長征五號運載火箭活動發射平臺燃氣流場環境研究

潘玉竹，陳勁松，平仕良，張國棟，賀建華

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

長征五號運載火箭（以下簡稱CZ-5）是為了提升中國航天運載能力而研制的新一代運載火箭，是中國首個起飛推力超過千噸的大型運載火箭，近地軌道最大運載能力達到25噸級。芯一級采用5 m直徑模塊，2臺地面推力50噸級的YF-77氫氧發動機雙向擺動，助推器采用4個3.35 m直徑模塊，每個模塊配置2臺地面推力120噸級的YF-100液氧煤油發動機，每個助推器擺動靠近芯級內側的1臺發動機[1]。

CZ-5活動發射平臺是專門為新一代運載火箭研制，是火箭測發流程得以實現的基礎性綜合設備，主要用于承載加注前后的運載火箭，并配合火箭完成組裝、測試、轉場、加注及發射。新一代運載火箭發動機與以往型號火箭發動機相比，燃氣流場溫度更高，燃氣流總排量也更大。活動發射平臺在火箭起飛過程中承受一級火箭和助推火箭最多10個發動機同時噴出的高溫、高壓、高速燃氣流的沖刷和燒蝕[2]。研究CZ-5運載火箭起飛過程中活動發射平臺所處的燃氣流場環境，獲取發射平臺典型部位的空氣壓力、溫度和熱流密度的變化規律，有助于驗證發射平臺目前熱防護措施的有效性以及結構設計方案的正確性。

火星科學實驗室[3～6]在火星探測任務中，通過MISP傳熱分析裝置，獲取MSL防熱套材料響應并重構表面熱環境，建立了飛行數據分析與反饋體系。劉初平[7]對氣動熱地面試驗中的傳熱作用機制與熱流測量技術進行了較為系統的歸納與綜述；李翔[8]利用紅外測溫法測試固體火箭發動機羽焰溫度開展了研究。

1 發射平臺燃氣流場預示

CZ-5活動發射平臺長29 m，寬23 m，高70 m，實體三維模型如圖1a所示。在開展燃氣動力學仿真分析時，考慮到計算機資源及計算速度的需求，針對實體模型采用必要的簡化，簡化背風或遠場的結構及設備，簡化不關注的結構、細節，重點關注發射平臺臺面附近結構燃氣流場的影響，主要包括支承臂、尾端服務塔、臍帶塔等，簡化后的數值仿真模型見圖1b。

圖1 CZ-5活動發射平臺模型Fig.1 Model of CZ-5 Launch Pad

CZ-5運載火箭發射燃氣動力學仿真分析采用瞬態數值模擬技術，同時采用箭體包絡外絡的動網格技術模擬火箭起飛動態過程，模擬方法框圖如圖2所示。

圖2 CZ-5火箭發射燃氣動力學數值模擬方法Fig.2 Block Diagram of CZ-5 Launch Gas Dynamics Numerical Simulation Method

根據發射燃氣動力學預示結果，CZ-5運載火箭起飛過程中，活動發射平臺受燃氣流燒蝕和沖刷最嚴重的時刻出現在火箭起飛18 m高度（對應起飛時刻為3.8 s），此時燃氣流靜壓峰值約1.06 MPa，靜溫峰值約2150 K，熱流密度峰值將達到25 MW/m2，出現位置為發射平臺臺體表面助推導流孔邊緣外側區域。

2 發射平臺熱環境測試方案

針對CZ-5活動發射平臺重點關注部位，基于發射燃氣動力學仿真分析結果，在發射平臺相應位置（表1）布置壓力、溫度、熱流等熱環境傳感器，在火箭起飛過程中，通過測試線纜將傳感器信號傳輸到采集設備，采集設備實時存儲記錄。同時，采集設備自備GPS授時模塊，確保數據時間軸為標準北京時間格式。壓力采樣率為5000 Hz，其余為1000 Hz。整個測量系統的供電由一臺UPS電源來提供。采集設備和電源置于發射平臺臍帶塔某層房間內，采取相應的減振措施。

表1 發射平臺熱環境測點匯總Tab.1 Summary of Launch Pad Thermal Environment Measuring Points

發射平臺臺面熱環境傳感器的安裝如圖3所示。熱流傳感器敏感面、空氣溫度敏感端和壓力管腔均朝上，且與所在傳感器安裝板齊平。臺面測點直接受到氣流作用，熱環境惡劣，所選傳感器需能承受瞬間的高溫沖擊。空氣溫度采用鎧裝鎢錸熱電偶，壓力傳感器選用高溫絕壓壓力傳感器，熱流傳感器采用柱塞式熱流傳感器。

圖3 發射平臺熱環境傳感器安裝示意Fig.3 Schematic Diagram of Launch Pad Thermal Environment Sensor

3 發射平臺熱環境測試數據分析

針對CZ-5某發飛行任務中活動發射平臺熱環境測試數據，整理分析可得活動發射平臺4種典型位置的空氣壓力、空氣溫度和熱流密度在火箭起飛過程中的變化規律。

圖4給出了發射平臺臺面助推導流孔邊緣外側區域的熱環境參數變化規律，該區域位于助推發動機YF-100噴口正吹位置，屬于發射平臺臺面強燒蝕區。熱環境峰值數據出現在起飛4 s左右，對應起飛高度19 m，此時空氣壓力達到0.95 MPa，空氣溫度為1960 ℃，熱流密度為19.8 MW/m2。

圖4 發射平臺管道架體頂部熱環境測試數據曲線Fig.4 Curves of Thermal Environment Test Data on the Top of Launch Pad Pipe Frame

與發射燃氣動力學預示結果相比（表2），發射平臺臺面強燒蝕區熱環境參數實測峰值數據偏小，峰值出現的時刻基本相同，均出現在起飛4 s左右，此時助推發動機噴口距離發射平臺臺面20 m，每個助推器的2個YF-100發動機噴出的高溫高速燃氣流核心直接作用到臺面助推導流孔邊緣外側區域，造成該區域的空氣壓力、空氣溫度和熱流密度均達到峰值。由于實際飛行任務中發射平臺兩側及臺面上的噴水系統的噴淋，會改善發射平臺臺面尤其是強燒蝕區的熱環境，而發射燃氣動力學理論預示時未考慮噴水系統的影響，因此發射平臺臺面強燒蝕區實測熱環境數據會略低于仿真預測結果。

表2 發射平臺臺面強燒蝕區熱環境參數實測峰值與理論預示的對比Tab.2 Comparison of Thermal Environment Parameters Between Experiment and Computation for Launch Pad Strong Ablation Area

圖5給出了發射平臺臺面鋼架結構頂部區域的熱環境參數變化規律，該區域位于發射平臺助推導流孔邊緣外側附近相鄰區域，屬于發射平臺臺面一般燒蝕區。熱環境峰值數據出現在起飛6.74 s左右，對應起飛高度57 m，此時空氣壓力達到0.12 MPa，空氣溫度為700 ℃，熱流密度為1.28 MW/m2。

圖5 發射平臺鋼架結構頂部熱環境測試數據曲線Fig.5 Curves of Thermal Environment Test Data on the Top of Launch Pad Steel Structure

圖6給出了發射平臺臺面欄桿根部附近的熱環境參數變化規律，該區域位于發射平臺四周臺面邊緣位置。臺面欄桿根部附近的熱環境峰值數據出現在起飛4.8 s左右，對應起飛高度28 m，此時空氣壓力達到0.23 MPa，空氣溫度為1500 ℃，熱流密度為13.6 MW/m2。

圖6 發射平臺臺面欄桿根部熱環境熱環境測試數據曲線Fig.6 Curves of Thermal Environment Test Data on the Bottom of Launch Pad Handrail

圖7給出了發射平臺擺桿桁架根部的熱環境參數變化規律，該區域位于離發射平臺臺面46 m的高空，當火箭起飛一定高度時該區域會受到燃氣流的影響。擺桿桁架根部的熱環境峰值數據出現在起飛9.6 s左右，對應起飛高度120 m，此時空氣壓力達到0.13 MPa，空氣溫度為630 ℃，熱流密度為0.36 MW/m2。

圖7 發射平臺擺桿熱環境熱環境熱環境測試數據曲線Fig.7 Curves of Thermal Environment Test Data on the Root of Launch Pad Umbilical Arm

4 發射平臺燃氣流載荷邊界

運載火箭發射過程中，發射平臺所承受的燃氣流載荷作為發射平臺熱防護設計和結構強度設計的前提條件，其載荷邊界的定義直接影響發射平臺的熱防護設計和結構強度設計的正確性。

基于CZ-5某發飛行任務活動發射平臺熱環境測試數據，提煉出發射平臺典型部位燃氣流載荷邊界如表3所示。

表3 發射平臺典型部位燃氣流載荷邊界Tab.3 Design Boundary of Combustion Gas Flow about Launch Pad Typical Parts

在發射平臺熱防護設計過程中，通常使用燃氣熱流密度來表征燃氣流載荷的燒蝕強度，根據熱流密度數值的大小選取合適的熱防護方式。

發射平臺典型部位熱流密度等級和熱防護方式如表4所示。從表4中可以看出：

表4 發射平臺典型部位熱流密度峰值數據Tab.4 Peak Heat Flux Data about Launch Pad Typical Parts

a）發射平臺管道架體頂部的熱流密度峰值超過15 MW/m2，屬于發射平臺強燒蝕區，需采取能夠耐高燒蝕、強沖刷的熱防護方式，該區域采用玻璃纖維預制體與鄰苯二甲腈樹脂制備復合材料熱防護板，能夠滿足至少5發不進行射后維護；

b）發射平臺臺面欄桿根部的熱流密度峰值為5～15 MW/m2，由于欄桿形狀多為不規則的圓鋼或方鋼，采用鋁基金屬陶瓷復合材料涂層，該涂層可采用電弧噴涂施工；

c）發射平臺鋼架結構頂部的熱流密度峰值為1～10 MW/m2，采用有機底層與無機表層的復合結構熱防護涂層，該涂層適用于大面積平面的熱防護；

d）發射平臺擺桿桁架根部的熱流密度峰值低于1 MW/m2，無需對其進行熱防護。

在發射平臺方案設計階段結構設計過程中，通常使用空氣壓力作為燃氣流沖擊載荷輸入。CZ-5運載火箭發射過程中，發射平臺典型部位的空氣壓力峰值大小如表5所示。

表5 發射平臺典型部位空氣壓力峰值數據Tab.5 Peak Gas Pressure Data about Launch Pad Typical Parts

續表5

從表5中可以看出：發射平臺方案設計階段結構設計時使用的燃氣流壓力載荷數據均大于目前實測空氣壓力峰值數據。由于發射平臺結構設計時按照相關產品規范保證發射平臺各部位安全系數不小于1.5，因此可認為目前發射平臺這些典型部位的結構是安全的。

5 結 論

a）CZ-5運載火箭起飛過程中，活動發射平臺所處的燃氣流場環境可分為：強燒蝕區、一般燒蝕區和弱燒蝕區。

b）發射平臺強燒蝕區主要集中在管道架體頂部，熱流密度峰值達到19.8 MW/m2，空氣壓力峰值達到0.95 MPa，溫度峰值達到1960 ℃，采用玻璃纖維預制體與鄰苯二甲腈樹脂制備復合材料板進行熱防護。

c）發射平臺一般燒蝕區主要集中在臺面欄桿根部和鋼架結構頂部區域，熱流密度峰值為1～15 MW/m2，采用鋁基金屬陶瓷復合材料涂層或者有機底層與無機表層的復合結構熱防護涂層。

d）發射平臺擺桿桁架受燃氣流燒蝕影響較小，熱流密度峰值約0.36 MW/m2，桁架自身可不采取熱防護措施。