对运载火箭环境条件统一的探索

◎北京宇航系统工程研究所 杨树涛 吴彦森 雷凯 陈风雨 张珂

在以“任务驱动”为主的传统航天产品研制模式下，各项产品保证工作随方案、初样、试样等阶段在系统、分系统、单机各层次逐步展开，但近年来，航天科技工业新体系对于产品保证的需求发生了较大变化，这一变化首先体现在航天产品科研生产模式的转变。与传统的型号研制模式相比，新模式突出强调了“产品化”，航天产品研制活动由原有的“订购方研制任务驱动”转变为“‘两总’抓型号、单位抓产品”的模式。

北京宇航系统工程研究所的产品化工作在中国运载火箭技术研究院的指导下开展，其中运载火箭力、热环境统一研究作为产品体系建设的重要组成部分，受到了各级领导的广泛关注。为此，研究所运载火箭总体研究设计室开展了火箭环境条件统一的研究工作，确定了环境条件产品化工作思路、工作原则、工作方法及实施途径，并完成了初步统一方案的研究，为各系统单机开展产品化工作提供了条件。

一、工作思路及原则

运载火箭环境主要包括力学环境和热环境技术条件，是各系统仪器设备研制设计和验收考核的重要设计输入。作为系统单机环境适应性的一项重要指标要求，其对各系统仪器设备研制设计具有重要影响，因此研究运载火箭力、热环境条件统一的可行性方案，制定合理的统一环境条件，将会大大推动各分系统和单机产品化工作的开展。

1．工作思路

做好环境条件统一工作应遵循以下工作思路：

◆环境条件统一工作应根据在研和在飞型号各自的特点分别进行力、热环境条件统一，以舱段设计统一环境条件为主，分散单机（“两器”、火工品等）单独制定统一环境条件为辅，两者结合并最终实现环境条件统一。

◆对于在研型号，由于各系统仪器设备尚处于研制阶段，如果从总体的设计源头进行统一并得到各型号项目的配合和支持，即可开展“自上而下”的产品化工作。

◆对于在飞型号，因各型号都是已成熟应用并经过多次飞行成功验证的产品，在统一环境条件后需要按照统一环境条件开展一系列的摸底试验和环境适应性分析，满足要求即可进入通用产品货架。

◆无法通过统一环境条件的产品有3 种解决途径：一是对不能适应统一环境条件的仪器设备开展环境适应性改进设计（如开展减振、热防护设计）；二是通过搭载飞行精细化测量等措施开展环境条件精细化包络设计，研究统一的环境条件是否有下降空间；三是对确实无法通过统一环境条件试验的产品，可作为个性产品对待。

2．工作原则

从有利于产品化工作开展的角度出发，环境条件统一应遵循以下两个原则：

一是箭上环境设计舱段划分数量应尽量少。如果舱段划分过多，按各型号对应舱段统一后的环境条件无法达到真正实现产品化的目的。

二是箭上环境设计舱段划分要按照力学环境严酷程度呈梯度化分布。箭上各舱段以发动机舱的声振环境最为严酷，而仪器舱仪器安装板位置力学环境较好，如果将声振环境较大的发动机舱与其它舱段统一，则会给其它舱段仪器设备的力学环境适应性设计带来巨大的影响。因此，应按照力学环境严酷程度梯度，同时考虑舱段划分数量尽量少的原则，可将箭上仪器设备力学环境设计舱段划分为仪器舱内、发动机舱内、其它舱段3 个部分。

二、工作方法及途径

1．力学环境条件统一

（1）在研型号

型号A 和型号B 火箭助推器、芯一级共用同一型号发动机，且飞行时间基本相同，因此在低频、高频、耐共振等振动环境条件方面基本保持一致。在其它各级飞行段上，由于发动机不同的原因而有所区别；噪声环境试验条件和冲击环境试验条件也基本一致，在不同舱段和频段上略有区别。

2 个型号在很多舱段具备统一力学环境条件的基础，针对这些舱段目前也已基本做到了力学环境条件的统一化，箭上产品可以根据统一的环境条件来设计。后续重点研究内容是利用动力系统试车、后续飞行试验等修正和优化统一后的力学环境条件，针对当前仍有明显差异的条件进一步研究统一的可行性。

对于无法通过统一环境条件的产品可考虑2 种途径：一是开展环境适应性改进设计，以提高产品的环境适应性；二是开展搭载地面试车测量工作，通过精细化测量等途径研究统一环境条件是否有降低的可能性。

（2）在飞型号

在飞型号基于同样的发动机系统，存在环境条件统一的前提，但目前各型号的力学环境条件和各系统设备的试验方法均具有明显的继承性，并考虑到各型号自身的特点，环境条件在具体参数上有所差异。可综合考虑各型号环境条件，研究通过包络的方法制定统一的力学环境条件。

统一的力学环境条件制定以后，各型号产品根据统一环境条件开展摸底试验，能够适应统一环境条件的产品直接进入货架，并综合考虑技术状态统一、产品化等因素，以确定是否形成通用产品，实现各型号的产品统一。

无法统一环境条件的产品可考虑2 种途径：一是开展环境适应性改进设计，以提高产品的环境适应性；二是开展搭载飞行测量工作，通过精细化测量等途径研究统一环境条件是否有降低的可能性。

对“两器”、火工品、活门等单机，全箭使用量较大且分布在各个舱段，安装位置较为分散，各型号之间产品共用现象普遍，可将此类型产品单独制定统一的环境条件，方便各型号组批生产和验收。

2．热环境条件统一

（1）在研型号

各部段结构温度由飞行弹道、结构厚度、材料热物性、发动机喷流等综合因素的作用，且结构温度作为结构设计的一项输入条件影响着结构设计方案。对比在研型号A 和型号B，弹道、结构材料及厚度、发动机布置均存在较大差异，因此导致各部段结构温度差异较大。如果统一结构温度和持续时间，则将影响结构设计方案，会导致结构增重等一系列问题，需要对各型号综合分析后研究统一的可行性。

各舱段空间温度取决于结构内壁温、舱内热源、冷源等的作用。对比型号A 和型号B的空间最高温度，除尾舱内空间温度外，两者最大差异值为10℃，持续时间最大差异值约为300s，可考虑将两者最高温度统一，同时研究持续时间的差异性。

型号A 与型号B 的空间最低温度最大差异值为25℃，持续时间最大差异值约为220s。由于型号A 使用液氢推进剂且飞行时间较长，导致主要舱段需承受较低的温度环境；型号B 使用液氧推进剂且飞行时间较短，所以主要舱段的最低温度高于型号A。如果将两者最低温度统一，则型号B 的一些仪器设备需要经历更严酷的低温鉴定试验，尤其是型号B 单独使用的仪器设备会存在过试验问题，增加了设计难度，因此需要进一步开展综合比对分析来确定。

（2）在飞型号

各部段结构温度由气动加热、结构厚度、材料热物性、发动机喷流等综合因素的作用，同时在飞型号弹道、结构材料及厚度、发动机布局也存在差异，导致在飞火箭各部段结构温度和持续时间有差异。由于各在飞型号结构部分技术状态已经比较成熟，且结构方案更改影响较大，因此对结构温度条件不做统一。

各舱段空间温度取决于结构内壁温、舱内热源、冷源等因素的作用。对比在飞型号舱段空间最高温度（除尾舱及发动机舱内空间温度外），在一定温度区间范围内开展热环境条件统一工作，按照最高温度统一研究持续时间的差异性。

三、环境条件统一的实例

按照上述环境条件统一的工作方法及实现途径，笔者在此以各型号某类典型产品低频振动力学环境条件统一为例，详细介绍环境条件统一的过程及步骤。

首先，针对运载型号低频振动力学环境进行比对分析。型号A、型号B、型号C 某类典型产品低频振动试验条件频段均为5～100Hz，型号A 的频谱拐点频率为10Hz，型号B 和型号C 的拐点频率为8Hz，两者差异不大，具备统一的基础；3 个型号均在30 ～50Hz 频段存在1 个“凸台”，量级因火箭结构差异略有不同，采用包络方法进行统一。

为了满足各型号力学环境的要求，各型号统一环境条件可采用包络分析方法给出，并以图谱绘制包络的方法清晰地绘出各型号统一力学环境的条件。

运载火箭环境条件统一是各系统单机研制单位开展产品化工作的重要前提和基础，制定合理的统一环境条件对于推动运载火箭产品化工作具有重要意义。目前，北京宇航系统工程研究所运载火箭总体研究设计室已完成了各型号力、热环境的初步统一工作，后续还将与各系统单机研制单位进一步合作，开展针对仪器设备对于各型号包络统一环境条件的适应性分析和验证工作，为最终的环境条件统一提供支撑。▲