劉瑞敏，卜 玉，孫 德，張家仙

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100074）

新一代運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)試車總體試驗(yàn)技術(shù)研究

劉瑞敏，卜 玉，孫 德，張家仙

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100074）

針對動力系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)高、密度高、并行環(huán)節(jié)多、技術(shù)難度大等突出特點(diǎn)，試驗(yàn)主體承擔(dān)單位細(xì)化落實(shí)試驗(yàn)主體抓總責(zé)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(qiáng)試驗(yàn)過程的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、安全防范和風(fēng)險(xiǎn)管控，統(tǒng)一指揮十余個(gè)參試系統(tǒng)，統(tǒng)領(lǐng)近十個(gè)參試單位形成的試驗(yàn)隊(duì)有序工作，技術(shù)狀態(tài)控制有效，確保了三型運(yùn)載火箭八個(gè)模塊十二次動力系統(tǒng)試車準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)和圓滿成功，為三型運(yùn)載火箭按期首飛奠定了基礎(chǔ)。

新一代運(yùn)載火箭；動力系統(tǒng)試驗(yàn)；試驗(yàn)總體技術(shù)

0 引言

新一代運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)試驗(yàn)是我國新研制三型運(yùn)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(yàn)，也是規(guī)模最大的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，具有技術(shù)難度大、參試系統(tǒng)多、復(fù)雜程度高等突出特點(diǎn)，要求試驗(yàn)主體承擔(dān)單位充分發(fā)揮抓總、策劃與牽引能力，全面、細(xì)致、準(zhǔn)確無誤的統(tǒng)領(lǐng)試驗(yàn)隊(duì)開展各項(xiàng)試驗(yàn)工作，并且做到狀態(tài)清楚、操作規(guī)范、一次成功。

總體試驗(yàn)技術(shù)是指圍繞落實(shí)試驗(yàn)抓總責(zé)任、發(fā)揮牽引能力這一目標(biāo)，在試車全過程采取的控制措施和改進(jìn)技術(shù)，可使試驗(yàn)管理趨于規(guī)范和順暢。試驗(yàn)任務(wù)承擔(dān)單位在十二次動力系統(tǒng)試驗(yàn)過程中的不斷摸索實(shí)踐，通過頂層策劃，在流程優(yōu)化、試驗(yàn)指揮協(xié)調(diào)、安全和風(fēng)險(xiǎn)管控等方面實(shí)踐總體試驗(yàn)技術(shù)，取得了良好成效。

1 總體試驗(yàn)技術(shù)的內(nèi)涵和主要做法

1.1 落實(shí)試驗(yàn)主體抓總責(zé)任、持續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)流程

1）“三部曲”確保接口匹配

動力系統(tǒng)試驗(yàn)復(fù)雜程度高，僅單個(gè)模塊的箭地接口就達(dá)七十多個(gè)，覆蓋了結(jié)構(gòu)、工藝、測控三大類。建立了技術(shù)狀態(tài)匹配、實(shí)物預(yù)配、測試確認(rèn)的三部曲，確保了接口的正確匹配。

第一步，在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行技術(shù)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(rèn)的方法，完成法蘭等非標(biāo)接口狀態(tài)的一致性確認(rèn)。第二步，在產(chǎn)品成型階段進(jìn)行實(shí)物預(yù)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(yù)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(rèn)手段，確保對接操作正確無誤。上述三個(gè)步驟的有效落實(shí)確保了歷次試驗(yàn)結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)，將功能、性能設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)同步開展，從設(shè)計(jì)源頭入手，確保試驗(yàn)系統(tǒng)能力滿足總體要求。通過數(shù)字化仿真協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的準(zhǔn)確預(yù)示，為試驗(yàn)項(xiàng)目的快速實(shí)施提供了準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。如基于發(fā)動機(jī)尾噴流的流體仿真，準(zhǔn)確預(yù)示了發(fā)動機(jī)尾流力熱環(huán)境影響，有效指導(dǎo)了導(dǎo)流槽和鈕腿熱防護(hù)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(diǎn)布置和加注工藝制定提供了依據(jù)。通過真實(shí)介質(zhì)調(diào)試，一方面，在不具備真實(shí)動力模塊參試條件下，地面系統(tǒng)采用孔板模擬負(fù)載方法，獲取真實(shí)流量、真實(shí)壓力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且固化加注供氣流程。同時(shí)，真實(shí)介質(zhì)的大流量沖刷，對系統(tǒng)潔凈度狀態(tài)進(jìn)行檢查確認(rèn)，從設(shè)計(jì)源頭保證了試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)無多余物。上述三個(gè)措施的應(yīng)用確保了各模塊試驗(yàn)系統(tǒng)能力及進(jìn)箭指標(biāo)均滿足總體任務(wù)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(yàn)準(zhǔn)備周期長，從箭體進(jìn)場到點(diǎn)火試車的準(zhǔn)備流程約四十余項(xiàng)。測試流程上采用簡化合并、并行測試等措施，進(jìn)一步減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。箭體進(jìn)場前，分系統(tǒng)提前完成模擬負(fù)載的測試，箭體進(jìn)場后，迅速開展箭地接口對接，分系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，隨即轉(zhuǎn)入匹配測試和總檢查，縮短產(chǎn)品在試驗(yàn)區(qū)的占用時(shí)間。自箭體吊裝上臺至點(diǎn)火試驗(yàn)的試驗(yàn)準(zhǔn)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(diào)試、箭地聯(lián)調(diào)、綜合測試、推進(jìn)劑加注、供氣、試驗(yàn)幾個(gè)部分。圍繞試驗(yàn)工藝管理，深入開展設(shè)計(jì)方案工藝可行性分析和試驗(yàn)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(diào)節(jié)等多項(xiàng)工藝成果的應(yīng)用，縮短了試驗(yàn)周期、節(jié)省了介質(zhì)費(fèi)用，滿足了各模塊試驗(yàn)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(shù)文件提出“先預(yù)冷液氫加注管路，再打開液氫加注閥預(yù)冷箭上氫箱”的液氫預(yù)冷流程，以及“－40 min液氧過冷補(bǔ)加、液氫射前一次補(bǔ)加”的射前補(bǔ)加流程。針對動力系統(tǒng)試車液氫加注量大的特點(diǎn)，基于降低箭上結(jié)構(gòu)件溫差應(yīng)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(yàn)主體承擔(dān)單位豐富的試驗(yàn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，率先向總體單位提出“加注管道和箭上氫箱同步預(yù)冷”和“以III液位信號為基準(zhǔn)實(shí)時(shí)補(bǔ)加”的優(yōu)化方案，經(jīng)過充分論證和多輪協(xié)調(diào)，得到了總體認(rèn)可，修改了技術(shù)文件。經(jīng)實(shí)踐，同步預(yù)冷的工藝減少了對箭體結(jié)構(gòu)的沖擊，并且縮短了液氫預(yù)冷時(shí)間；以III液位信號為基準(zhǔn)實(shí)時(shí)補(bǔ)加的工藝，使得最后一次補(bǔ)加液氫量僅4 m3，不僅節(jié)省了液氫用量，更精準(zhǔn)預(yù)測了液氫加注時(shí)間，保證了點(diǎn)火時(shí)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(yàn)和數(shù)據(jù)。

1.2 認(rèn)真制定工藝文件，統(tǒng)領(lǐng)所有參試系統(tǒng)

依據(jù)火箭對試驗(yàn)臺技術(shù)要求和測試細(xì)則，牽頭組織研究制定了各型動力系統(tǒng)試車的實(shí)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(xiàng)規(guī)程均經(jīng)過和總體單位的反復(fù)推敲和多輪討論，狀態(tài)確定后經(jīng)過相關(guān)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人的會簽確認(rèn)，隨后下發(fā)至參試人員并組織集中學(xué)習(xí)，指導(dǎo)試車全過程。以點(diǎn)火試車操作規(guī)程為例，從崗位職責(zé)和崗位操作兩部分全面具體的規(guī)定了試車從推進(jìn)劑加注至點(diǎn)火試車、關(guān)機(jī)的工作內(nèi)容，與試車口令表一起作為點(diǎn)火試車的操作文件，是試車當(dāng)天統(tǒng)領(lǐng)所有參試系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)。

1.3 統(tǒng)一指揮調(diào)度，準(zhǔn)確控制點(diǎn)火時(shí)間

動力系統(tǒng)試驗(yàn)對點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確性的要求高，試驗(yàn)指揮組統(tǒng)一指揮調(diào)度，在試驗(yàn)當(dāng)日采取遞進(jìn)式狀態(tài)檢查（圖2），在準(zhǔn)備工作就緒、推進(jìn)劑加注前、供氣前嚴(yán)格要求十八個(gè)參試分系統(tǒng)指揮進(jìn)行狀態(tài)檢查，填寫狀態(tài)確認(rèn)表，嚴(yán)格控制加注供氣流程，使發(fā)動機(jī)能夠在規(guī)定時(shí)間準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)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(yàn)主體承擔(dān)單位高度重視試車安全，從健全規(guī)章制度和組織機(jī)構(gòu)、加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場安全管理、注重全面安全檢查、嚴(yán)抓試驗(yàn)當(dāng)日安全管控等方面，強(qiáng)化試驗(yàn)全周期全要素的安全管理，保障試驗(yàn)人員和產(chǎn)品的安全。

2）逐個(gè)模塊定量分析，嚴(yán)格控制極端危害

動力系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，箭體內(nèi)存有大量推進(jìn)劑，一旦發(fā)生爆炸，不但會對試驗(yàn)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(shù)要求以及DOD6055.09-STD-2012《美國國防部彈藥及爆炸物安全標(biāo)準(zhǔn)》。八個(gè)模塊動力系統(tǒng)試驗(yàn)的爆炸當(dāng)量有所不同，分別按照Q-D標(biāo)準(zhǔn)、等效防護(hù)、復(fù)合分析和風(fēng)險(xiǎn)分析四個(gè)步驟，核算試驗(yàn)臺距離居民建筑、類內(nèi)建筑的安全距離（見表1），從而確定相應(yīng)的安全控制距離，指導(dǎo)各模塊動力系統(tǒng)試車當(dāng)日的人員防護(hù)和安全疏散。

3）構(gòu)建并完善應(yīng)急預(yù)案體系

構(gòu)建了重大事故、試驗(yàn)專項(xiàng)和現(xiàn)場處置方案三個(gè)層面的應(yīng)急預(yù)案體系，并且以桌面推演和預(yù)案演練的形式驗(yàn)證了預(yù)案的正確性和可行性。試驗(yàn)總體專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案既包含試驗(yàn)臺工藝系統(tǒng)故障也包含參試產(chǎn)品故障，是指導(dǎo)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(yàn)總體專項(xiàng)預(yù)案基礎(chǔ)上，試驗(yàn)各分系統(tǒng)分別制定了分系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案，作為總預(yù)案的補(bǔ)充，細(xì)化了崗位操作和人員分工用來指導(dǎo)應(yīng)急操作。

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

1.5 量化風(fēng)險(xiǎn)評判準(zhǔn)則、提升識別控制能力

結(jié)合動力系統(tǒng)試驗(yàn)特點(diǎn)，構(gòu)建了試驗(yàn)臺技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)、長停短用、各系統(tǒng)任務(wù)剖面與測試和試驗(yàn)流程相互關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，制定適用于地面系統(tǒng)的評估標(biāo)準(zhǔn)是有效開展FMECA的關(guān)鍵技術(shù)。依托動力系統(tǒng)試驗(yàn)和發(fā)動機(jī)試驗(yàn)豐富經(jīng)驗(yàn)，對近些年試驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)制定了“故障模式發(fā)生可能性判別準(zhǔn)則”，準(zhǔn)則中分門別類對單機(jī)，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(shù)/新材料/新工藝、環(huán)境條件嚴(yán)酷性、連接形式等多個(gè)維度進(jìn)行了判別約定，覆蓋了試驗(yàn)臺承力結(jié)構(gòu)、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(fēng)險(xiǎn)分析的評分標(biāo)準(zhǔn)。其次，運(yùn)用基于元件的系統(tǒng)級FMECA和基于工藝流程的過程FMECA相結(jié)合的方法，注重分系統(tǒng)間在不同任務(wù)剖面上的耦合和關(guān)聯(lián)，逐步實(shí)現(xiàn)面向試驗(yàn)全過程的風(fēng)險(xiǎn)管控。經(jīng)FMECA分析，某次試驗(yàn)識別I、II類單點(diǎn)故障模式44項(xiàng)，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(xiàng)納入了分系統(tǒng)或總應(yīng)急預(yù)案，確保了試驗(yàn)一次成功。

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

2 取得的成效

新一代運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)試車總體試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，確保了試驗(yàn)隊(duì)工作開展有序、試驗(yàn)流程合理、狀態(tài)控制有效，促進(jìn)了試驗(yàn)主體承擔(dān)單位的主體抓總能力提升，在試驗(yàn)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(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)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(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)和圓滿成功，為三型火箭的首飛成功奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，保障了型號研制進(jìn)度，并為發(fā)射場制定測發(fā)流程和相關(guān)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(yàn)流程優(yōu)化、試驗(yàn)過程科學(xué)指揮、試車安全及風(fēng)險(xiǎn)管控為抓手，構(gòu)建并完善了大型試驗(yàn)管理模式。與此同時(shí)，改變傳統(tǒng)試驗(yàn)被動局面，統(tǒng)一指揮、充分協(xié)調(diào)、優(yōu)化流程、科學(xué)組織試驗(yàn)過程，試驗(yàn)總體牽引能力再上新臺階。

3）質(zhì)量安全全面受控

建立并實(shí)踐了切實(shí)有效的安全管控模式，12次試驗(yàn)在適應(yīng)性改造、試驗(yàn)準(zhǔn)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(yàn)的安全萬無一失。掌握了一套適用于大型試驗(yàn)多系統(tǒng)耦合作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)識別和控制方法，并從中獲取了確保成功的寶貴經(jīng)驗(yàn)。體現(xiàn)了高水平、高質(zhì)量的項(xiàng)目管理特征，提升了質(zhì)量科學(xué)量化控制能力。

4）經(jīng)濟(jì)效益顯著

通過落實(shí)試驗(yàn)主體抓總責(zé)任，持續(xù)優(yōu)化工藝流程，合理策劃動力模塊進(jìn)場、轉(zhuǎn)場、吊裝以及試驗(yàn)工序，最大限度地節(jié)約了氮?dú)?、氦氣、液氧、液氫、煤油等介質(zhì)成本。例如：依托豐富的試驗(yàn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，向產(chǎn)品單位提出“點(diǎn)火過程中氫箱緊急補(bǔ)壓使用氫氣，試后推進(jìn)劑泄出氫箱使用氫氣、氧箱使用氮?dú)庠鰤骸钡姆椒ǎ鏆湎浜庋a(bǔ)壓的初始方案，有效降低試驗(yàn)氦氣用氣量，一次試驗(yàn)可節(jié)約氦氣約2 320 Nm3，經(jīng)費(fèi)40余萬元，多次試驗(yàn)合計(jì)節(jié)約經(jīng)費(fèi)140余萬元。此外，總體試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用確保了12次動力系統(tǒng)試驗(yàn)的圓滿完成，避免了試驗(yàn)反復(fù)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)束語

適應(yīng)多系統(tǒng)、多個(gè)參試單位、復(fù)雜流程的大型試驗(yàn)需求，作為試驗(yàn)主體承擔(dān)單位，持續(xù)提升試驗(yàn)抓總牽引能力是保質(zhì)保量完成試驗(yàn)任務(wù)的必要條件。本文圍繞這一目標(biāo)，詳細(xì)介紹了新一代運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)試驗(yàn)在流程優(yōu)化、指揮調(diào)度、安全和風(fēng)險(xiǎn)管控方面采取的切實(shí)有效的管理和控制措施，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)領(lǐng)試驗(yàn)隊(duì)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(biāo)。該管理模式可指導(dǎo)后續(xù)大型試驗(yàn)，對制定和完善大型試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范體系有重要的促進(jìn)作用。

[1]卜玉,劉瑞敏,梁懷喜.新一代運(yùn)載火箭氫氧模塊動力系統(tǒng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].火箭推進(jìn),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.

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[5]楊前進(jìn),張立偉.航天型號AIT精細(xì)化管理模式研究[J].管理與實(shí)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(shù)項(xiàng)目（617010403）

劉瑞敏（1983—），女，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)榛鸺l(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)