新一代運載火箭動力系統(tǒng)試車總體試驗技術研究

劉瑞敏，卜 玉，孫 德，張家仙

（北京航天試驗技術研究所，北京，100074）

新一代運載火箭動力系統(tǒng)試車總體試驗技術研究

劉瑞敏，卜 玉，孫 德，張家仙

（北京航天試驗技術研究所，北京，100074）

針對動力系統(tǒng)試驗規(guī)模大、風險高、密度高、并行環(huán)節(jié)多、技術難度大等突出特點，試驗主體承擔單位細化落實試驗主體抓總責任，充分發(fā)揮抓總、策劃、牽引能力，注重工藝流程的持續(xù)優(yōu)化、加強試驗過程的統(tǒng)籌協(xié)調、安全防范和風險管控，統(tǒng)一指揮十余個參試系統(tǒng)，統(tǒng)領近十個參試單位形成的試驗隊有序工作，技術狀態(tài)控制有效，確保了三型運載火箭八個模塊十二次動力系統(tǒng)試車準時準點和圓滿成功，為三型運載火箭按期首飛奠定了基礎。

新一代運載火箭；動力系統(tǒng)試驗；試驗總體技術

0 引言

新一代運載火箭動力系統(tǒng)試驗是我國新研制三型運載火箭的三大戰(zhàn)役之一，是動力系統(tǒng)最接近飛行狀態(tài)的試驗，也是規(guī)模最大的地面驗證試驗，具有技術難度大、參試系統(tǒng)多、復雜程度高等突出特點，要求試驗主體承擔單位充分發(fā)揮抓總、策劃與牽引能力，全面、細致、準確無誤的統(tǒng)領試驗隊開展各項試驗工作，并且做到狀態(tài)清楚、操作規(guī)范、一次成功。

總體試驗技術是指圍繞落實試驗抓總責任、發(fā)揮牽引能力這一目標，在試車全過程采取的控制措施和改進技術，可使試驗管理趨于規(guī)范和順暢。試驗任務承擔單位在十二次動力系統(tǒng)試驗過程中的不斷摸索實踐，通過頂層策劃，在流程優(yōu)化、試驗指揮協(xié)調、安全和風險管控等方面實踐總體試驗技術，取得了良好成效。

1 總體試驗技術的內涵和主要做法

1.1 落實試驗主體抓總責任、持續(xù)優(yōu)化試驗流程

1）“三部曲”確保接口匹配

動力系統(tǒng)試驗復雜程度高，僅單個模塊的箭地接口就達七十多個，覆蓋了結構、工藝、測控三大類。建立了技術狀態(tài)匹配、實物預配、測試確認的三部曲，確保了接口的正確匹配。

第一步，在方案設計階段進行技術狀態(tài)匹配。采用三維模型模裝的方法，完成承力環(huán)和箭上安裝環(huán)模型的干涉檢查；采用圖紙雙方會簽確認的方法，完成法蘭等非標接口狀態(tài)的一致性確認。第二步，在產(chǎn)品成型階段進行實物預裝配。通過承力環(huán)和箭上安裝環(huán)提前試對接，箭地對接法蘭、控制接插件和箭上接口預裝配，確保對接一次成功。第三步，在箭地對接階段完成接口測試檢查。通過工藝接口氣密性檢查、測控接口信號檢測等測試確認手段，確保對接操作正確無誤。上述三個步驟的有效落實確保了歷次試驗結構、工藝和測控三大類接口對接的一次成功。

2）“三措施”確保系統(tǒng)能力滿足總體要求

通過分系統(tǒng)優(yōu)化設計，將功能、性能設計和可靠性設計、安全性設計、環(huán)境適應性設計同步開展，從設計源頭入手，確保試驗系統(tǒng)能力滿足總體要求。通過數(shù)字化仿真協(xié)同設計，實現(xiàn)結果的準確預示，為試驗項目的快速實施提供了準確的設計依據(jù)和技術指導。如基于發(fā)動機尾噴流的流體仿真，準確預示了發(fā)動機尾流力熱環(huán)境影響，有效指導了導流槽和鈕腿熱防護方案的制定。又如，基于FLUENT的常規(guī)氧/過冷氧摻混過程仿真，獲取了常規(guī)氧與過冷氧摻混后的溫度變化規(guī)律，為工藝系統(tǒng)測點布置和加注工藝制定提供了依據(jù)。通過真實介質調試，一方面，在不具備真實動力模塊參試條件下，地面系統(tǒng)采用孔板模擬負載方法，獲取真實流量、真實壓力下的試驗數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)設計并且固化加注供氣流程。同時，真實介質的大流量沖刷，對系統(tǒng)潔凈度狀態(tài)進行檢查確認，從設計源頭保證了試驗系統(tǒng)內無多余物。上述三個措施的應用確保了各模塊試驗系統(tǒng)能力及進箭指標均滿足總體任務書要求。圖1為“三措施”流程示意圖。

3）工藝流程持續(xù)優(yōu)化

動力系統(tǒng)試驗準備周期長，從箭體進場到點火試車的準備流程約四十余項。測試流程上采用簡化合并、并行測試等措施，進一步減少試驗準備時間。箭體進場前，分系統(tǒng)提前完成模擬負載的測試，箭體進場后，迅速開展箭地接口對接，分系統(tǒng)進行功能檢查，隨即轉入匹配測試和總檢查，縮短產(chǎn)品在試驗區(qū)的占用時間。自箭體吊裝上臺至點火試驗的試驗準備周期約40天，主要流程包括產(chǎn)品上臺、箭地對接、分系統(tǒng)調試、箭地聯(lián)調、綜合測試、推進劑加注、供氣、試驗幾個部分。圍繞試驗工藝管理，深入開展設計方案工藝可行性分析和試驗工藝優(yōu)化研究。液氫貯罐氫氣置換、箭上液氫貯箱置換及過冷氧溫度調節(jié)等多項工藝成果的應用，縮短了試驗周期、節(jié)省了介質費用，滿足了各模塊試驗新狀態(tài)帶來的工藝新要求。

例如：氫氧模塊試車階段，總體技術文件提出“先預冷液氫加注管路，再打開液氫加注閥預冷箭上氫箱”的液氫預冷流程，以及“－40 min液氧過冷補加、液氫射前一次補加”的射前補加流程。針對動力系統(tǒng)試車液氫加注量大的特點，基于降低箭上結構件溫差應力和節(jié)約液氫的思路，以開展“優(yōu)化大流量液氫加注流程”研究為手段，依托試驗主體承擔單位豐富的試驗技術和經(jīng)驗，率先向總體單位提出“加注管道和箭上氫箱同步預冷”和“以III液位信號為基準實時補加”的優(yōu)化方案，經(jīng)過充分論證和多輪協(xié)調，得到了總體認可，修改了技術文件。經(jīng)實踐，同步預冷的工藝減少了對箭體結構的沖擊，并且縮短了液氫預冷時間；以III液位信號為基準實時補加的工藝，使得最后一次補加液氫量僅4 m3，不僅節(jié)省了液氫用量，更精準預測了液氫加注時間，保證了點火時間的分毫不差，該工藝的優(yōu)化也為靶場發(fā)射提供了經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

1.2 認真制定工藝文件，統(tǒng)領所有參試系統(tǒng)

依據(jù)火箭對試驗臺技術要求和測試細則，牽頭組織研究制定了各型動力系統(tǒng)試車的實施方案，各階段總工藝規(guī)程，分系統(tǒng)操作規(guī)程和安全規(guī)程。每項規(guī)程均經(jīng)過和總體單位的反復推敲和多輪討論，狀態(tài)確定后經(jīng)過相關系統(tǒng)負責人的會簽確認，隨后下發(fā)至參試人員并組織集中學習，指導試車全過程。以點火試車操作規(guī)程為例，從崗位職責和崗位操作兩部分全面具體的規(guī)定了試車從推進劑加注至點火試車、關機的工作內容，與試車口令表一起作為點火試車的操作文件，是試車當天統(tǒng)領所有參試系統(tǒng)的工作基礎。

1.3 統(tǒng)一指揮調度，準確控制點火時間

動力系統(tǒng)試驗對點火時間準確性的要求高，試驗指揮組統(tǒng)一指揮調度，在試驗當日采取遞進式狀態(tài)檢查（圖2），在準備工作就緒、推進劑加注前、供氣前嚴格要求十八個參試分系統(tǒng)指揮進行狀態(tài)檢查，填寫狀態(tài)確認表，嚴格控制加注供氣流程，使發(fā)動機能夠在規(guī)定時間準時點火。

1.4 重視安全，建立安全管控模式

1)全周期全要素安全管理

試驗主體承擔單位高度重視試車安全，從健全規(guī)章制度和組織機構、加強作業(yè)現(xiàn)場安全管理、注重全面安全檢查、嚴抓試驗當日安全管控等方面，強化試驗全周期全要素的安全管理，保障試驗人員和產(chǎn)品的安全。

2）逐個模塊定量分析，嚴格控制極端危害

動力系統(tǒng)試驗時，箭體內存有大量推進劑，一旦發(fā)生爆炸，不但會對試驗臺造成破壞，還有可能危及周邊建筑和人群。為避免這種情況發(fā)生，對不同模塊動力系統(tǒng)試車的極端爆炸情況開展了危害評估。評估主要依據(jù)了火箭總體對試車的技術要求以及DOD6055.09-STD-2012《美國國防部彈藥及爆炸物安全標準》。八個模塊動力系統(tǒng)試驗的爆炸當量有所不同，分別按照Q-D標準、等效防護、復合分析和風險分析四個步驟，核算試驗臺距離居民建筑、類內建筑的安全距離（見表1），從而確定相應的安全控制距離，指導各模塊動力系統(tǒng)試車當日的人員防護和安全疏散。

3）構建并完善應急預案體系

構建了重大事故、試驗專項和現(xiàn)場處置方案三個層面的應急預案體系，并且以桌面推演和預案演練的形式驗證了預案的正確性和可行性。試驗總體專項應急預案既包含試驗臺工藝系統(tǒng)故障也包含參試產(chǎn)品故障，是指導試車的重要文件，編制過程同總體單位經(jīng)過了多輪修訂。另外，在試驗總體專項預案基礎上，試驗各分系統(tǒng)分別制定了分系統(tǒng)試驗應急預案，作為總預案的補充，細化了崗位操作和人員分工用來指導應急操作。

表1 歷次試驗安全距離核算表Tab.1 Accounting table for safety distance of previous tests

1.5 量化風險評判準則、提升識別控制能力

結合動力系統(tǒng)試驗特點，構建了試驗臺技術風險管控的方法流程。首先，不同于航天產(chǎn)品，地面系統(tǒng)具有單臺次、非標準、長停短用、各系統(tǒng)任務剖面與測試和試驗流程相互關聯(lián)等特點，制定適用于地面系統(tǒng)的評估標準是有效開展FMECA的關鍵技術。依托動力系統(tǒng)試驗和發(fā)動機試驗豐富經(jīng)驗，對近些年試驗系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進行了統(tǒng)計分析，重點制定了“故障模式發(fā)生可能性判別準則”，準則中分門別類對單機，元器件及零部件故障模式的發(fā)生可能性從歷史故障次數(shù)，是否冗余，新技術/新材料/新工藝、環(huán)境條件嚴酷性、連接形式等多個維度進行了判別約定，覆蓋了試驗臺承力結構、貯罐和氣瓶、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等。上述工作的有效開展，首次量化了地面系統(tǒng)風險分析的評分標準。其次，運用基于元件的系統(tǒng)級FMECA和基于工藝流程的過程FMECA相結合的方法，注重分系統(tǒng)間在不同任務剖面上的耦合和關聯(lián)，逐步實現(xiàn)面向試驗全過程的風險管控。經(jīng)FMECA分析，某次試驗識別I、II類單點故障模式44項，通過可行的控制措施全部降低至可接受范圍（見表2），并有23項納入了分系統(tǒng)或總應急預案，確保了試驗一次成功。

表2 某次試車I、II類單點故障模式統(tǒng)計表Tab.2 Statistic list of single point failure mode on a test

2 取得的成效

新一代運載火箭動力系統(tǒng)試車總體試驗技術的應用，確保了試驗隊工作開展有序、試驗流程合理、狀態(tài)控制有效，促進了試驗主體承擔單位的主體抓總能力提升，在試驗組織管理中真正起到了牽引作用。

1）確保了12次動力系統(tǒng)試車的準時準點和圓滿成功

從2012年11月27日到2015年8月17日，確保了12次動力系統(tǒng)試車的準時準點和圓滿成功，為三型火箭的首飛成功奠定了堅實基礎，保障了型號研制進度，并為發(fā)射場制定測發(fā)流程和相關系統(tǒng)的研制提供了寶貴的借鑒。

2）管理模式日臻成熟，抓總能力再上新臺階

以試驗流程優(yōu)化、試驗過程科學指揮、試車安全及風險管控為抓手，構建并完善了大型試驗管理模式。與此同時，改變傳統(tǒng)試驗被動局面，統(tǒng)一指揮、充分協(xié)調、優(yōu)化流程、科學組織試驗過程，試驗總體牽引能力再上新臺階。

3）質量安全全面受控

建立并實踐了切實有效的安全管控模式，12次試驗在適應性改造、試驗準備全過程均未發(fā)生安全事故，確保了我國迄今為止最大規(guī)模的低溫動力系統(tǒng)地面試驗的安全萬無一失。掌握了一套適用于大型試驗多系統(tǒng)耦合作業(yè)的風險識別和控制方法，并從中獲取了確保成功的寶貴經(jīng)驗。體現(xiàn)了高水平、高質量的項目管理特征，提升了質量科學量化控制能力。

4）經(jīng)濟效益顯著

通過落實試驗主體抓總責任，持續(xù)優(yōu)化工藝流程，合理策劃動力模塊進場、轉場、吊裝以及試驗工序，最大限度地節(jié)約了氮氣、氦氣、液氧、液氫、煤油等介質成本。例如：依托豐富的試驗技術和經(jīng)驗，向產(chǎn)品單位提出“點火過程中氫箱緊急補壓使用氫氣，試后推進劑泄出氫箱使用氫氣、氧箱使用氮氣增壓”的方法，代替氫箱氦氣補壓的初始方案，有效降低試驗氦氣用氣量，一次試驗可節(jié)約氦氣約2 320 Nm3，經(jīng)費40余萬元，多次試驗合計節(jié)約經(jīng)費140余萬元。此外，總體試驗技術的應用確保了12次動力系統(tǒng)試驗的圓滿完成，避免了試驗反復所帶來的經(jīng)濟損失。

3 結束語

適應多系統(tǒng)、多個參試單位、復雜流程的大型試驗需求，作為試驗主體承擔單位，持續(xù)提升試驗抓總牽引能力是保質保量完成試驗任務的必要條件。本文圍繞這一目標，詳細介紹了新一代運載火箭動力系統(tǒng)試驗在流程優(yōu)化、指揮調度、安全和風險管控方面采取的切實有效的管理和控制措施，實現(xiàn)了統(tǒng)領試驗隊工作有序開展、狀態(tài)控制有效、流程合理可行、操作規(guī)范、一次成功的目標。該管理模式可指導后續(xù)大型試驗，對制定和完善大型試驗技術規(guī)范體系有重要的促進作用。

[1]卜玉,劉瑞敏,梁懷喜.新一代運載火箭氫氧模塊動力系統(tǒng)試驗風險分析[J].火箭推進,2016(2)：66-70. BU Yu,LIU Ruimin,LIANG Huaixi.Risk analysis of LOX/LH2 module power system test for a new generation launch vehicle[J].Journal of rocket propulsion,2016(2)：66-70.

[2]朱耀龍,李護林.液體火箭發(fā)動機工藝與過程關鍵特性研究[J].火箭推進,2014(12)：64-73. ZHU Yaolong,LI Hulin.Research on key features of liquid rocket engine manufacturing technique and process [J].Journal of rocket propulsion,2014(12)：64-73.

[3]肖瑾,趙雯.導彈型號總體設計工作流管理技術研究[J].華北航天工業(yè)學院學報,2006(4)：6-8.

[4]尚志,敬錚.首次空間交會對接項目管理創(chuàng)新實踐[J].中央企業(yè)項目管理創(chuàng)新技能大賽優(yōu)秀案例,2012(6)：29-33.

[5]楊前進,張立偉.航天型號AIT精細化管理模式研究[J].管理與實踐,2016(1)：22-25.

（編輯：王建喜）

Research on overall test technology of power system for a new generation launch vehicle

LIU Ruimin,BU Yu,SUN De,ZHANG Jiaxian
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology,Beijing 100074,China）

The power system test is a large-scale project,and has some outstanding features,such as high risk,high density,many parallel links and high difficulty.Therefore,the main undertaking unit of the test detailed its main responsibility,giving full play to its overall grasping,planning and leading capacities,focusing on continuous optimization of the technological process,strengthening the co-ordination,security and risk control in the test process,commanding the test system with more than ten parameters in unison,and guiding the ten test participation units to work together orderly to ensure that the twelve tests for eight modules of the Third-model Launch Vehicle successfully.On the basis of this,the foundation for the on-time first launch ofthe new generation launch vehicle was laid.

new generation launch vehicle;power system test;overall test technology

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0072-06

2016-07-29；

2016-09-07

航天支撐技術項目（617010403）

劉瑞敏（1983—），女，研究員，研究領域為火箭發(fā)動機試驗技術