對運載火箭環境條件統一的探索

◎北京宇航系統工程研究所 楊樹濤 吳彥森 雷凱 陳風雨 張珂

在以“任務驅動”為主的傳統航天產品研制模式下，各項產品保證工作隨方案、初樣、試樣等階段在系統、分系統、單機各層次逐步展開，但近年來，航天科技工業新體系對于產品保證的需求發生了較大變化，這一變化首先體現在航天產品科研生產模式的轉變。與傳統的型號研制模式相比，新模式突出強調了“產品化”，航天產品研制活動由原有的“訂購方研制任務驅動”轉變為“‘兩總’抓型號、單位抓產品”的模式。

北京宇航系統工程研究所的產品化工作在中國運載火箭技術研究院的指導下開展，其中運載火箭力、熱環境統一研究作為產品體系建設的重要組成部分，受到了各級領導的廣泛關注。為此，研究所運載火箭總體研究設計室開展了火箭環境條件統一的研究工作，確定了環境條件產品化工作思路、工作原則、工作方法及實施途徑，并完成了初步統一方案的研究，為各系統單機開展產品化工作提供了條件。

一、工作思路及原則

運載火箭環境主要包括力學環境和熱環境技術條件，是各系統儀器設備研制設計和驗收考核的重要設計輸入。作為系統單機環境適應性的一項重要指標要求，其對各系統儀器設備研制設計具有重要影響，因此研究運載火箭力、熱環境條件統一的可行性方案，制定合理的統一環境條件，將會大大推動各分系統和單機產品化工作的開展。

1．工作思路

做好環境條件統一工作應遵循以下工作思路：

◆環境條件統一工作應根據在研和在飛型號各自的特點分別進行力、熱環境條件統一，以艙段設計統一環境條件為主，分散單機（“兩器”、火工品等）單獨制定統一環境條件為輔，兩者結合并最終實現環境條件統一。

◆對于在研型號，由于各系統儀器設備尚處于研制階段，如果從總體的設計源頭進行統一并得到各型號項目的配合和支持，即可開展“自上而下”的產品化工作。

◆對于在飛型號，因各型號都是已成熟應用并經過多次飛行成功驗證的產品，在統一環境條件后需要按照統一環境條件開展一系列的摸底試驗和環境適應性分析，滿足要求即可進入通用產品貨架。

◆無法通過統一環境條件的產品有3 種解決途徑：一是對不能適應統一環境條件的儀器設備開展環境適應性改進設計（如開展減振、熱防護設計）；二是通過搭載飛行精細化測量等措施開展環境條件精細化包絡設計，研究統一的環境條件是否有下降空間；三是對確實無法通過統一環境條件試驗的產品，可作為個性產品對待。

2．工作原則

從有利于產品化工作開展的角度出發，環境條件統一應遵循以下兩個原則：

一是箭上環境設計艙段劃分數量應盡量少。如果艙段劃分過多，按各型號對應艙段統一后的環境條件無法達到真正實現產品化的目的。

二是箭上環境設計艙段劃分要按照力學環境嚴酷程度呈梯度化分布。箭上各艙段以發動機艙的聲振環境最為嚴酷，而儀器艙儀器安裝板位置力學環境較好，如果將聲振環境較大的發動機艙與其它艙段統一，則會給其它艙段儀器設備的力學環境適應性設計帶來巨大的影響。因此，應按照力學環境嚴酷程度梯度，同時考慮艙段劃分數量盡量少的原則，可將箭上儀器設備力學環境設計艙段劃分為儀器艙內、發動機艙內、其它艙段3 個部分。

二、工作方法及途徑

1．力學環境條件統一

（1）在研型號

型號A 和型號B 火箭助推器、芯一級共用同一型號發動機，且飛行時間基本相同，因此在低頻、高頻、耐共振等振動環境條件方面基本保持一致。在其它各級飛行段上，由于發動機不同的原因而有所區別；噪聲環境試驗條件和沖擊環境試驗條件也基本一致，在不同艙段和頻段上略有區別。

2 個型號在很多艙段具備統一力學環境條件的基礎，針對這些艙段目前也已基本做到了力學環境條件的統一化，箭上產品可以根據統一的環境條件來設計。后續重點研究內容是利用動力系統試車、后續飛行試驗等修正和優化統一后的力學環境條件，針對當前仍有明顯差異的條件進一步研究統一的可行性。

對于無法通過統一環境條件的產品可考慮2 種途徑：一是開展環境適應性改進設計，以提高產品的環境適應性；二是開展搭載地面試車測量工作，通過精細化測量等途徑研究統一環境條件是否有降低的可能性。

（2）在飛型號

在飛型號基于同樣的發動機系統，存在環境條件統一的前提，但目前各型號的力學環境條件和各系統設備的試驗方法均具有明顯的繼承性，并考慮到各型號自身的特點，環境條件在具體參數上有所差異。可綜合考慮各型號環境條件，研究通過包絡的方法制定統一的力學環境條件。

統一的力學環境條件制定以后，各型號產品根據統一環境條件開展摸底試驗，能夠適應統一環境條件的產品直接進入貨架，并綜合考慮技術狀態統一、產品化等因素，以確定是否形成通用產品，實現各型號的產品統一。

無法統一環境條件的產品可考慮2 種途徑：一是開展環境適應性改進設計，以提高產品的環境適應性；二是開展搭載飛行測量工作，通過精細化測量等途徑研究統一環境條件是否有降低的可能性。

對“兩器”、火工品、活門等單機，全箭使用量較大且分布在各個艙段，安裝位置較為分散，各型號之間產品共用現象普遍，可將此類型產品單獨制定統一的環境條件，方便各型號組批生產和驗收。

2．熱環境條件統一

（1）在研型號

各部段結構溫度由飛行彈道、結構厚度、材料熱物性、發動機噴流等綜合因素的作用，且結構溫度作為結構設計的一項輸入條件影響著結構設計方案。對比在研型號A 和型號B，彈道、結構材料及厚度、發動機布置均存在較大差異，因此導致各部段結構溫度差異較大。如果統一結構溫度和持續時間，則將影響結構設計方案，會導致結構增重等一系列問題，需要對各型號綜合分析后研究統一的可行性。

各艙段空間溫度取決于結構內壁溫、艙內熱源、冷源等的作用。對比型號A 和型號B的空間最高溫度，除尾艙內空間溫度外，兩者最大差異值為10℃，持續時間最大差異值約為300s，可考慮將兩者最高溫度統一，同時研究持續時間的差異性。

型號A 與型號B 的空間最低溫度最大差異值為25℃，持續時間最大差異值約為220s。由于型號A 使用液氫推進劑且飛行時間較長，導致主要艙段需承受較低的溫度環境；型號B 使用液氧推進劑且飛行時間較短，所以主要艙段的最低溫度高于型號A。如果將兩者最低溫度統一，則型號B 的一些儀器設備需要經歷更嚴酷的低溫鑒定試驗，尤其是型號B 單獨使用的儀器設備會存在過試驗問題，增加了設計難度，因此需要進一步開展綜合比對分析來確定。

（2）在飛型號

各部段結構溫度由氣動加熱、結構厚度、材料熱物性、發動機噴流等綜合因素的作用，同時在飛型號彈道、結構材料及厚度、發動機布局也存在差異，導致在飛火箭各部段結構溫度和持續時間有差異。由于各在飛型號結構部分技術狀態已經比較成熟，且結構方案更改影響較大，因此對結構溫度條件不做統一。

各艙段空間溫度取決于結構內壁溫、艙內熱源、冷源等因素的作用。對比在飛型號艙段空間最高溫度（除尾艙及發動機艙內空間溫度外），在一定溫度區間范圍內開展熱環境條件統一工作，按照最高溫度統一研究持續時間的差異性。

三、環境條件統一的實例

按照上述環境條件統一的工作方法及實現途徑，筆者在此以各型號某類典型產品低頻振動力學環境條件統一為例，詳細介紹環境條件統一的過程及步驟。

首先，針對運載型號低頻振動力學環境進行比對分析。型號A、型號B、型號C 某類典型產品低頻振動試驗條件頻段均為5～100Hz，型號A 的頻譜拐點頻率為10Hz，型號B 和型號C 的拐點頻率為8Hz，兩者差異不大，具備統一的基礎；3 個型號均在30 ～50Hz 頻段存在1 個“凸臺”，量級因火箭結構差異略有不同，采用包絡方法進行統一。

為了滿足各型號力學環境的要求，各型號統一環境條件可采用包絡分析方法給出，并以圖譜繪制包絡的方法清晰地繪出各型號統一力學環境的條件。

運載火箭環境條件統一是各系統單機研制單位開展產品化工作的重要前提和基礎，制定合理的統一環境條件對于推動運載火箭產品化工作具有重要意義。目前，北京宇航系統工程研究所運載火箭總體研究設計室已完成了各型號力、熱環境的初步統一工作，后續還將與各系統單機研制單位進一步合作，開展針對儀器設備對于各型號包絡統一環境條件的適應性分析和驗證工作，為最終的環境條件統一提供支撐。▲