙錐外形，這種形狀的優(yōu)點(diǎn)是容積大、制造工藝簡單，但會影響火箭的氣動特性。國外現(xiàn)役新研整流罩頭部錐段越來越多地采用具有較優(yōu)氣動外形的光滑曲母線的截錐體，氣動載荷分布沿箭體軸向分布變化平緩，由于該外形從頭部到柱段基本上是光滑過渡，因此也具有較小的跨聲速脈動壓力，從而可改善火箭的氣動噪聲。因此優(yōu)化火箭氣動外形，降低整流罩的氣動噪聲，可以從根源上解決整流罩的降噪問題。

d）將良好的整流罩內(nèi)噪聲環(huán)境作為競爭優(yōu)勢。

在中國航天領(lǐng)域軍民融合的趨勢下，一大批民營航天企業(yè)迅速崛起，商業(yè)航天市場化的競爭環(huán)境中，運(yùn)載火箭的市場競爭絕不僅僅體現(xiàn)在低廉的價(jià)格上，更體現(xiàn)在高可靠性和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)上，而提供良好的整流罩內(nèi)噪聲環(huán)境是其中非常重要的組成部分，因此，進(jìn)行整流罩的聲學(xué)優(yōu)化將在市場競爭中占據(jù)更大的優(yōu)勢。