固体火箭主动段振源及振动环境天地差异分析

王晓雷 宁雷 戴婷婷 南宫自军 潘忠文

（1 北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2 中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

随着固体火箭研究的不断深入，以及测量技术和测量手段的提高，力学环境的精细化设计越来越受到重视[1]。力学环境的精细化设计包括两个方面：一是对环境试验条件的细化，使其可操作性更强，覆盖面更广，便于各分系统操作执行；二是对环境源头的精细化把握，即理解各种环境的来源、大小、及其影响程度[2]。相比之下，后者更具有基础意义。在力学环境四要素（振动、冲击、噪声、过载）中，最难把握的是振动环境[3]，因为振动环境往往具有源头不清晰、受边界条件影响大、天地差异大等特点。一般认为，火箭在主动段飞行过程中的振动环境激励源主要有两个：发动机的推力脉动诱发的振动、气动噪声（及发动机喷流噪声）诱发的振动[4-6]。在固体火箭环境设计方面，传统上将发动机工作诱发的振动环境作为箭上设备环境条件设计的主要依据。通常的做法是：通过系统级振动试验获得各舱段内不同部位的振动响应，以此作为单机振动试验条件的设计依据，而系统级振动试验的输入条件则以地面试车时发动机前、后裙处的振动测量结果为依据。但是对于固体火箭来说，发动机地面试车时的振动测量结果一般都很大，以此作为设计依据将导致箭上单机设备的振动环境试验条件过于严酷。一方面增加了单机设计的难度，另一方面，无论是振动量级还是振动谱形都与飞行试验遥测结果差别很大。本文通过对地面试验数据和飞行试验数据的深入分析，研究固体火箭振动环境天地差异产生的原因。

1 固体火箭主动段飞行的振源分析

图1是某两级固体火箭在主动段飞行期间，二级发动机前裙和伺服舱惯组大梁安装处的振动遥测结果。图中实线表示振动加速度的时间历程，虚线是飞行动压随飞行时间的变化曲线。

图1 某两级固体火箭主动段飞行的振动测量结果Fig.1 The vibration environment of a Two-stage solid rocket in boost phase

由图1可知，固体火箭二级发动机前裙和头罩内的振动具有以下特点：1）一级飞行段的振动普遍比二级飞行段的振动大；2）一级飞行段的振动以跨音速至最大动压之间的最大；3）二级飞行段的振动很小且比较平稳，与起飞前的背景噪声的量级相当。结合二级发动机的工作时段来分析，对于固体火箭的二级发动机前裙而言，一级飞行段（二级发动机尚未工作）的振动反而比二级飞行段（二级发动机已经工作）的振动大。可以说明：对于固体火箭来说，二级发动机前裙处在一级飞行段的振动主要是由气动噪声引起的，在二级固体发动机工作时，其本身的振动量级很小。

图2中深色实线是一级发动机前裙的振动时间历程，浅色虚线是二级发动机前裙的振动时间历程。由图可见：在一级飞行段（一级发动机工作时），二级发动机前裙处的振动明显比一级发动机前裙处的振动大，分析其原因是：1）一级固体发动机工作时诱发的振动很小；2）二级发动机前裙与过渡段下端框直接相连，位于过渡段锥-柱交界面的肩部附近，此区域在跨音速段为激波振荡区，此处的振动受气动噪声的影响比一级发动机前裙处（圆柱段）更大。

图2 某两级固体火箭在一级飞行段一、二级发动机前裙处的振动比较Fig.2 Comparison of the vibration environment on the front apron of the I & II engine in the first flight stage

图3 固体火箭外形及振动测点位置示意图Fig.3 The shape of the solid rocket and the location of the vibration measuring point.

可见，固体火箭的飞行试验结果表明：在主动段飞行期间，气动噪声是箭上设备最主要的振源，各级固体发动机本身工作诱发的振动与气动噪声诱发的振动相比是很小的。其他固体火箭型号的飞行试验振动测量结果也符合此规律。

2 振动环境的天地差异分析

固体火箭发动机常规地面试车的振动测量结果是很大的，与飞行试验结果差异很大，这就是所谓的振动环境的天地差异。以某型号的二级固体发动机为例，地面试车时，发动机前、后裙位置的振动量级比飞行试验测量结果大十几倍甚至几十倍，导致根据地面试验振动测量结果制定的振动环境条件远大于实际飞行环境。图4是某固体火箭主动段飞行期间，二级发动机前裙的振动测量结果与环境试验条件的比较。图中粗实线是根据二级固体发动机地面试车结果包络制定的振动环境条件，细实线和虚线是两次飞行试验的振动遥测结果，可见根据地面试车结果包络制定的振动环境条件远大于飞行实测结果。这种振动环境的天地差异是长期困扰环境设计人员的问题。

图4 某固体火箭二级发动机前裙的遥测振动响应与环境条件的比较Fig.4 Comparison of the flight vibration environment on the front apron of II engine and the test condition

地面试车时，在发动机前、后裙处测量得到的振动信号主要由两部分构成：一是发动机工作时脉动推力引起的振动（待测量主体部分）；二是地面试验噪声引起的发动机壳体振动（天地差异部分）。为了分析振动测量的天地差异，需要搞清楚这些因素在振动测量结果中所占的比例，哪些是飞行振动环境条件设计时必须考虑的？哪些是不真实且可以忽略的？

图5给出了某型固体火箭发动机常规地面试车台的照片。分析可知，由于试车台周围建筑物对发动机喷流噪声的反射，在发动机周围形成类似的混响声场，混响噪声对振动响应测量结果的影响很大，发动机前、后裙振动响应的很大一部分是混响噪声的贡献。如果以此测量结果直接作为飞行时发动机工作段的振动环境，将使振动环境条件设计严重失真。

图5 某型固体火箭发动机地面试车台照片Fig.5 The photograph of the engine test bench for the solid rocket

如果发动机试车时周围的噪声环境与飞行试验的噪声环境相同，那么振动测量的天地差异应该就没有了。设计在高空工作的发动机（如固体火箭的二级发动机），除了进行常规地面试车外，通常还要进行高空模拟试车（简称高模试车），它主要是模拟高空的大气环境压力。为了确定地面试验噪声对振动测量的影响程度，某固体火箭研制中，在二级发动机高模试车时也进行了振动环境测量，并与常规试车的振动测量结果进行了比较。

图6给出了同一型号二级固体火箭发动机在不同试车台上进行试车时的振动测量结果。图中3次试车的状态分别是发动机与伺服系统联试、三合一试验（级间分离、发动机试车与伺服系统联合试验的简称）和发动机高模试车，其中前两种状态在常规试车台进行，可见测得的振动响应都很大；而高模试车在接近真空的高模舱里进行，测得的振动响应很小，与飞行试验的振动量级接近。分析造成这种振动测量差异的原因是：高模试车时发动机在接近真空的高模舱里，振动测量基本不受噪声的影响；而地面联试及三合一试验时，由于试车台半封闭状态导致的准混响声场对振动测量有较大影响（此状态发动机前、后裙附近的反射噪声总声压级达到155dB左右）。

图6 某型二级固体发动机3次试车前裙振动功率谱密度的对比Fig.6 Comparison of the vibration environment on the front apron of II engine for 3 kinds of test

为了进一步说明噪声对发动机振动测量的影响，图7给出二级发动机高模试车时的前裙振动全程信号。可见，发动机启动后，工作平稳段的振动信号始终很小，显示由于发动机推力脉动诱发的振动较小。而当试车临近结束时（约57s时），高模试车台开始补气，高模舱内不再保持真空，此时振动信号骤然增大，显示振动测量主要受噪声的影响。

图7 某二级固体发动机高模试车时前裙振动全程信号Fig.7 The vibration response of the front apron of II engine in the high-altitude simulation test

为了说明噪声与振动测量结果二者之间的相关性，图8给出了某型号一级固体发动机地面试车时，发动机后裙处的振动和噪声测量结果的比较。由图可见：发动机点火前，噪声与振动测量信号均处于较低水平；发动机工作平稳段，噪声与振动测量信号都很大，都体现出平稳随机的特点；发动机工作结束段，振动信号随着噪声迅速下降而趋于点火前的水平。从另一角度再次说明，固体发动机地面试车时振动响应测量主要受噪声的影响。

图8 某型号一级发动机后裙振动及附近噪声的相关性Fig.8 Comparison of the vibration and noise curve on the back apron of a I engine in ground test

通过上面的分析可知，造成固体火箭发动机振动环境测量天地差异的根源是：地面试验时试车台反射的噪声影响。常规地面试车时，试车台周围反射的噪声引起的发动机壳体振动很大，而发动机推力脉动引起的振动相比很小。实际飞行中，除气动噪声外，周围的噪声环境很小，所以在二级飞行段（接近真空的环境下），实测的发动机振动响应（主要是推力脉动诱发的振动）很小。结合图6的某型二级固体发动机常规地面试车与高模试车时，发动机前后裙位置的振动均方根值比较，分析该常规试车台噪声引起的振动响应占振动测量结果的比重达90%以上，发动机推力脉动引起的振动响应占比在10%以下。当然，不同规模的发动机、不同的试车台反射的噪声水平不同，噪声在振动测量结果中的贡献量也是不同的。

3 结论

本文通过对固体火箭发动机地面试车和飞行试验振动测量结果的综合分析，可以得出结论：对于固体火箭来说，其主动段飞行振动环境的最主要来源是气动噪声引起的振动，相比之下固体火箭发动机自身工作引起的振动响应很小。而造成发动机振动环境测量的天、地差异的主要原因是：地面试验时试车台周围反射的噪声影响。这一结论已经过多个固体火箭型号的飞行试验及地面试验结果的考核验证，该认识对于深入理解固体火箭的振动环境，更好地指导力学环境条件设计具有重要意义。由于固体火箭地面试车的振动环境远大于真实飞行的振动环境，根据地面试车的振动测量结果制定振动环境条件时，可以适当减少环境条件的设计余量，从而避免设计的振动环境条件过于严酷。