運(yùn)載火箭強(qiáng)天氣環(huán)境適應(yīng)性防護(hù)研究綜述

付繼偉，陳 曦，葉志鵬，韓 松，洪 蓓

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

為了滿足任務(wù)需求，火箭發(fā)射往往需要在規(guī)定的時(shí)間窗口將載荷送入預(yù)定軌道。但是如果在預(yù)定的發(fā)射窗口遭遇短時(shí)強(qiáng)天氣，就會(huì)給飛行帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。

本文分析了火箭對(duì)幾種典型短時(shí)強(qiáng)天氣環(huán)境適應(yīng)性，開展了易損性分析，給出了國內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域雷電防護(hù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了展望。

1 雷電與火箭的適應(yīng)性

1.1 雷電環(huán)境對(duì)火箭效應(yīng)

在中國的南部地區(qū)不少地方每平方公里落雷年數(shù)量均可達(dá)4次以上。在華南、西南相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，年均雷暴日數(shù)在50日以上，部分地區(qū)甚至超過100日。以上是地閃的密度分布。運(yùn)載火箭，尤其是其尾焰還具有誘發(fā)雷電的機(jī)理，根據(jù)NASA的研究，火箭在空中電場(chǎng)僅為15 kV/m時(shí)即可能誘發(fā)雷電[2]。

雷電對(duì)火箭的破壞效應(yīng)主要包括直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[3]。直接效應(yīng)包括高電壓效應(yīng)、峰值電流效應(yīng)和電荷積累效應(yīng)。間接效應(yīng)包括電場(chǎng)的穿透效應(yīng)、磁場(chǎng)的穿透效應(yīng)、射頻干擾效應(yīng)和電磁脈沖效應(yīng)。其中，高電壓效應(yīng)指雷擊時(shí)產(chǎn)生的高電壓破壞火箭的絕緣并使電子元件失效，形成擊穿、穿孔、破裂和變形，產(chǎn)生的電火花引爆火工品和易燃、易爆推進(jìn)劑；峰值電流效應(yīng)指雷電擊中火箭時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件彎曲、變形甚至破裂；電荷積累效應(yīng)指雷電流在局部產(chǎn)生巨大的熱量，將金屬燒蝕、熔化；電場(chǎng)和磁場(chǎng)的穿透效應(yīng)指雷電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)進(jìn)入火箭電纜內(nèi)部，產(chǎn)生感應(yīng)電壓、電流損壞電子設(shè)備；射頻干擾和電磁脈沖效應(yīng)指雷擊時(shí)產(chǎn)生的低頻、高頻、甚高頻電磁輻射對(duì)箭上MOS器件產(chǎn)生損害。

飛行器誘發(fā)雷電以雙向先導(dǎo)為主[4]。盡管飛機(jī)的雷電防護(hù)已經(jīng)取得了大量成就，但是火箭的雷電防護(hù)具有自身的特點(diǎn)，不能直接沿用飛機(jī)的防護(hù)方案：

a）箭體表面具有較厚的防熱涂層，而飛機(jī)表面僅有薄漆。防熱層導(dǎo)致雷電擊中火箭后駐留時(shí)間長、注入能量大。此外，火箭的生產(chǎn)工藝決定了無法像飛機(jī)復(fù)材一樣表面熱壓銅網(wǎng)，這是火箭雷電防護(hù)面臨的最大挑戰(zhàn)。

b）整流罩的雷電防護(hù)雖然可以借鑒飛機(jī)雷達(dá)罩采用的導(dǎo)流條防護(hù)方案，但機(jī)理差別很大。

c）火箭存在豎直飛行段，雷電電弧停留在火箭頭部時(shí)間較長，產(chǎn)生極大的燒蝕能量，導(dǎo)致火箭面臨的雷電環(huán)境條件與飛機(jī)具有顯著區(qū)別。

d）火箭上安裝有大量分離、自毀使用的火工品，需要確保在雷擊過程中不失效、不殉爆。

1.2 火箭的雷電防護(hù)研究進(jìn)展

中國航天科研工作者結(jié)合國情，在雷電防護(hù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作，提出了分級(jí)保護(hù)、整體防雷的理論體系，即：整體防雷保護(hù)應(yīng)該是外部防雷、內(nèi)部避雷過壓保護(hù)和接地技術(shù)的統(tǒng)一體。在具體技術(shù)措施上可歸納為：均壓（等電位）-分流-屏蔽-接地技術(shù)，這是避雷保護(hù)中最重要和最有效的4個(gè)要素?；鸺姆览自O(shè)計(jì)也基于此4個(gè)要素開展，穆元良等總結(jié)了火箭發(fā)射時(shí)防雷設(shè)計(jì)原則是用最小的代價(jià)取得最好的效果，采用系統(tǒng)工程方法，實(shí)施“躲”、“防”、“扛”?！岸恪奔赐ㄟ^雷電預(yù)警系統(tǒng)對(duì)發(fā)射場(chǎng)雷擊進(jìn)行預(yù)報(bào)（以便火箭實(shí)施針對(duì)性的防護(hù)）并選擇發(fā)射時(shí)機(jī)使火箭升空時(shí)避開雷擊。對(duì)于雷電天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警，一般會(huì)在發(fā)射場(chǎng)建立一套由天氣雷達(dá)數(shù)字化處理系統(tǒng)、衛(wèi)星云圖數(shù)字化處理系統(tǒng)、地面電場(chǎng)儀系統(tǒng)、雷電探測(cè)系統(tǒng)、閃光定位系統(tǒng)、中心工作站等7個(gè)部分組成的雷電氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)；“防”即確?；鸺诎l(fā)射準(zhǔn)備階段地面防雷設(shè)施能使火箭免遭直接雷擊；“扛”即在發(fā)射場(chǎng)遭受雷擊、避雷針通過雷擊電流時(shí)，火箭能承受雷電流產(chǎn)生的間接效應(yīng)而不損壞。目前，中國的火箭在發(fā)射場(chǎng)設(shè)置的直擊雷防護(hù)裝置主要還是以固定式避雷裝置為主，其設(shè)計(jì)與航天發(fā)射場(chǎng)設(shè)計(jì)相似，同時(shí)設(shè)置均壓接地網(wǎng)和雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。例如某衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射工位設(shè)置了3座獨(dú)立避雷塔。每兩座避雷塔之間的保護(hù)角度均不大于45°，并由這3座獨(dú)立的避雷塔構(gòu)成發(fā)射場(chǎng)區(qū)的避雷網(wǎng)系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代早期的研制試驗(yàn)中，中國對(duì)儀器艙進(jìn)行了電爆管直擊雷模擬試驗(yàn)，對(duì)儀器艙、電爆管、殼體結(jié)構(gòu)分別開展了沖擊電流試驗(yàn)和沖擊電壓試驗(yàn)。在20世紀(jì)90年代，中國制定了GJB1804-93《運(yùn)載火箭雷電防護(hù)》，對(duì)火箭的防雷設(shè)計(jì)提出了整體要求，同時(shí)也規(guī)定了場(chǎng)地防雷、氣象防雷的具體要求和方法。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定體現(xiàn)了中國對(duì)于雷電防護(hù)工作的重視。而飛行中的火箭要能“扛”住雷電，就需要進(jìn)行對(duì)結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)的防護(hù)和對(duì)電氣設(shè)備間接效應(yīng)的防護(hù)[2]。

a）火箭結(jié)構(gòu)的雷電防護(hù)。

結(jié)構(gòu)的雷電防護(hù)可以進(jìn)一步分為通過導(dǎo)流條引導(dǎo)雷擊點(diǎn)，和采取手段使結(jié)構(gòu)能夠承受電弧燒蝕這兩種技術(shù)手段。

對(duì)于通過導(dǎo)流條引導(dǎo)雷擊點(diǎn)的手段，現(xiàn)有的導(dǎo)流條研究，基本均以飛機(jī)雷達(dá)罩為應(yīng)用背景，探討在絕緣體殼段外使用導(dǎo)流條防護(hù)的設(shè)計(jì)方法。導(dǎo)流條在飛機(jī)上廣泛用于雷達(dá)罩等絕緣體殼段的雷電防護(hù)。導(dǎo)流條可分為連續(xù)式或斷續(xù)式[5]。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)流條表面電暈的產(chǎn)生、流注的發(fā)展，直至放電先導(dǎo)的形成，整個(gè)過程較為復(fù)雜。雷電附著點(diǎn)研究大多集中于電力領(lǐng)域?qū)Ρ芾揍?、避雷線等結(jié)構(gòu)的研究[6]。但也有學(xué)者研究了導(dǎo)流條上放電先導(dǎo)的產(chǎn)生規(guī)律。Kawabata等使用了FDTD方法研究了導(dǎo)流條的保護(hù)區(qū)域[7]，重點(diǎn)進(jìn)行了電暈發(fā)生前的靜電場(chǎng)仿真，通過假定電場(chǎng)閾值，來確定受保護(hù)的區(qū)域。Ulmann等人基于試驗(yàn)的方法研究了導(dǎo)流條在實(shí)際應(yīng)用的許多問題，包括環(huán)境濕度的影響，天線罩內(nèi)部導(dǎo)體的影響等[8]。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，Delannoy進(jìn)一步提出了導(dǎo)流條上雷電放電先導(dǎo)產(chǎn)生的數(shù)值模型，并使用該模型研究了導(dǎo)流條高度的優(yōu)化方法[9]。傳統(tǒng)的導(dǎo)流條研究僅針對(duì)飛機(jī)雷達(dá)罩等絕緣殼段的防護(hù)。而在火箭導(dǎo)體、絕緣體雙層結(jié)構(gòu)外使用導(dǎo)流條，與飛機(jī)在單層絕緣體表面外使用導(dǎo)流條，其機(jī)理有明顯差異，目前尚無相應(yīng)的理論或模型支撐。北京宇航系統(tǒng)工程研究所近年來研究了在帶防熱的殼體表面使用導(dǎo)流條的設(shè)計(jì)技術(shù)，并在試片級(jí)開展了數(shù)百次高電壓放電，積累了一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和有效數(shù)據(jù)。

而對(duì)于抗電弧燒蝕的防護(hù)方法，目前公開文獻(xiàn)上鮮有針對(duì)固體火箭的雷電防護(hù)解決方案。飛機(jī)針對(duì)碳纖維復(fù)合材料等導(dǎo)電殼段，一般在復(fù)合材料熱壓成形過程在表面壓入一層金屬網(wǎng)，通過降低表面電阻率減小焦耳熱以減輕雷電電弧燒蝕[10]。固體火箭表面具有的防熱涂層，生產(chǎn)工藝決定了無法像飛機(jī)復(fù)材一樣表面熱壓銅網(wǎng)，這是火箭雷電防護(hù)面臨的最大挑戰(zhàn)。近年來，北京宇航系統(tǒng)工程研究所和航天材料與工藝研究所開展了基于涂層的防熱層抗雷電電弧燒蝕防護(hù)技術(shù)研究，并完成了艙段級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了通過誘發(fā)等離子體分散雷電電流從而避免電弧燒蝕的可行性。

b）火箭電氣系統(tǒng)的雷電防護(hù)。

美國、前蘇聯(lián)、歐洲、日本在電氣設(shè)備防雷設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的研究相對(duì)比較深入。中國近年來也開展了相應(yīng)研究。余志勇等對(duì)使用不同材料的飛機(jī)的內(nèi)部線纜進(jìn)行了雷電耦合電流進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了金屬飛機(jī)能夠提供較好的屏蔽效果的結(jié)論[11]；趙玉龍等對(duì)某個(gè)型號(hào)的火箭通過有限元算法進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)不同放電間隙和雷擊方位下的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[12]；高成等搭建了飛機(jī)初始雷擊附著位置的仿真環(huán)境，采用閾值劃分的方法成功確立了A-320客機(jī)的初始雷擊附著位置[13]；陳曉寧等采用同樣的方法確立了UH-60直升機(jī)的初始雷擊附著區(qū)域[14]；郭飛等采用直接注入雷電流的方式，對(duì)某小型客機(jī)進(jìn)行了雷電間接效應(yīng)的研究，著重分析了機(jī)體內(nèi)外電磁場(chǎng)分布以及線纜耦合干擾大小[15]。

在電氣防護(hù)方面，北京宇航系統(tǒng)工程研究所開展了直擊雷電間接效應(yīng)環(huán)境測(cè)量試驗(yàn)，通過從箭體外殼注入脈沖電流，首次獲取了火箭內(nèi)的電磁環(huán)境；除此之外，還完成了飛控計(jì)算機(jī)樣機(jī)等一批設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了箭上關(guān)鍵單機(jī)雷電防護(hù)方案，為未來掌握雷電火箭的綜合雷電防護(hù)技術(shù)提供了有力支撐。

2 大風(fēng)與火箭的適應(yīng)性

2.1 火箭面臨的地面大風(fēng)環(huán)境分析

氣象學(xué)上一般將平均風(fēng)速達(dá)到6級(jí)及以上（不小于10.8 m/s）的風(fēng)稱為大風(fēng)。根據(jù)對(duì)1961～2010年地面氣象站大風(fēng)觀測(cè)資料的分析[16]，中國大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)出西多東少的分布特點(diǎn)。青藏高原地區(qū)出現(xiàn)的大風(fēng)天氣較為集中，而內(nèi)蒙古地區(qū)的大風(fēng)天氣較為分散。青藏高原地區(qū)大風(fēng)集中期出現(xiàn)最早，而東南沿海地區(qū)大風(fēng)集中期出現(xiàn)最晚。近50年以來，中國大部分地區(qū)的平均風(fēng)速具有明顯的減弱趨勢(shì)，齊魯?shù)貐^(qū)平均風(fēng)速減弱最為明顯。全國范圍內(nèi)的大風(fēng)日數(shù)也有減少的變化趨勢(shì)，其中青藏高原地區(qū)減少趨勢(shì)最為顯著。但大風(fēng)的集中度均有增加的趨勢(shì)，其中東南沿海地區(qū)增加最顯著，內(nèi)蒙古地區(qū)和華北地區(qū)也有顯著增加的趨勢(shì)。中國絕大多數(shù)地區(qū)6級(jí)以上大風(fēng)的日數(shù)均在40天以下。

而對(duì)于中國的強(qiáng)大風(fēng)（風(fēng)速≥25 m/s）主要發(fā)生在中東部地區(qū)[16]。在月分布上則集中在4～8月之間，峰值月份一般出現(xiàn)在6月。一般從3月份起，大風(fēng)開始在西南、華南地區(qū)出現(xiàn)，4月北進(jìn)入華中、華東地區(qū)，到5月則北進(jìn)到了華北、東北和西北地區(qū)。大風(fēng)的日變化主要呈現(xiàn)單峰的分布，峰值時(shí)間在傍晚的17～18時(shí)（北京時(shí)間）。如果僅從發(fā)生次數(shù)（不考慮持續(xù)時(shí)間）上看，強(qiáng)大風(fēng)的年次數(shù)是很低的，在某一地區(qū)平均年發(fā)生次數(shù)僅為個(gè)位數(shù)。

2.2 火箭對(duì)地面大風(fēng)環(huán)境適應(yīng)性分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，固體火箭在設(shè)計(jì)中考慮了對(duì)地面風(fēng)速的適應(yīng)性，一般來說，在22.5 m/s以下的風(fēng)速下均可發(fā)射，而在22.5 m/s以上的極高風(fēng)速下，不同的火箭也可根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的姿控穩(wěn)定性分析，相當(dāng)一部分火箭仍有一定裕量。

3 強(qiáng)降水與火箭的適應(yīng)性

3.1 火箭面臨的強(qiáng)降水環(huán)境分析

中國短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域?yàn)槿A南，其次為云南南部、四川盆地、貴州南部、江西和長江中下游等，最大短時(shí)降水強(qiáng)度可超過180 mm/h[17]。

從月際變化來看，7月短時(shí)強(qiáng)降水事件最活躍，其次為8月。逐侯的變化顯示，短時(shí)強(qiáng)降水事件具有顯著的間歇性發(fā)展特征，但總體上呈現(xiàn)緩慢增強(qiáng)、迅速減弱的特點(diǎn)，并以7月的第4侯最為活躍[17]。

3.2 火箭對(duì)強(qiáng)降水環(huán)境適應(yīng)性分析

液體火箭由于長時(shí)間豎立在發(fā)射臺(tái)，包括由于低溫推進(jìn)劑帶來的水汽凝結(jié)現(xiàn)象，在防水設(shè)計(jì)上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，近年來還開始采用了疏水材料[18]，進(jìn)一步提高火箭的防雨性能。固體火箭在發(fā)射前由于保溫等原因一般有良好的防護(hù)，并不長時(shí)間暴露在降水中。在飛行中，火箭箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)降水并不敏感，而且基于防熱的考慮，火箭除個(gè)別泄壓孔外，大部分孔縫都通過防熱涂料進(jìn)行了密封，對(duì)短時(shí)淋雨具有良好的耐受性。

相對(duì)而言，降水給地面設(shè)備和發(fā)射裝置帶來的挑戰(zhàn)更多，包括密封性和抗積水等等方面。雖然目前火箭一般是以中雨作為發(fā)射條件，但對(duì)于更強(qiáng)的降雨，在工程上有望通過良好的設(shè)計(jì)，具有更好適應(yīng)性。

4 降雹與火箭的適應(yīng)性

中國的降雹從頻率方面看主要發(fā)生在高山地區(qū)和北部平原[19]。這造成了中國北部地區(qū)的降雹頻率通常要高于南部地區(qū)。而降雹頻率的最大值出現(xiàn)在青藏高原的中部。在季節(jié)變化上，中國北部和西部地區(qū)的降雹季節(jié)一般始于春末，止于初秋；而中國南部和西南部地區(qū)的降雹季節(jié)則始于春季。在日變化上，中國大部分地區(qū)的降雹事件主要發(fā)生于15時(shí)到20時(shí)，但在貴州和湖北地區(qū)，降雹則經(jīng)常發(fā)生在夜間。

從降雹的累積持續(xù)時(shí)間角度分析，降雹累積持續(xù)時(shí)間與海拔高度呈現(xiàn)較高的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99。降雹累積持續(xù)時(shí)間的最大值出現(xiàn)在青藏高原地區(qū)，持續(xù)時(shí)間高達(dá)250 min；其次為內(nèi)蒙古中部以及東北部山區(qū)，累積持續(xù)時(shí)間約為150 min。單次降雹持續(xù)時(shí)間的日變化明顯，午后至夜間出現(xiàn)的冰雹持續(xù)時(shí)間長于凌晨和上午的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間峰值出現(xiàn)在 17時(shí)和18時(shí)。

由于冰雹的尺寸大小差異很大，因此對(duì)于火箭的影響也難以進(jìn)行估計(jì)。一般而言，采用防熱涂層等軟質(zhì)防熱材料的火箭整流罩耐受性較差，而采用防熱套的結(jié)構(gòu)冰雹耐受性較強(qiáng)。但即使不考慮冰雹強(qiáng)度，最長降雹時(shí)間僅占全年總時(shí)間的0.47‰，對(duì)發(fā)射時(shí)間的影響較小。

5 結(jié)束語

火箭的短時(shí)強(qiáng)天氣適應(yīng)性是交叉學(xué)科問題，涉及到箭體結(jié)構(gòu)、電磁、氣動(dòng)、材料等多專業(yè)深度耦合的問題，涉及從總體到設(shè)備和材料的各個(gè)層級(jí)。本文分析了各種強(qiáng)天氣的發(fā)生概率和火箭的適應(yīng)性。固體火箭對(duì)大風(fēng)和強(qiáng)降雨的適應(yīng)性從機(jī)理上是比較好的，超出其適應(yīng)范圍的強(qiáng)天氣發(fā)生概率是較低的。而對(duì)于其它天氣現(xiàn)象，例如雷擊和冰雹則相對(duì)容易導(dǎo)致未加固的固體火箭飛行失敗。

從發(fā)射準(zhǔn)則的角度，短時(shí)強(qiáng)天氣可以分為兩類，一類是像大風(fēng)、強(qiáng)降水和冰雹等易于觀測(cè)天氣，操作人員比較容易識(shí)別并采取措施，因此，這類天氣可以從年累計(jì)發(fā)生時(shí)長的角度考慮發(fā)射推遲的可能性，從而概率往往是比較低的。而另一類天氣是雷電這類難于觀測(cè)的天氣，即使在有全航區(qū)的空中電場(chǎng)的條件上做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)都是較難的，何況在實(shí)際任務(wù)中，操作人員手中往往只有發(fā)射點(diǎn)位被地面電荷層屏蔽的地面電場(chǎng)。因此，基于安全性的角度，容易形成在只要出現(xiàn)雷雨天氣下就推遲發(fā)射的準(zhǔn)則，這就導(dǎo)致任務(wù)推遲的概率顯著增加。所以，本文重點(diǎn)分析了火箭雷電防護(hù)的特點(diǎn)，給出了火箭雷電防護(hù)研究現(xiàn)狀，指出了目前待解決的關(guān)鍵問題，以期未來能提高中國火箭對(duì)于全天候的適應(yīng)性。