運載火箭測試安全性改進設(shè)計

董余紅，黃 兵，黃 輝，李 強，李 茂

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

中國新一代大型低溫運載火箭研制之初，在測試方案設(shè)計上，按照繼承性原則，充分借鑒了傳統(tǒng)低溫火箭的設(shè)計成果。

根據(jù)傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案設(shè)計，在出廠測試及發(fā)射場測試的總檢查測試狀態(tài)中，為在地面測試時充分覆蓋飛行狀態(tài)，一般要進行動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣狀態(tài)的測試，以及控制系統(tǒng)脫拔及分離連接器的全脫全拔狀態(tài)的測試。傳統(tǒng)低溫火箭將這2次測試狀態(tài)安排在同一次總檢查中進行考核。隨著研制任務(wù)的開展，在對火箭發(fā)射場總檢查測試狀態(tài)深入思考基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)按照原有總檢查測試狀態(tài)設(shè)計，將動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣狀態(tài)與控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)放在一起考核，在一度故障下存在可能導致箭上低溫發(fā)動機部分閥門產(chǎn)品損壞的隱患。本文提出了在出廠及發(fā)射場測試中的改進方案，提升箭上產(chǎn)品的測試安全性。

1 傳統(tǒng)低溫火箭測試方案設(shè)計潛在風險分析

傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案設(shè)計中，將動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣狀態(tài)和控制系統(tǒng)脫拔及分離連接器全脫全拔狀態(tài)設(shè)計為在一次總檢查中進行考核，該測試方案在一次總檢查中即完成了對兩大測試要點的考核，但通過對其進行詳細的風險分析，識別出該測試方案存在兩大風險。以下針對識別出的兩大風險，開展規(guī)避風險的手段分析、風險出現(xiàn)后的后果分析、風險出現(xiàn)后的應(yīng)急處置措施等分析。

1.1 分離動作可能存在潛通路導致的風險

1.1.1 風險識別

在按照傳統(tǒng)低溫火箭設(shè)計的測試方案進行的某次總檢查測試（動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣、控制系統(tǒng)全脫全拔）中，由于控制系統(tǒng)在拔級間分離插頭時出現(xiàn)的潛通路問題，導致多路二級發(fā)動機電磁閥在剛進入二級飛行段不久就異常掉電關(guān)閉，3 s后二級電磁閥供電恢復正常，之前異常掉電的電磁閥由于供電恢復而同時上電打開。

由于當時動力系統(tǒng)為發(fā)動機帶氣狀態(tài)，導致二級發(fā)動機泵前閥被異常磨損，存在泵前閥密封性能下降的風險。

圖1 潛通路可能導致的風險Fig.1 Potential Risks of Sneak Path

1.1.2 風險規(guī)避

對于該問題，在設(shè)計階段控制系統(tǒng)開展全面的潛通路分析工作，并盡量在實驗室對可能出現(xiàn)潛通路的情況開展測試驗證工作。

在測試階段，最好的風險規(guī)避手段，就是將動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣狀態(tài)同控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)分開進行，不要放在同一次總檢查中進行考核。

如果發(fā)射場之前測試狀態(tài)中，將動力系統(tǒng)發(fā)動機帶氣狀態(tài)與控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)分開，即使出現(xiàn)潛通路問題導致二級發(fā)動機電磁閥異常掉電，由于發(fā)動機不帶氣，也不會導致發(fā)動機泵前閥被異常磨損的后果。

1.1.3 后果分析

低溫發(fā)動機的泵前閥為球閥結(jié)構(gòu)，其打開、關(guān)閉都要嚴格地按照“抬座-轉(zhuǎn)球-落座”的時序動作。在泵前閥異常掉電、異常上電的過程中，均出現(xiàn)未“轉(zhuǎn)球”便“落座”的異常過程，這會導致密封面出現(xiàn)異常磨損，進一步可能會導致閥門密封性能下降，需針對動力系統(tǒng)開展后果分析，評估對飛行的影響。

1.1.4 應(yīng)急處置措施

按照傳統(tǒng)低溫火箭設(shè)計的測試方案，若在模飛過程中出現(xiàn)上述類似潛通路問題，無應(yīng)急處置措施，只能在泵前閥密封面磨損后開展影響分析工作。

1.2 模飛結(jié)束后箭上未及時斷電導致的風險

1.2.1 風險識別

為減緩空間碎片情況，新一代運載火箭在末級飛行段設(shè)計了鈍化段飛行時序，在鈍化段飛行時序中，會定時打開末級火箭的發(fā)動機泵前閥，并一直保持打開狀態(tài)，直到電池耗盡。

在總檢查模飛結(jié)束后，需要通過手動按按鈕的方式發(fā)出斷電指令或者去箭上電池處斷電池插頭的方式，給箭上斷電。

如果控制系統(tǒng)未能及時給箭上設(shè)備斷電，飛行時序便會走到鈍化段時序，有可能會打開末級發(fā)動機的泵前閥。

若末級發(fā)動機泵前閥被打開，則控制系統(tǒng)在隨后的斷箭上電源操作中，將會同時給末級發(fā)動機電磁閥斷電，也就是在沒有抬座的情況下，就直接轉(zhuǎn)球，導致泵前閥密封面異常磨損，進而影響閥門密封性能。

1.2.2 風險規(guī)避

可能導致控制系統(tǒng)箭上未能及時斷電的原因，有2種：

圖2 測試操作可能導致的風險Fig.2 Potential Risks of Test Operating Procedure

a）人員操作稍晚，導致在箭上產(chǎn)品斷電前，箭上飛行時序已經(jīng)走到鈍化段時序，將二級泵前閥打開；

b）控制系統(tǒng)地面設(shè)備故障，導致未能及時給箭上產(chǎn)品斷電。

對于第1種原因，可以通過規(guī)程學習、嚴格操作等進行風險規(guī)避：對于由通過手動按按鈕發(fā)出斷電指令的，明確在總檢查模飛結(jié)束后，按照操作規(guī)程要求盡快完成斷電操作；對于需要去箭上電池處斷電池插頭的方式，模飛結(jié)束前提前安排人員在電池艙口處待命，待模飛結(jié)束后，根據(jù)指揮口令盡快完成斷電池插頭操作。

對于第2種原因，在系統(tǒng)設(shè)計階段規(guī)避風險的手段是采用冗余設(shè)計，在測試中無規(guī)避風險的手段。

1.2.3 后果分析

若由于模飛結(jié)束后箭上未及時斷電導致飛行時序走到鈍化段，本次測試為發(fā)動機帶氣狀態(tài)，就會使末級發(fā)動機泵前閥被打開。由于鈍化段時序中，沒有關(guān)閉泵前閥的動作，因此當箭上設(shè)備斷電時，被打開的泵前閥會出現(xiàn)在沒有抬座的情況下，就直接“轉(zhuǎn)球”，導致泵前閥密封面異常磨損，進而影響閥門密封性能，這就需要動力系統(tǒng)開展后果分析，評估對飛行的影響。

1.2.4 應(yīng)急處置措施

按照傳統(tǒng)低溫火箭設(shè)計的測試方案，在此種情況下，沒有應(yīng)急處理措施來避免泵前閥密封面異常磨損。

2 測試安全性設(shè)計原則的提出

經(jīng)過上述過程，觸發(fā)了對運載火箭出廠測試及發(fā)射場測試中總檢查測試狀態(tài)設(shè)置原則的思考，提出以下2條原則：

a）確保箭上產(chǎn)品安全的原則。

發(fā)動機帶氣狀態(tài)的總檢查測試，是出廠測試及發(fā)射場測試階段動力系統(tǒng)比較復雜且風險也比較大的一種測試狀態(tài)，稍有不慎，有可能造成箭上產(chǎn)品損壞。

控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)的總檢查測試，是一種使箭上產(chǎn)品處于短暫失去地面控制的一種測試狀態(tài)。

在出廠測試及發(fā)射場測試狀態(tài)設(shè)置中，為確保箭上產(chǎn)品安全性，應(yīng)將比較危險的測試狀態(tài)與可能導致箭上產(chǎn)品處于某種程度失控的測試狀態(tài)分開進行。

b）測試狀態(tài)逐步復雜的原則。

在考慮出廠測試及發(fā)射場測試狀態(tài)設(shè)置時，應(yīng)遵循測試狀態(tài)逐步遞進、逐步復雜的原則，在進行動力系統(tǒng)貯箱帶氣、發(fā)動機帶氣等較為復雜的測試前，應(yīng)首先確保電氣系統(tǒng)（控制、測量、動力測控等）的相關(guān)功能經(jīng)過考核是正確的。

3 總檢查測試方案測試安全性改進設(shè)計

3.1 提高了測試安全性的測試方案

發(fā)動機帶氣狀態(tài)的測試，目的是為了考核發(fā)動機各氣動閥工作的性能；控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)的測試，目的是為了考核在真實飛行過程中，助推分離、級間分離等分離動作對控制系統(tǒng)工作的影響。2種狀態(tài)放在1次總檢查和分別在2次總檢查中考核，都不影響對各自測試目的的考核。

為規(guī)避前述兩大風險，并遵循保箭上產(chǎn)品安全的原則及測試狀態(tài)逐步復雜的原則，將新一代大型低溫運載火箭出廠測試和發(fā)射場測試的總檢查測試狀態(tài)更改如下：

a）第1次總檢查中，進行發(fā)動機帶氣狀態(tài)的測試，該項測試中，控制系統(tǒng)脫拔、分離連接器不脫不拔；

b）第2次總檢查中，進行控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)測試，該項測試中，發(fā)動機不帶氣。

3.2 測試方案改進后的安全性提升

以下對改進后的測試方案，針對傳統(tǒng)低溫火箭測試方案識別出的2個風險，進行適應(yīng)性分析。

a）針對風險1：分離動作可能存在潛通路導致的風險。

在控制系統(tǒng)拔級間分離插頭時出現(xiàn)潛通路問題的總檢查測試中，若該次測試設(shè)計為發(fā)動機不帶氣狀態(tài)，僅電磁閥動作，氣動閥門不動作，則即使出現(xiàn)因控制系統(tǒng)潛通路導致的二級發(fā)動機電磁閥異常掉電3 s后又自動上電過程，也不會導致發(fā)動機泵前閥密封面異常磨損的后果。

圖3 提升測試安全性-規(guī)避潛通路可能導致的風險Fig.3 Improve Tesy Security: Avoid Potential Risks of Sneak Path

b）針對風險2：模飛結(jié)束后箭上未及時斷電導致的風險。

在發(fā)動機帶氣狀態(tài)總檢查測試中，若出現(xiàn)模飛結(jié)束后箭上未及時斷電，導致飛行時序走到鈍化段，從而使末級發(fā)動機泵前閥被打開的情況，按照之前的風險分析，在傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案中，出現(xiàn)此種情況，將可能會造成箭上產(chǎn)品損壞。

發(fā)動機的泵前閥一般均設(shè)計為箭上、地面都能控制的電磁閥，因此按照改進后的測試方案，在發(fā)動機帶氣狀態(tài)的總檢查測試中，控制系統(tǒng)脫拔、分離連接器為不脫不拔狀態(tài)，在這種情況下，存在有效的應(yīng)急措施，可以避免箭上產(chǎn)品損壞，具體如下所示：

a）控制系統(tǒng)箭上設(shè)備保持狀態(tài)；

b）動力測控系統(tǒng)后端測控軟件發(fā)出泵前閥打開指令；

c）控制系統(tǒng)箭上設(shè)備斷電；

d）動力測控系統(tǒng)后端測控軟件發(fā)出泵前閥關(guān)閉指令。

按照上述應(yīng)急預案操作，在發(fā)動機帶氣狀態(tài)下出現(xiàn)上述非預期的狀態(tài)，仍能確保箭上發(fā)動機產(chǎn)品的安全性。

圖4 提升測試安全性-規(guī)避測試操作可能導致的風險Fig.4 Improve Tesy Security: Avoid Potential Risks of Test Operating Procedure

針對風險2，按照傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案，若出現(xiàn)上述非預期的狀態(tài)，由于發(fā)動機帶氣狀態(tài)與控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)同時進行，因此此時地面動力測控系統(tǒng)無法控制箭上電磁閥，因此也就無法采取措施來確保箭上發(fā)動機產(chǎn)品的安全。

3.3 測試方案改進后的測試覆蓋性分析

在總檢查測試中，重點考核控制、動力等各大系統(tǒng)間射前流程的適應(yīng)性，接口的協(xié)調(diào)性、匹配性，發(fā)動機帶氣狀態(tài)，目的是為了考核發(fā)動機各氣動閥工作的性能，控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)，目的是為了考核在真實的飛行過程中，助推分離、級間分離對控制系統(tǒng)工作的影響。2種狀態(tài)放在1次總檢查和分別在2次總檢查中考核，都不影響對測試目的的考核，不影響測試覆蓋性。

如果在控制系統(tǒng)電路設(shè)計仍有潛通路的隱患，則發(fā)動機不帶氣狀態(tài)下的控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)總檢查下，該潛通路問題仍有可能暴露出來，這與發(fā)動是否帶氣測試無關(guān)。若潛通路問題暴露出來，則改進后的測試方案大大提高了箭上產(chǎn)品的測試安全性。

4 結(jié)束語

本文通過對傳統(tǒng)低溫火箭發(fā)射場測試方案設(shè)計進行潛在風險分析，識別出兩大風險。為此，提出“為確保箭上產(chǎn)品安全性，應(yīng)將比較危險的測試狀態(tài)與可能導致箭上產(chǎn)品處于某種程度失控的測試狀態(tài)分開進行”的測試安全性設(shè)計原則，并在此原則的指導下，對中國新一代大型低溫液體運載火箭的出廠測試及發(fā)射場測試方案進行了安全性改進設(shè)計，有效提升了運載火箭測試過程中的箭上產(chǎn)品安全性。