基于成熟型譜產品的上面級系統集成研制探索與實踐

◎北京宇航系統工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

基于成熟型譜產品的上面級系統集成研制探索與實踐

◎北京宇航系統工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

上面級是一種由基礎級運載器發射進入準地球軌道或地球軌道,并進一步將有效載荷從準地球軌道或地球軌道送入預定工作軌道或預定空間位置的,具有自主獨立性的飛行器。上面級一般具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點,且具有較強的任務適應性,能夠完成軌道機動、有效載荷分離與部署等任務。作為航天運輸系統的重要組成部分,上面級是提高火箭性能和任務適應能力的有效途徑。依托國家科技重大專項,中國運載火箭技術研究院開展了大、小兩型系列化上面級的研發工作,利用基礎級火箭加上面級可完成多星直接入軌發射,并將衛星直接送入最終目標軌道。兩型上面級按照通用化、系列化、產品化原則開展設計,其主要的分系統設計方案和主要的單機產品技術狀態均保持一致,設計中利用基礎級火箭的最大運載能力,充分考慮多種任務需求開展優化設計。

一、產品化工作思路

1．指導思想

? 在兩型上面級設計中,產品化設計理念的貫徹應自上而下進行,先盡量統一分系統方案,再以此為基礎統一單機產品。

? 上面級總體及各分系統設計中要充分考慮產品化要求,技術方案應具備一定的可擴展性,以便為技術方案統一及后續型號借用奠定基礎。

? 充分考慮與目前的成熟型號及在研型號產品的技術共用,盡量借用其它可借用的型號產品,選用其它可選用的型譜產品。

? 單機產品的設計要力求兼顧兩型上面級使用的要求,且其試驗環境條件應以兩型上面級要求的最大包絡進行,以便為產品化工作奠定基礎。

? 提高試驗設備、工裝以及研保條件實施方案的通用性,統籌考慮兩型上面級的使用要求。

? 統一兩型上面級接插件選型,制定統一的上面級接口標準和接插件要求。

2．實施策略

總體產品化策略。兩型上面級總體方案設計中要考慮系列化設計,系統方案盡量保持一致；上面級總體方案要充分考慮產品化策略,盡量減少單機種類；上面級要充分考慮通用性,以便能與不同的基礎級火箭組合使用；上面級系統方案要充分考慮使用靈活性,使其具備單星、雙星和多星發射能力及軌道部署能力,并能發射多種軌道有效載荷。

結構系統產品化策略。由于兩型上面級結構尺寸、載荷條件等均有較大差異,所以無法全部實現產品化,只能實現工藝、主材料、零部件等一定程度上的產品化；由于兩型上面級功能類似,只是攜帶的燃料增加,所以兩型上面級結構形式及總體布局可保持一致；在結構設計中,需要強化產品相似性的類比分析,掌握影響結構產品承載能力或功能的主要因素,并在同類結構產品研制過程中進行借鑒或繼承。

動力系統產品化策略。兩型上面級采用同一種動力系統總體方案,如主動力系統和姿控系統獨立供應,采用常規動力液體發動機等；主動力系統盡量選用同一種發動機,綜合權衡可靠性等設計要求,可考慮采用多臺發動機并聯的方案；姿控發動機系統盡量選用相同規格的推力室品種以及貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產品,綜合權衡可靠性等設計要求,根據不同要求配置不同數量的姿控噴管、貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產品；增壓輸送系統總體方案及單機狀態盡量保持一致,綜合權衡可靠性等設計要求,可配置不同數量的單機產品來滿足設計要求；推進劑管理系統方案及單機狀態盡量保持一致。

電氣系統產品化策略。采用電氣系統一體化設計思想,統一軟硬件接口標準；采用統一供配電模式進行控制、測量、熱控、分離供配電。控制系統采用某總線進行綜合設計,具備產品化條件；測量系統方案中遙測傳輸體制相近、外彈道測量體制相近,所以測量系統的高精度測量技術、一體化供配電技術、數據預處理技術、無線信道仿真技術等均可共用,產品化基礎較好。

發射支持系統產品化策略。

發射支持系統主要單機參數由上面級結構參數、質量特性、推進劑種類、加注諸元、瞄準方案等要求決定,兩型上面級使用推進劑相同,具備較好的產品化工作基礎；發射支持系統設計中需要對主要單機產品進行參數包容性設計,以滿足多個型號的需求。

二、產品化工作實踐

結合上面級型號特點,在型號研制過程中貫徹自頂向下的原則。總體方案統籌設計,環境條件包絡考慮,單機盡量選用型譜產品及借用產品,控制適應性改進產品和新研產品,充分貫徹產品化工作要求。

1．總體方案統籌設計

總體方案統一。上面級由箭體結構、動力系統、控制系統、測量系統、熱控系統以及發射支持系統組成。結構均采用直筒段儀器艙儀器內裝方案、圓柱段殼體加十字腹板的結構形式,只是在結構尺寸上有所區別；主動力系統選用同一種常規液體發動機,分別采用單臺和雙機并聯的方案,利用相同品種的固定姿控發動機實現三軸穩定,姿控發動機系統和主動力系統相對獨立；控制系統均采用總線傳輸、單機表（板）級冗余方案實現上面級飛行過程中的控制,采用統一供配電方案為控制、測量、熱控系統進行供電；測量系統均采用非相干測量體制,實現遠距離、高碼率的測量和測軌功能；熱控系統均采用以被動熱控為主、主動電加熱熱控為輔的方案。

兩型上面級除多星分配器外,其它各系統方案絕大部分均保持相同或相近,但在主結構尺寸及主承力構件布置、貯箱及貯箱懸掛結構尺寸和結構參數、儀器布局、管路電纜敷設及分支長度、隔熱屏外形尺寸及結構參數、主動電加熱路數、運輸/停放/起吊設備結構尺寸及結構參數、推進劑加注供氣系統方案等方面需作出適應性調整。

外系統接口統一。兩型上面級以多星直接入軌發射國家重大科技專項衛星任務為設計目標,適當兼顧長遠發展需求設計,所以設計中的一個重要原則就是,不同的發射方案下兩型上面級對其它各大系統、尤其是衛星系統的接口必須保持統一,以確保衛星只有一種設計狀態。

環境條件包絡考慮。上面級環境試驗條件設計時,要充分考慮不同基礎級火箭輸入和上面級自身的傳遞特性,以使箭上單機試驗條件能覆蓋不同發射任務的全生命周期,包括地面操作、基礎級主動飛行段和上面級飛行段。采用譜型再現法等精細化設計手段,對不同頻段的高頻實測力學試驗結果進行包絡,以避免試驗條件過于嚴酷引起單機損傷。同時,根據單機特點和需求制定細化沖擊試驗條件,以避免過度試驗造成產品不必要的損壞。

2．單機選用成熟產品

上面級單機產品配套情況按照4種狀態進行統計：一是型譜產品,可直接選用,無需作出任何修改；二是借用產品,可完全借用,無需作出任何修改；三是適應性改進產品,即在原產品狀態上進行小規模適應性改進；四是新研產品,即完全新研或在原產品狀態上進行大規模適應性改進。

型譜產品。小上面級全箭配套產品共計78種,其中可選型譜產品22種,選用型譜產品19種（占比24.36%）；大上面級全箭配套產品共計83種,其中可選型譜產品22種,選用型譜產品18種（占比21.69%）,所選型譜產品均為國產化產品。

考慮到大上面級借用了部分小上面級的新研產品,后續這部分新研產品也將統一納入產品型譜管理,所以大上面級選用型譜產品的比例還將進一步提升。

借用產品。小上面級借用產品23種,占比29.49%；大上面級借用產品45種,占比54.22%,所有借用產品均為國產化產品。

在大上面級設計中,姿控發動機系統、主發動機、增壓輸送系統、推進劑管理系統、控制系統、測量系統、主動熱控系統大部分產品均借用小上面級產品。因此,大上面級借用產品比例大幅度提升。對于所有借用產品,均按照質量管理要求進行了環境適應性分析等工作,并按照設計要求、環境條件包絡進行設計與驗證。

適應性改進產品。小上面級設計中無適應性改進產品,大上面級適應性改進產品有5種（占比6.02%）,包括綜合控制器、配電器、電池等。對于所有適應性改進產品,均按照質量管理要求進行了環境適應性分析、技術狀態變化控制、接口技術狀態分析等工作。

新研產品。小上面級新研產品36種,占比46.15%；大上面級新研產品15種,占比18.07%。在小上面級研制基礎之上,大上面級新研產品主要是結構系統產品。對于所有新研產品,均按照質量管理要求進行了關鍵技術攻關、原理性試驗驗證、數學仿真分析、各類單機和系統試驗測試驗證等工作。

3．支撐未來發展考慮

型號未來適應性分析。兩型系列化上面級目前已應用于國家重大科技專項衛星的組網和補網發射,未來還可應用于高分辨率對地觀測工程、月球探測工程等其它國家重大專項。此外,利用上面級的長時間在軌工作能力和軌道部署能力,可以參與國際星座衛星發射市場競爭,提高我國運載火箭的任務適應性和國際市場競爭力；同時,上面級還可應用于碎片清理、深空探測、衛星延壽、在軌加注、接管控制、受控離軌等多種類型的空間任務。

從搭配火箭的角度來看,兩型系列化上面級可與我國3.35米直徑、5米直徑的“長征”運載火箭組合使用,包括了目前在役的“長征”運載火箭的全部構型,多種組合可覆蓋不同軌道的直接入軌、多星發射等不同任務。

分系統未來適應性分析。上面級箭體結構具有一定的先進性和超前性,未來可在各類空間飛行器設計中進行推廣和參考。

動力系統主發動機未來可在2個方面進一步提升和改進：一是通過地面試車持續提升產品可靠性和技術指標；二是在目前系統方案基礎上對點火系統進行改進,設置多次起動箱,突破多次起動技術,以進一步增強任務適應性。

對于推進劑管理系統,隨著上面級功能的進一步擴展和任務的進一步復雜,上面級需要進行更多次起動,所以應進一步研究表面張力裝置、全管理貯箱等推進劑管理方案。

電氣系統主要繼承了運載火箭的設計傳統,并進行了適當的改進和提升。未來,電氣系統將采用電氣系統一體化及綜合電子技術,以進一步提升箭上信息集成度和設計集成度,減小電氣系統的規模和重量。

熱控系統采用被動熱控為主、主動熱控為輔的技術方案,充分借鑒和參考了衛星的熱控設計,可以滿足現有飛行任務的要求。未來,熱控系統要適應上面級長期在軌、多種飛行模式的任務,則需優化艙內熱量的分配和管理,節省熱控功耗和重量,為儀器設備提供更好的溫度條件保障。

單機產品未來適應性分析。兩型上面級新研產品設計時把握了以下原則：統籌考慮兩型上面級設計要求,功能、性能、指標要求差別不大的按照其中一種開展設計,有差別的按照其中更嚴苛的要求開展設計和驗證；在環境適應性設計方面,選取兩型上面級的環境條件包絡作為單機設計、試驗、驗證、驗收和鑒定條件；兩型上面級設計統籌考慮,盡量不增加新研產品品種。

三、產品化工作效果

在兩型上面級研制過程中,通過貫徹通用化、系列化、產品化設計思路和基于成熟型譜產品系統集成的研制模式,在研制周期縮短、研制成本降低、研制流程優化、組織模式靈活等方面取得了突出得成果和豐厚的回報。兩型上面級首飛均一次成功,迄今為止,連續執行5次飛行任務均取得圓滿成功。尤其是大上面級的研制,其動力系統、電氣系統、熱控系統、發射支持系統產品都充分實現了產品化,產品化率接近90%；關鍵單機實現100%通用,研制周期縮短一半,研制成本降低約90%。

在整個研制階段小上面級結構系統產品投產3套、電氣系統產品投產6套、主發動機投產18臺,用于各類研制性地面試驗。而大上面級結構系統產品僅投產1套,主發動機僅投產4臺,電氣系統產品除適應性改進和新研產品投產1套外,沒有新投產一臺單機,研制中大量使用小上面級的試驗件、鑒定件用于各類研制性地面試驗。單機狀態統一有助于實現批次性驗收和滾動投產備份,大大提升了計劃安排的靈活性。單機產品研制工作、投產數量和地面試驗項目的減少均可反映出研制周期的縮短、研制成本的降低。

另外,整個研制階段小上面級共開展大型地面試驗26項,而大上面級僅開展11項,系統方案統一和單機狀態統一使得加注排放試驗、落塔試驗、并聯貯箱均衡輸送試驗、電磁兼容試驗、電氣匹配試驗等大型地面試驗項目不必再次開展,通過小上面級的試驗結果修正仿真模型,并利用仿真結果即可得到精確預示。

兩型上面級研制過程中,始終堅決貫徹通用化、系列化、產品化設計思路和基于成熟型譜產品系統集成的研制模式,從對外接口、總體技術狀態、分系統技術狀態、單機產品幾個層次實現了產品化目標,既提高了產品可靠性、降低了技術風險,又顯著縮短了研制周期、降低了研制成本,是產品化理念的一次成功探索和實踐。后續,將在工程實踐中進一步探索產品化工作方法和基于型譜產品的宇航型號系統集成研制組織管理模式。▲