運載火箭強天氣環境適應性防護研究綜述

付繼偉，陳 曦，葉志鵬，韓 松，洪 蓓

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

為了滿足任務需求，火箭發射往往需要在規定的時間窗口將載荷送入預定軌道。但是如果在預定的發射窗口遭遇短時強天氣，就會給飛行帶來一定風險。

本文分析了火箭對幾種典型短時強天氣環境適應性，開展了易損性分析，給出了國內外各個領域雷電防護研究現狀，并對發射環境適應性進行了展望。

1 雷電與火箭的適應性

1.1 雷電環境對火箭效應

在中國的南部地區不少地方每平方公里落雷年數量均可達4次以上。在華南、西南相當大的區域內，年均雷暴日數在50日以上，部分地區甚至超過100日。以上是地閃的密度分布。運載火箭，尤其是其尾焰還具有誘發雷電的機理，根據NASA的研究，火箭在空中電場僅為15 kV/m時即可能誘發雷電[2]。

雷電對火箭的破壞效應主要包括直接效應和間接效應[3]。直接效應包括高電壓效應、峰值電流效應和電荷積累效應。間接效應包括電場的穿透效應、磁場的穿透效應、射頻干擾效應和電磁脈沖效應。其中，高電壓效應指雷擊時產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，產生的電火花引爆火工品和易燃、易爆推進劑；峰值電流效應指雷電擊中火箭時產生的機械應力導致結構件彎曲、變形甚至破裂；電荷積累效應指雷電流在局部產生巨大的熱量，將金屬燒蝕、熔化；電場和磁場的穿透效應指雷電流產生電磁場進入火箭電纜內部，產生感應電壓、電流損壞電子設備；射頻干擾和電磁脈沖效應指雷擊時產生的低頻、高頻、甚高頻電磁輻射對箭上MOS器件產生損害。

飛行器誘發雷電以雙向先導為主[4]。盡管飛機的雷電防護已經取得了大量成就，但是火箭的雷電防護具有自身的特點，不能直接沿用飛機的防護方案：

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

b）整流罩的雷電防護雖然可以借鑒飛機雷達罩采用的導流條防護方案，但機理差別很大。

c）火箭存在豎直飛行段，雷電電弧停留在火箭頭部時間較長，產生極大的燒蝕能量，導致火箭面臨的雷電環境條件與飛機具有顯著區別。

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 火箭的雷電防護研究進展

中國航天科研工作者結合國情，在雷電防護領域進行了大量的工作，提出了分級保護、整體防雷的理論體系，即：整體防雷保護應該是外部防雷、內部避雷過壓保護和接地技術的統一體。在具體技術措施上可歸納為：均壓（等電位）-分流-屏蔽-接地技術，這是避雷保護中最重要和最有效的4個要素。火箭的防雷設計也基于此4個要素開展，穆元良等總結了火箭發射時防雷設計原則是用最小的代價取得最好的效果，采用系統工程方法，實施“躲”、“防”、“扛”。“躲”即通過雷電預警系統對發射場雷擊進行預報（以便火箭實施針對性的防護）并選擇發射時機使火箭升空時避開雷擊。對于雷電天氣的監測預警，一般會在發射場建立一套由天氣雷達數字化處理系統、衛星云圖數字化處理系統、地面電場儀系統、雷電探測系統、閃光定位系統、中心工作站等7個部分組成的雷電氣象監測和預警系統；“防”即確保火箭在發射準備階段地面防雷設施能使火箭免遭直接雷擊；“扛”即在發射場遭受雷擊、避雷針通過雷擊電流時，火箭能承受雷電流產生的間接效應而不損壞。目前，中國的火箭在發射場設置的直擊雷防護裝置主要還是以固定式避雷裝置為主，其設計與航天發射場設計相似，同時設置均壓接地網和雷電監測預警系統。例如某衛星發射中心發射工位設置了3座獨立避雷塔。每兩座避雷塔之間的保護角度均不大于45°，并由這3座獨立的避雷塔構成發射場區的避雷網系統。在20世紀80年代早期的研制試驗中，中國對儀器艙進行了電爆管直擊雷模擬試驗，對儀器艙、電爆管、殼體結構分別開展了沖擊電流試驗和沖擊電壓試驗。在20世紀90年代，中國制定了GJB1804-93《運載火箭雷電防護》，對火箭的防雷設計提出了整體要求，同時也規定了場地防雷、氣象防雷的具體要求和方法。這些標準的制定體現了中國對于雷電防護工作的重視。而飛行中的火箭要能“扛”住雷電，就需要進行對結構直接效應的防護和對電氣設備間接效應的防護[2]。

a）火箭結構的雷電防護。

結構的雷電防護可以進一步分為通過導流條引導雷擊點，和采取手段使結構能夠承受電弧燒蝕這兩種技術手段。

對于通過導流條引導雷擊點的手段，現有的導流條研究，基本均以飛機雷達罩為應用背景，探討在絕緣體殼段外使用導流條防護的設計方法。導流條在飛機上廣泛用于雷達罩等絕緣體殼段的雷電防護。導流條可分為連續式或斷續式[5]。在強電場的作用下，導流條表面電暈的產生、流注的發展，直至放電先導的形成，整個過程較為復雜。雷電附著點研究大多集中于電力領域對避雷針、避雷線等結構的研究[6]。但也有學者研究了導流條上放電先導的產生規律。Kawabata等使用了FDTD方法研究了導流條的保護區域[7]，重點進行了電暈發生前的靜電場仿真，通過假定電場閾值，來確定受保護的區域。Ulmann等人基于試驗的方法研究了導流條在實際應用的許多問題，包括環境濕度的影響，天線罩內部導體的影響等[8]。在試驗研究的基礎上，Delannoy進一步提出了導流條上雷電放電先導產生的數值模型，并使用該模型研究了導流條高度的優化方法[9]。傳統的導流條研究僅針對飛機雷達罩等絕緣殼段的防護。而在火箭導體、絕緣體雙層結構外使用導流條，與飛機在單層絕緣體表面外使用導流條，其機理有明顯差異，目前尚無相應的理論或模型支撐。北京宇航系統工程研究所近年來研究了在帶防熱的殼體表面使用導流條的設計技術，并在試片級開展了數百次高電壓放電，積累了一定設計經驗和有效數據。

而對于抗電弧燒蝕的防護方法，目前公開文獻上鮮有針對固體火箭的雷電防護解決方案。飛機針對碳纖維復合材料等導電殼段，一般在復合材料熱壓成形過程在表面壓入一層金屬網，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，生產工藝決定了無法像飛機復材一樣表面熱壓銅網，這是火箭雷電防護面臨的最大挑戰。近年來，北京宇航系統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技術研究，并完成了艙段級驗證試驗，驗證了通過誘發等離子體分散雷電電流從而避免電弧燒蝕的可行性。

b）火箭電氣系統的雷電防護。

美國、前蘇聯、歐洲、日本在電氣設備防雷設計與應用方面的研究相對比較深入。中國近年來也開展了相應研究。余志勇等對使用不同材料的飛機的內部線纜進行了雷電耦合電流進行了仿真計算，對數據結果進行了對比，得出了金屬飛機能夠提供較好的屏蔽效果的結論[11]；趙玉龍等對某個型號的火箭通過有限元算法進行了仿真計算，對不同放電間隙和雷擊方位下的結果進行了對比分析[12]；高成等搭建了飛機初始雷擊附著位置的仿真環境，采用閾值劃分的方法成功確立了A-320客機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直升機的初始雷擊附著區域[14]；郭飛等采用直接注入雷電流的方式，對某小型客機進行了雷電間接效應的研究，著重分析了機體內外電磁場分布以及線纜耦合干擾大小[15]。

在電氣防護方面，北京宇航系統工程研究所開展了直擊雷電間接效應環境測量試驗，通過從箭體外殼注入脈沖電流，首次獲取了火箭內的電磁環境；除此之外，還完成了飛控計算機樣機等一批設備的雷電間接效應試驗，初步驗證了箭上關鍵單機雷電防護方案，為未來掌握雷電火箭的綜合雷電防護技術提供了有力支撐。

2 大風與火箭的適應性

2.1 火箭面臨的地面大風環境分析

氣象學上一般將平均風速達到6級及以上（不小于10.8 m/s）的風稱為大風。根據對1961～2010年地面氣象站大風觀測資料的分析[16]，中國大風日數呈現出西多東少的分布特點。青藏高原地區出現的大風天氣較為集中，而內蒙古地區的大風天氣較為分散。青藏高原地區大風集中期出現最早，而東南沿海地區大風集中期出現最晚。近50年以來，中國大部分地區的平均風速具有明顯的減弱趨勢，齊魯地區平均風速減弱最為明顯。全國范圍內的大風日數也有減少的變化趨勢，其中青藏高原地區減少趨勢最為顯著。但大風的集中度均有增加的趨勢，其中東南沿海地區增加最顯著，內蒙古地區和華北地區也有顯著增加的趨勢。中國絕大多數地區6級以上大風的日數均在40天以下。

而對于中國的強大風（風速≥25 m/s）主要發生在中東部地區[16]。在月分布上則集中在4～8月之間，峰值月份一般出現在6月。一般從3月份起，大風開始在西南、華南地區出現，4月北進入華中、華東地區，到5月則北進到了華北、東北和西北地區。大風的日變化主要呈現單峰的分布，峰值時間在傍晚的17～18時（北京時間）。如果僅從發生次數（不考慮持續時間）上看，強大風的年次數是很低的，在某一地區平均年發生次數僅為個位數。

2.2 火箭對地面大風環境適應性分析

按照國家標準，固體火箭在設計中考慮了對地面風速的適應性，一般來說，在22.5 m/s以下的風速下均可發射，而在22.5 m/s以上的極高風速下，不同的火箭也可根據自身特點進行相應的姿控穩定性分析，相當一部分火箭仍有一定裕量。

3 強降水與火箭的適應性

3.1 火箭面臨的強降水環境分析

中國短時強降水發生頻率最高的區域為華南，其次為云南南部、四川盆地、貴州南部、江西和長江中下游等，最大短時降水強度可超過180 mm/h[17]。

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

3.2 火箭對強降水環境適應性分析

液體火箭由于長時間豎立在發射臺，包括由于低溫推進劑帶來的水汽凝結現象，在防水設計上具有豐富的經驗，近年來還開始采用了疏水材料[18]，進一步提高火箭的防雨性能。固體火箭在發射前由于保溫等原因一般有良好的防護，并不長時間暴露在降水中。在飛行中，火箭箭體結構強度對降水并不敏感，而且基于防熱的考慮，火箭除個別泄壓孔外，大部分孔縫都通過防熱涂料進行了密封，對短時淋雨具有良好的耐受性。

相對而言，降水給地面設備和發射裝置帶來的挑戰更多，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射條件，但對于更強的降雨，在工程上有望通過良好的設計，具有更好適應性。

4 降雹與火箭的適應性

中國的降雹從頻率方面看主要發生在高山地區和北部平原[19]。這造成了中國北部地區的降雹頻率通常要高于南部地區。而降雹頻率的最大值出現在青藏高原的中部。在季節變化上，中國北部和西部地區的降雹季節一般始于春末，止于初秋；而中國南部和西南部地區的降雹季節則始于春季。在日變化上，中國大部分地區的降雹事件主要發生于15時到20時，但在貴州和湖北地區，降雹則經常發生在夜間。

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

由于冰雹的尺寸大小差異很大，因此對于火箭的影響也難以進行估計。一般而言，采用防熱涂層等軟質防熱材料的火箭整流罩耐受性較差，而采用防熱套的結構冰雹耐受性較強。但即使不考慮冰雹強度，最長降雹時間僅占全年總時間的0.47‰，對發射時間的影響較小。

5 結束語

火箭的短時強天氣適應性是交叉學科問題，涉及到箭體結構、電磁、氣動、材料等多專業深度耦合的問題，涉及從總體到設備和材料的各個層級。本文分析了各種強天氣的發生概率和火箭的適應性。固體火箭對大風和強降雨的適應性從機理上是比較好的，超出其適應范圍的強天氣發生概率是較低的。而對于其它天氣現象，例如雷擊和冰雹則相對容易導致未加固的固體火箭飛行失敗。

從發射準則的角度，短時強天氣可以分為兩類，一類是像大風、強降水和冰雹等易于觀測天氣，操作人員比較容易識別并采取措施，因此，這類天氣可以從年累計發生時長的角度考慮發射推遲的可能性，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的天氣，即使在有全航區的空中電場的條件上做出準確預報都是較難的，何況在實際任務中，操作人員手中往往只有發射點位被地面電荷層屏蔽的地面電場。因此，基于安全性的角度，容易形成在只要出現雷雨天氣下就推遲發射的準則，這就導致任務推遲的概率顯著增加。所以，本文重點分析了火箭雷電防護的特點，給出了火箭雷電防護研究現狀，指出了目前待解決的關鍵問題，以期未來能提高中國火箭對于全天候的適應性。