基于成熟型谱产品的上面级系统集成研制探索与实践

◎北京宇航系统工程研究所 陈益 叶成敏 林宏 苗建全 刘欣

基于成熟型谱产品的上面级系统集成研制探索与实践

◎北京宇航系统工程研究所 陈益 叶成敏 林宏 苗建全 刘欣

上面级是一种由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,并进一步将有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的,具有自主独立性的飞行器。上面级一般具有多次起动、长时间工作、自主飞行等特点,且具有较强的任务适应性,能够完成轨道机动、有效载荷分离与部署等任务。作为航天运输系统的重要组成部分,上面级是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径。依托国家科技重大专项,中国运载火箭技术研究院开展了大、小两型系列化上面级的研发工作,利用基础级火箭加上面级可完成多星直接入轨发射,并将卫星直接送入最终目标轨道。两型上面级按照通用化、系列化、产品化原则开展设计,其主要的分系统设计方案和主要的单机产品技术状态均保持一致,设计中利用基础级火箭的最大运载能力,充分考虑多种任务需求开展优化设计。

一、产品化工作思路

1．指导思想

• 在两型上面级设计中,产品化设计理念的贯彻应自上而下进行,先尽量统一分系统方案,再以此为基础统一单机产品。

• 上面级总体及各分系统设计中要充分考虑产品化要求,技术方案应具备一定的可扩展性,以便为技术方案统一及后续型号借用奠定基础。

• 充分考虑与目前的成熟型号及在研型号产品的技术共用,尽量借用其它可借用的型号产品,选用其它可选用的型谱产品。

• 单机产品的设计要力求兼顾两型上面级使用的要求,且其试验环境条件应以两型上面级要求的最大包络进行,以便为产品化工作奠定基础。

• 提高试验设备、工装以及研保条件实施方案的通用性,统筹考虑两型上面级的使用要求。

• 统一两型上面级接插件选型,制定统一的上面级接口标准和接插件要求。

2．实施策略

总体产品化策略。两型上面级总体方案设计中要考虑系列化设计,系统方案尽量保持一致；上面级总体方案要充分考虑产品化策略,尽量减少单机种类；上面级要充分考虑通用性,以便能与不同的基础级火箭组合使用；上面级系统方案要充分考虑使用灵活性,使其具备单星、双星和多星发射能力及轨道部署能力,并能发射多种轨道有效载荷。

结构系统产品化策略。由于两型上面级结构尺寸、载荷条件等均有较大差异,所以无法全部实现产品化,只能实现工艺、主材料、零部件等一定程度上的产品化；由于两型上面级功能类似,只是携带的燃料增加,所以两型上面级结构形式及总体布局可保持一致；在结构设计中,需要强化产品相似性的类比分析,掌握影响结构产品承载能力或功能的主要因素,并在同类结构产品研制过程中进行借鉴或继承。

动力系统产品化策略。两型上面级采用同一种动力系统总体方案,如主动力系统和姿控系统独立供应,采用常规动力液体发动机等；主动力系统尽量选用同一种发动机,综合权衡可靠性等设计要求,可考虑采用多台发动机并联的方案；姿控发动机系统尽量选用相同规格的推力室品种以及贮箱、气瓶、电磁阀等单机产品,综合权衡可靠性等设计要求,根据不同要求配置不同数量的姿控喷管、贮箱、气瓶、电磁阀等单机产品；增压输送系统总体方案及单机状态尽量保持一致,综合权衡可靠性等设计要求,可配置不同数量的单机产品来满足设计要求；推进剂管理系统方案及单机状态尽量保持一致。

电气系统产品化策略。采用电气系统一体化设计思想,统一软硬件接口标准；采用统一供配电模式进行控制、测量、热控、分离供配电。控制系统采用某总线进行综合设计,具备产品化条件；测量系统方案中遥测传输体制相近、外弹道测量体制相近,所以测量系统的高精度测量技术、一体化供配电技术、数据预处理技术、无线信道仿真技术等均可共用,产品化基础较好。

发射支持系统产品化策略。

发射支持系统主要单机参数由上面级结构参数、质量特性、推进剂种类、加注诸元、瞄准方案等要求决定,两型上面级使用推进剂相同,具备较好的产品化工作基础；发射支持系统设计中需要对主要单机产品进行参数包容性设计,以满足多个型号的需求。

二、产品化工作实践

结合上面级型号特点,在型号研制过程中贯彻自顶向下的原则。总体方案统筹设计,环境条件包络考虑,单机尽量选用型谱产品及借用产品,控制适应性改进产品和新研产品,充分贯彻产品化工作要求。

1．总体方案统筹设计

总体方案统一。上面级由箭体结构、动力系统、控制系统、测量系统、热控系统以及发射支持系统组成。结构均采用直筒段仪器舱仪器内装方案、圆柱段壳体加十字腹板的结构形式,只是在结构尺寸上有所区别；主动力系统选用同一种常规液体发动机,分别采用单台和双机并联的方案,利用相同品种的固定姿控发动机实现三轴稳定,姿控发动机系统和主动力系统相对独立；控制系统均采用总线传输、单机表（板）级冗余方案实现上面级飞行过程中的控制,采用统一供配电方案为控制、测量、热控系统进行供电；测量系统均采用非相干测量体制,实现远距离、高码率的测量和测轨功能；热控系统均采用以被动热控为主、主动电加热热控为辅的方案。

两型上面级除多星分配器外,其它各系统方案绝大部分均保持相同或相近,但在主结构尺寸及主承力构件布置、贮箱及贮箱悬挂结构尺寸和结构参数、仪器布局、管路电缆敷设及分支长度、隔热屏外形尺寸及结构参数、主动电加热路数、运输/停放/起吊设备结构尺寸及结构参数、推进剂加注供气系统方案等方面需作出适应性调整。

外系统接口统一。两型上面级以多星直接入轨发射国家重大科技专项卫星任务为设计目标,适当兼顾长远发展需求设计,所以设计中的一个重要原则就是,不同的发射方案下两型上面级对其它各大系统、尤其是卫星系统的接口必须保持统一,以确保卫星只有一种设计状态。

环境条件包络考虑。上面级环境试验条件设计时,要充分考虑不同基础级火箭输入和上面级自身的传递特性,以使箭上单机试验条件能覆盖不同发射任务的全生命周期,包括地面操作、基础级主动飞行段和上面级飞行段。采用谱型再现法等精细化设计手段,对不同频段的高频实测力学试验结果进行包络,以避免试验条件过于严酷引起单机损伤。同时,根据单机特点和需求制定细化冲击试验条件,以避免过度试验造成产品不必要的损坏。

2．单机选用成熟产品

上面级单机产品配套情况按照4种状态进行统计：一是型谱产品,可直接选用,无需作出任何修改；二是借用产品,可完全借用,无需作出任何修改；三是适应性改进产品,即在原产品状态上进行小规模适应性改进；四是新研产品,即完全新研或在原产品状态上进行大规模适应性改进。

型谱产品。小上面级全箭配套产品共计78种,其中可选型谱产品22种,选用型谱产品19种（占比24.36%）；大上面级全箭配套产品共计83种,其中可选型谱产品22种,选用型谱产品18种（占比21.69%）,所选型谱产品均为国产化产品。

考虑到大上面级借用了部分小上面级的新研产品,后续这部分新研产品也将统一纳入产品型谱管理,所以大上面级选用型谱产品的比例还将进一步提升。

借用产品。小上面级借用产品23种,占比29.49%；大上面级借用产品45种,占比54.22%,所有借用产品均为国产化产品。

在大上面级设计中,姿控发动机系统、主发动机、增压输送系统、推进剂管理系统、控制系统、测量系统、主动热控系统大部分产品均借用小上面级产品。因此,大上面级借用产品比例大幅度提升。对于所有借用产品,均按照质量管理要求进行了环境适应性分析等工作,并按照设计要求、环境条件包络进行设计与验证。

适应性改进产品。小上面级设计中无适应性改进产品,大上面级适应性改进产品有5种（占比6.02%）,包括综合控制器、配电器、电池等。对于所有适应性改进产品,均按照质量管理要求进行了环境适应性分析、技术状态变化控制、接口技术状态分析等工作。

新研产品。小上面级新研产品36种,占比46.15%；大上面级新研产品15种,占比18.07%。在小上面级研制基础之上,大上面级新研产品主要是结构系统产品。对于所有新研产品,均按照质量管理要求进行了关键技术攻关、原理性试验验证、数学仿真分析、各类单机和系统试验测试验证等工作。

3．支撑未来发展考虑

型号未来适应性分析。两型系列化上面级目前已应用于国家重大科技专项卫星的组网和补网发射,未来还可应用于高分辨率对地观测工程、月球探测工程等其它国家重大专项。此外,利用上面级的长时间在轨工作能力和轨道部署能力,可以参与国际星座卫星发射市场竞争,提高我国运载火箭的任务适应性和国际市场竞争力；同时,上面级还可应用于碎片清理、深空探测、卫星延寿、在轨加注、接管控制、受控离轨等多种类型的空间任务。

从搭配火箭的角度来看,两型系列化上面级可与我国3.35米直径、5米直径的“长征”运载火箭组合使用,包括了目前在役的“长征”运载火箭的全部构型,多种组合可覆盖不同轨道的直接入轨、多星发射等不同任务。

分系统未来适应性分析。上面级箭体结构具有一定的先进性和超前性,未来可在各类空间飞行器设计中进行推广和参考。

动力系统主发动机未来可在2个方面进一步提升和改进：一是通过地面试车持续提升产品可靠性和技术指标；二是在目前系统方案基础上对点火系统进行改进,设置多次起动箱,突破多次起动技术,以进一步增强任务适应性。

对于推进剂管理系统,随着上面级功能的进一步扩展和任务的进一步复杂,上面级需要进行更多次起动,所以应进一步研究表面张力装置、全管理贮箱等推进剂管理方案。

电气系统主要继承了运载火箭的设计传统,并进行了适当的改进和提升。未来,电气系统将采用电气系统一体化及综合电子技术,以进一步提升箭上信息集成度和设计集成度,减小电气系统的规模和重量。

热控系统采用被动热控为主、主动热控为辅的技术方案,充分借鉴和参考了卫星的热控设计,可以满足现有飞行任务的要求。未来,热控系统要适应上面级长期在轨、多种飞行模式的任务,则需优化舱内热量的分配和管理,节省热控功耗和重量,为仪器设备提供更好的温度条件保障。

单机产品未来适应性分析。两型上面级新研产品设计时把握了以下原则：统筹考虑两型上面级设计要求,功能、性能、指标要求差别不大的按照其中一种开展设计,有差别的按照其中更严苛的要求开展设计和验证；在环境适应性设计方面,选取两型上面级的环境条件包络作为单机设计、试验、验证、验收和鉴定条件；两型上面级设计统筹考虑,尽量不增加新研产品品种。

三、产品化工作效果

在两型上面级研制过程中,通过贯彻通用化、系列化、产品化设计思路和基于成熟型谱产品系统集成的研制模式,在研制周期缩短、研制成本降低、研制流程优化、组织模式灵活等方面取得了突出得成果和丰厚的回报。两型上面级首飞均一次成功,迄今为止,连续执行5次飞行任务均取得圆满成功。尤其是大上面级的研制,其动力系统、电气系统、热控系统、发射支持系统产品都充分实现了产品化,产品化率接近90%；关键单机实现100%通用,研制周期缩短一半,研制成本降低约90%。

在整个研制阶段小上面级结构系统产品投产3套、电气系统产品投产6套、主发动机投产18台,用于各类研制性地面试验。而大上面级结构系统产品仅投产1套,主发动机仅投产4台,电气系统产品除适应性改进和新研产品投产1套外,没有新投产一台单机,研制中大量使用小上面级的试验件、鉴定件用于各类研制性地面试验。单机状态统一有助于实现批次性验收和滚动投产备份,大大提升了计划安排的灵活性。单机产品研制工作、投产数量和地面试验项目的减少均可反映出研制周期的缩短、研制成本的降低。

另外,整个研制阶段小上面级共开展大型地面试验26项,而大上面级仅开展11项,系统方案统一和单机状态统一使得加注排放试验、落塔试验、并联贮箱均衡输送试验、电磁兼容试验、电气匹配试验等大型地面试验项目不必再次开展,通过小上面级的试验结果修正仿真模型,并利用仿真结果即可得到精确预示。

两型上面级研制过程中,始终坚决贯彻通用化、系列化、产品化设计思路和基于成熟型谱产品系统集成的研制模式,从对外接口、总体技术状态、分系统技术状态、单机产品几个层次实现了产品化目标,既提高了产品可靠性、降低了技术风险,又显著缩短了研制周期、降低了研制成本,是产品化理念的一次成功探索和实践。后续,将在工程实践中进一步探索产品化工作方法和基于型谱产品的宇航型号系统集成研制组织管理模式。▲