运载火箭整流罩降噪技术研究进展

齐江龙，原 凯，陈雅曦，王明杰，张卫红

（北京强度环境研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭整流罩用于保护卫星及其他有效载荷，可防止其受气动力、气动加热以及声振等有害环境的影响，是运载火箭的重要组成部分。根据美国NASA的一项统计，大约 60%的卫星发射失败事故是由于运载火箭整流罩内的振动和噪声过高而引起的，而整个卫星质量仅仅是使卫星能够承受火箭发射和飞行过程中的振动和噪声[1]。为了减轻运载火箭结构质量和改善整流罩的内噪声环境，目前各国新型运载火箭整流罩多采用复合材料结构，如中国长征五号系列、美国的宇宙神5系列、欧洲的阿里安5系列、SpaceX的猎鹰9系列火箭等，整流罩蒙皮大多由双层碳纤维面板和铝合金蜂窝夹芯或类似结构组成，但内部噪声环境仍然非常恶劣，某些型号整流罩内噪声总声压级达到140 dB以上。随着中国运载火箭飞行任务的增加及有效载荷形式的多样化，火箭整流罩需要适应不同卫星平台、结构布局和质量的变化，部分有效载荷对噪声环境十分敏感，如大面积柔性天线、大型太阳电池阵、大口径光学载荷等，因此改善火箭整流罩内的噪声环境不仅能降低航天器故障率，同时能提升有效载荷的质量，对于卫星和火箭的设计、制造和发射都有重要意义。

整流罩的降噪技术可从是否有控制源方面分为被动（无源）噪声控制和主动（有源）噪声控制。被动噪声控制以传统的声学控制方法为主，技术手段包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动的隔离与降低等，这些噪声控制方法的机理在于使噪声声波与声学材料或结构相互作用而消耗声能，从而达到降低噪声的目的。总体上讲，传统的被动噪声控制方法对降低中高频噪声较为有效，而对降低低频噪声的作用不大或频段很窄。相比之下，主动噪声控制特别适合对低频噪声振动进行控制，但实际飞行中，整流罩内噪声是宽频带且随机的，要获得有效的主动降噪效果，主动控制系统将会十分复杂，且需要具有很强的环境适应性。

本文总结了国内外整流罩降噪的主要方法及工程应用的研究进展，对被动噪声控制技术和主动噪声控制技术的几种主要方法进行了详细介绍，并提出了中国在该领域亟待解决的关键问题。

1 被动噪声控制技术

为了改善火箭整流罩内的噪声环境，国外学者设计了多种被动降噪方式，大致可分为吸声毯、亥姆霍兹共鸣器、被动结构声衰减装置和声阻抗失配技术等。针对传统的降噪措施在低频段效果较差且质量大的问题，20世纪90年代开始整流罩降噪技术的研究集中在减小整流罩内低频声压级和降噪材料的质量优化方面，研究方向主要有改进声学覆盖层设计、可调节亥姆霍兹共鸣器、分布式吸振器、真空双层壳体整流罩等。

1.1 吸声毯

吸声毯（Acoustic Blanket，AB）是火箭整流罩应用较早的降噪方法，通常由棉絮、玻璃纤维一类的多孔材料构成，可以从隔声和吸声2个方面实现对整流罩的降噪，但吸声效果占主导作用。吸声毯的吸声机理首先是粘滞性和内摩擦作用，由于声波在材料中传播时的质点振动速度各不相同，使得相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力，使声能转化为热能；其次是热传导效应，由于声波传播时媒质质点的疏密程度不同，因而媒质温度也各不相同，从而使相邻质点间产生了热量传递，使声能不断转化为热能，实现吸声降噪的效果[2]。但由于质量和体积的限制，其有效降噪频率区间一般在400 Hz以上。

传统吸声毯在国外的研究与应用已经有三十多年的历史，1997年美国计划使用大力神 4型火箭发射Cassini土星探测器，由于探测器使用的放射性同位素热电电源对200 Hz和250 Hz两个特定噪声频率比较敏感，NASA通过优化填充棉絮的厚度和密度以及引入玻璃纤维隔声层，对原吸声毯进行了改进，使其在特定频率上的降噪效果得到3 dB的改善。尽管改进后的吸声毯与原吸声毯相比质量和体积都有所增加，但将特定频率的整流罩内噪声控制在电源能承受的范围内，降低了电源改造费用[3]。波音公司在整流罩吸声毯的设计中，采用硅粘合热处理玻璃纤维与棉絮，并成功应用于德尔它4型运载火箭[4]。Slagle等[5]在泡沫材料中嵌入多个质量块，通过控制单个质量块的嵌入深度，使其具有多个谐振频率，从而得到更宽的低频降噪效果。孙目等[6]进行了整流罩无敷设工况下的噪声实验，采用统计能量法仿真分析了整流罩圆柱段内衬泡沫塑料的降噪效果。宋海洋等[7]应用VA One软件建立某卫星整流罩的统计能量模型，对整流罩不同声学处理效果进行分析比较，选出降噪效果较好的材料，得出多孔材料中密度、流阻、曲折因子、孔隙率和背后空气层厚度对材料降噪效果的影响规律。任方等[8]采用三聚氰胺泡沫塑料吸声材料开展了被动控制内声场降噪方法的实验和数值研究，应用统计能量法及混响室噪声环境实验，研究吸声材料厚度、表面处理及布局方式对整流罩降噪性能影响规律。

1.2 亥姆霍兹共鸣器

亥姆霍兹共鸣器（Helmholtz Resonator，HR）是一种单孔共振吸声结构，由密闭的空腔通过较小的孔颈与外部空间相连而成，当声波入射时，孔颈中的气柱体在声波的作用下像活塞一样做往复运动，与颈壁发生摩擦使声能转变为热能而耗损，在共鸣器的固有频率与外界声波频率一致时发生共振，这时孔颈中空气柱振幅和振速达到最大，具有很强的吸声能力。由于亥姆霍兹共鸣器对特定频率具有明显的降噪效果，因此常被用于整流罩的降噪，当其共振频率与整流罩内空腔模态频率相匹配时，可降低该模态在外部激励下的响应峰值，有效改善整流罩内噪声环境。

Lane等[9]将亥姆霍兹共鸣器引入到整流罩空腔夹芯结构的设计中，以空腔夹芯壳体结构为研究对象，在空腔夹层结构中沿轴向布置一系列复合材料管，并在轴向复合材料管的两端面向壳体内部声腔开孔，通过在管中不同位置布置泡沫塞，构成一系列声学共鸣器。Bielak等[10]设计了一种分布阵列亥姆霍兹共鸣器的多层多孔板结构，拓宽了低频消声降噪的频率范围。洛克希德马丁公司[11]采用金属薄片包覆吸声泡沫，并在其上阵列多个亥姆霍兹共鸣器组成消声单元板，铺设于整流罩内表面，取得良好的降噪效果，成功应用于多次发生任务，图1为用于发射X-37B的宇宙神5火箭整流罩，其内表面大量使用了该消声单元。

图1 发射X-37B的宇宙神5火箭整流罩Fig.1 Atlas V Vehicle Fairing to Launch X-37B

荣吉利等[12]应用虚拟阻抗管法分析了亥姆霍兹共鸣器共振频率及吸声系数与其壁面厚度的变化关系，并研究得出不同安装位置对圆柱空腔内平均声压级的影响可达10 dB以上，在工程应用中应将其放置于空腔模态振幅较大的位置。原凯等[13]对亥姆霍兹共鸣器的声学共振频率表达式进行了推导，可为亥姆霍兹共鸣器的降噪设计提供理论依据。

1.3 被动结构声衰减

波音公司的 Osman等[14]提出一种分布式吸振器（Distributed Vibration Absorber，DVA）用以进行整流罩的声学优化，将薄铝板粘合在聚氨酯泡沫材料上层，近似等效为一个单自由度的弹簧质量系统，该装置结合了泡沫材料高频降噪和动力吸振器低频减振能力，具有一定的宽频降噪效果。Esteve等[15]研究了将DVA和 HR同时布置于整流罩内，将声学控制和结构控制相结合用以减小整流罩内噪声。Zheng等[16]通过优化被动约束层阻尼（Passive Constrained Layer Damping，PCLD）来控制圆柱壳的振动，在控制振动的同时还优化了其结构参数和敷设方式，用最好最少的声学材料到达最优减振降噪的效果。

1.4 声阻抗失配

Eaton等[17]将整流罩内部空间充满氦气，利用氦气和空气的声阻抗突变来减小外噪声的向内传播，从而改善整流罩内声场。试验得出该方法在全频率范围内都有良好的降噪效果，整流罩内声场总声压级降低10 dB左右，但是会引起部分结构的振动增强。Griffin等[18]提出一种整流罩真空双层壳体的降噪方案，利用将两壳体的间隙抽成真空或临界真空状态，实现声阻抗失配。设计了将内壳体弹性悬挂于外壳体的验证性试验，其真空层有效地阻隔了声波传递，对于穿透性较强的中低频噪声降噪效果尤其明显，在0～200 Hz范围内壳体内声场总声压级降低19 dB以上，但由于该方案技术复杂，在工程应用上还存在较大困难。

2 主动噪声控制技术

主动噪声控制可分为有源声控制（Active Noise Control，ANC）和结构声主动控制（Active Structural Acoustic Control，ASAC）。与被动控制相比，主动控制适合对空间的低频噪声和结构的低频振动进行控制，具有环境适应能力强、系统更轻便的特点。

2.1 有源声控制

在有源声控制中，前馈式有源声控制应用较为广泛，其原理如图2所示，初始传感器采集原噪声信号，送入主动噪声控制器中进行分析并发出控制信号，扬声器作为次级声源发出一个与原噪声幅值相等、相位相反的声波，两声波发生相消干涉，达到降低噪声的目的，误差传感器可采集未抵消完全的噪声送入控制器进行再控制[19]。

图2 前馈式有源声控制原理Fig.2 Feedforward Active Acoustic Control Principle

运载火箭实际起飞和飞行过程中，整流罩的外噪声通过透射和结构共振的传播转变为整流罩的内噪声，具有非线性、随机和宽频带的特点，要求有源声控制的自适应算法兼具较快的收敛速度性和良好的稳定；同时，对于整流罩这种复杂空间的噪声控制，单通道主动控制系统可能不能满足要求，需要多个次级作动器和误差传感器来扩大降噪范围，提高控制效果，这时就需要考虑设计多通道主动控制算法。20世纪80年代开始，随着超大规模集成电路技术和微处理机技术的进步，主动控制技术也得到迅速发展。Mark等[20]采用自适应反馈控制和广义预测控制，对整流罩进行了主动噪声控制研究，使内噪声一阶模态降低6 dB，总声压级降低2～3 dB。Kemp等[21]为减小整流罩内的低频振荡噪声，将主动调谐扬声器安装在整流罩头锥处，能够有效抑制整流罩内声场的前两阶纵向模态。2003年，VALPE-2探空火箭在飞行试验中采用了自适应声振衰减装置，其安装于整流罩头锥处来控制整流罩内低频噪声，安装位置及降噪效果如图3所示，通过与VALPE-1飞行试验结果对比得出整流罩内噪声在20～300 Hz范围内的总声压级减小8.8 dB。

图3 自适应声振衰减位置Fig.3 Adaptive Vibro-acoustic Attenuation Device

续图3

2.2 结构声主动控制

结构声主动控制的概念由美国弗吉尼亚理工大学的Fuller在20世纪80年代中期提出[22]，是有源声控制（ANC）与振动主动控制（Active Vibration Control，AVC）的有机结合，通过作动器（如激振器、压电陶瓷等）来有效抑制结构声辐射。新型运载火箭整流罩大多采用较薄的复合材料外壳，其内声场具有很强的结构-声耦合效应，使得ASAC能够在低频段对整流罩内噪声发挥明显的抑制效果。。

1998年，NASA Langley研究中心进行了机舱内部噪声的ASAC控制技术研究[23]，开启了结构声主动控制方法研究的大门。1999年，美国空军研究实验室对一次性使用火箭STARS的全尺寸复合整流罩进行了测试并建立了结构声模型，采用结构传感器、声传感器反馈来减小传入整流罩内部的声能量，将陶瓷压电片等智能材料作为结构声控制的作动器贴在整流罩壁上，试验结果表明，声场在150 Hz以下和180 Hz处主动控制的降噪效果明显[24]。

2001年，Fuller[25]开发了一种新型结构作动器——分布式主动吸振器（Distributed Active Vibration Absorber，DAVA），具有小型、轻质、功耗小和高输出等优点，由多孔泡沫、PVDF薄膜和质量层组成，实现了275 Hz频率处的主动降噪，同时结合吸声材料的主被动一体化设计在200～800 Hz范围内声功率降低18 dB。Lane等[26]采用DAVA作动器进行复合材料整流罩内噪声结构声主动控制的验证，实现了在 70～200 Hz频率范围内整流罩内噪声减小5 dB，在共振频率处降噪效果达到10 dB。Stephen等[27]为了降低火箭起飞时在 60～250 Hz中低频范围内的高声压级噪声，将低频效果良好的电磁激励装置融入到 DAVA设计中。

3 结束语

对国内外运载火箭整流罩降噪技术的原理和工程应用进行了总结分析，国外在整流罩降噪技术方面日趋成熟，已经在部分运载型号中有所应用，而中国在该领域仍有一定差距，特别是低频噪声的降噪技术还处于探索阶段。随着中国各新型运载火箭及其精密有效载荷的不断出现，工程上对整流罩降噪水平提升的需求越来越紧迫。根据目前的研究能力和未来的工程需要，对整流罩降噪技术的发展提出以下建议：

a）多种降噪方式的综合运用。

运载火箭在发射和飞行过程中，整流罩内声场是复杂且严酷的随机宽频噪声，单一的降噪方式很难取得良好的效果。采用吸声毯、亥姆霍兹共鸣器等方式实现特定频段的大幅降噪，采取“以声消声”的ANC技术来抑制直接进入整流罩内的透射声，采用控制火箭结构振动声辐射的 ASAC技术控制整流罩的辐射声，同时，针对不同有效载荷的特殊需求，灵活搭配以多种降噪方式，实现对运载火箭整流罩声振环境的有效改善，提高可靠性，降低发射失败的风险。

b）与整流罩回收技术相结合。

整流罩降噪技术的应用，必然导致整流罩整体质量的增加与有效载荷质量的下降，同时被动降噪技术和主动降噪技术都会大幅提高整流罩的造价。受SpaceX公司猎鹰9整流罩回收尝试的启发，将整流罩降噪技术与回收技术相结合，会在一定程度上抵消整流罩质量和成本增加带来的弊端，促进整流罩降噪技术的研究与应用。

c）优化整流罩气动外形。

中国现有运载火箭的头部整流罩外形基本是钝头+单锥/双锥外形，这种形状的优点是容积大、制造工艺简单，但会影响火箭的气动特性。国外现役新研整流罩头部锥段越来越多地采用具有较优气动外形的光滑曲母线的截锥体，气动载荷分布沿箭体轴向分布变化平缓，由于该外形从头部到柱段基本上是光滑过渡，因此也具有较小的跨声速脉动压力，从而可改善火箭的气动噪声。因此优化火箭气动外形，降低整流罩的气动噪声，可以从根源上解决整流罩的降噪问题。

d）将良好的整流罩内噪声环境作为竞争优势。

在中国航天领域军民融合的趋势下，一大批民营航天企业迅速崛起，商业航天市场化的竞争环境中，运载火箭的市场竞争绝不仅仅体现在低廉的价格上，更体现在高可靠性和优质的服务上，而提供良好的整流罩内噪声环境是其中非常重要的组成部分，因此，进行整流罩的声学优化将在市场竞争中占据更大的优势。