運(yùn)載火箭測試安全性改進(jìn)設(shè)計(jì)

董余紅，黃 兵，黃 輝，李 強(qiáng)，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(yùn)載火箭研制之初，在測試方案設(shè)計(jì)上，按照繼承性原則，充分借鑒了傳統(tǒng)低溫火箭的設(shè)計(jì)成果。

根據(jù)傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案設(shè)計(jì)，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(shí)充分覆蓋飛行狀態(tài)，一般要進(jìn)行動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jì)，將動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(dǎo)致箭上低溫發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jì)潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案設(shè)計(jì)中，將動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(jì)為在一次總檢查中進(jìn)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(diǎn)的考核，但通過對其進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)分析，識別出該測試方案存在兩大風(fēng)險(xiǎn)。以下針對識別出的兩大風(fēng)險(xiǎn)，開展規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段分析、風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)后的后果分析、風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

1.1.1 風(fēng)險(xiǎn)識別

在按照傳統(tǒng)低溫火箭設(shè)計(jì)的測試方案進(jìn)行的某次總檢查測試（動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(shí)出現(xiàn)的潛通路問題，導(dǎo)致多路二級發(fā)動機(jī)電磁閥在剛進(jìn)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(fù)正常，之前異常掉電的電磁閥由于供電恢復(fù)而同時(shí)上電打開。

由于當(dāng)時(shí)動力系統(tǒng)為發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)，導(dǎo)致二級發(fā)動機(jī)泵前閥被異常磨損，存在泵前閥密封性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 潛通路可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)Fig.1 Potential Risks of Sneak Path

1.1.2 風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避

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

在測試階段，最好的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避手段，就是將動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)同控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)分開進(jìn)行，不要放在同一次總檢查中進(jìn)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(jī)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(dǎo)致二級發(fā)動機(jī)電磁閥異常掉電，由于發(fā)動機(jī)不帶氣，也不會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)泵前閥被異常磨損的后果。

1.1.3 后果分析

低溫發(fā)動機(jī)的泵前閥為球閥結(jié)構(gòu)，其打開、關(guān)閉都要嚴(yán)格地按照“抬座-轉(zhuǎn)球-落座”的時(shí)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(dǎo)致密封面出現(xiàn)異常磨損，進(jìn)一步可能會導(dǎo)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(jì)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(shí)斷電導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)識別

為減緩空間碎片情況，新一代運(yùn)載火箭在末級飛行段設(shè)計(jì)了鈍化段飛行時(shí)序，在鈍化段飛行時(shí)序中，會定時(shí)打開末級火箭的發(fā)動機(jī)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(shí)給箭上設(shè)備斷電，飛行時(shí)序便會走到鈍化段時(shí)序，有可能會打開末級發(fā)動機(jī)的泵前閥。

若末級發(fā)動機(jī)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(shí)給末級發(fā)動機(jī)電磁閥斷電，也就是在沒有抬座的情況下，就直接轉(zhuǎn)球，導(dǎo)致泵前閥密封面異常磨損，進(jìn)而影響閥門密封性能。

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避

可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)箭上未能及時(shí)斷電的原因，有2種：

圖2 測試操作可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)Fig.2 Potential Risks of Test Operating Procedure

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

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

對于第1種原因，可以通過規(guī)程學(xué)習(xí)、嚴(yán)格操作等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)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(jì)階段規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段是采用冗余設(shè)計(jì)，在測試中無規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段。

1.2.3 后果分析

若由于模飛結(jié)束后箭上未及時(shí)斷電導(dǎo)致飛行時(shí)序走到鈍化段，本次測試為發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)，就會使末級發(fā)動機(jī)泵前閥被打開。由于鈍化段時(shí)序中，沒有關(guān)閉泵前閥的動作，因此當(dāng)箭上設(shè)備斷電時(shí)，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(dǎo)致泵前閥密封面異常磨損，進(jìn)而影響閥門密封性能，這就需要?jiǎng)恿ο到y(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(jì)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(jì)原則的提出

經(jīng)過上述過程，觸發(fā)了對運(yùn)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(jī)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(fù)雜且風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)的測試狀態(tài)與可能導(dǎo)致箭上產(chǎn)品處于某種程度失控的測試狀態(tài)分開進(jìn)行。

b）測試狀態(tài)逐步復(fù)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(shí)，應(yīng)遵循測試狀態(tài)逐步遞進(jìn)、逐步復(fù)雜的原則，在進(jìn)行動力系統(tǒng)貯箱帶氣、發(fā)動機(jī)帶氣等較為復(fù)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(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 提高了測試安全性的測試方案

發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)的測試，目的是為了考核發(fā)動機(jī)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)，并遵循保箭上產(chǎn)品安全的原則及測試狀態(tài)逐步復(fù)雜的原則，將新一代大型低溫運(yùn)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(jìn)行發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)的測試，該項(xiàng)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(jìn)行控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)測試，該項(xiàng)測試中，發(fā)動機(jī)不帶氣。

3.2 測試方案改進(jìn)后的安全性提升

以下對改進(jìn)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行適應(yīng)性分析。

a）針對風(fēng)險(xiǎn)1：分離動作可能存在潛通路導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

在控制系統(tǒng)拔級間分離插頭時(shí)出現(xiàn)潛通路問題的總檢查測試中，若該次測試設(shè)計(jì)為發(fā)動機(jī)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(dǎo)致的二級發(fā)動機(jī)電磁閥異常掉電3 s后又自動上電過程，也不會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)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(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)Fig.3 Improve Tesy Security: Avoid Potential Risks of Sneak Path

b）針對風(fēng)險(xiǎn)2：模飛結(jié)束后箭上未及時(shí)斷電導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

在發(fā)動機(jī)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(shí)斷電，導(dǎo)致飛行時(shí)序走到鈍化段，從而使末級發(fā)動機(jī)泵前閥被打開的情況，按照之前的風(fēng)險(xiǎn)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(jī)的泵前閥一般均設(shè)計(jì)為箭上、地面都能控制的電磁閥，因此按照改進(jìn)后的測試方案，在發(fā)動機(jī)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(yù)案操作，在發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)下出現(xiàn)上述非預(yù)期的狀態(tài)，仍能確保箭上發(fā)動機(jī)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(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)Fig.4 Improve Tesy Security: Avoid Potential Risks of Test Operating Procedure

針對風(fēng)險(xiǎn)2，按照傳統(tǒng)低溫火箭的測試方案，若出現(xiàn)上述非預(yù)期的狀態(tài)，由于發(fā)動機(jī)帶氣狀態(tài)與控制系統(tǒng)全脫全拔狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行，因此此時(shí)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(jī)產(chǎn)品的安全。

3.3 測試方案改進(jìn)后的測試覆蓋性分析

在總檢查測試中，重點(diǎn)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(jī)帶氣狀態(tài)，目的是為了考核發(fā)動機(jī)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(shí)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(jì)仍有潛通路的隱患，則發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jì)進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)分析，識別出兩大風(fēng)險(xiǎn)。為此，提出“為確保箭上產(chǎn)品安全性，應(yīng)將比較危險(xiǎn)的測試狀態(tài)與可能導(dǎo)致箭上產(chǎn)品處于某種程度失控的測試狀態(tài)分開進(jìn)行”的測試安全性設(shè)計(jì)原則，并在此原則的指導(dǎo)下，對中國新一代大型低溫液體運(yùn)載火箭的出廠測試及發(fā)射場測試方案進(jìn)行了安全性改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效提升了運(yùn)載火箭測試過程中的箭上產(chǎn)品安全性。