潘玉竹，陳勁松，平仕良，張國棟，賀建華

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

長征五號運載火箭（以下簡稱CZ-5）是為了提升中國航天運載能力而研制的新一代運載火箭，是中國首個起飛推力超過千噸的大型運載火箭，近地軌道最大運載能力達到25噸級。芯一級采用5 m直徑模塊，2臺地面推力50噸級的YF-77氫氧發(fā)動機雙向擺動，助推器采用4個3.35 m直徑模塊，每個模塊配置2臺地面推力120噸級的YF-100液氧煤油發(fā)動機，每個助推器擺動靠近芯級內(nèi)側(cè)的1臺發(fā)動機[1]。

CZ-5活動發(fā)射平臺是專門為新一代運載火箭研制，是火箭測發(fā)流程得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)性綜合設(shè)備，主要用于承載加注前后的運載火箭，并配合火箭完成組裝、測試、轉(zhuǎn)場、加注及發(fā)射。新一代運載火箭發(fā)動機與以往型號火箭發(fā)動機相比，燃氣流場溫度更高，燃氣流總排量也更大?；顒影l(fā)射平臺在火箭起飛過程中承受一級火箭和助推火箭最多10個發(fā)動機同時噴出的高溫、高壓、高速燃氣流的沖刷和燒蝕[2]。研究CZ-5運載火箭起飛過程中活動發(fā)射平臺所處的燃氣流場環(huán)境，獲取發(fā)射平臺典型部位的空氣壓力、溫度和熱流密度的變化規(guī)律，有助于驗證發(fā)射平臺目前熱防護措施的有效性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的正確性。

火星科學(xué)實驗室[3～6]在火星探測任務(wù)中，通過MISP傳熱分析裝置，獲取MSL防熱套材料響應(yīng)并重構(gòu)表面熱環(huán)境，建立了飛行數(shù)據(jù)分析與反饋體系。劉初平[7]對氣動熱地面試驗中的傳熱作用機制與熱流測量技術(shù)進行了較為系統(tǒng)的歸納與綜述；李翔[8]利用紅外測溫法測試固體火箭發(fā)動機羽焰溫度開展了研究。

1 發(fā)射平臺燃氣流場預(yù)示

CZ-5活動發(fā)射平臺長29 m，寬23 m，高70 m，實體三維模型如圖1a所示。在開展燃氣動力學(xué)仿真分析時，考慮到計算機資源及計算速度的需求，針對實體模型采用必要的簡化，簡化背風(fēng)或遠場的結(jié)構(gòu)及設(shè)備，簡化不關(guān)注的結(jié)構(gòu)、細節(jié)，重點關(guān)注發(fā)射平臺臺面附近結(jié)構(gòu)燃氣流場的影響，主要包括支承臂、尾端服務(wù)塔、臍帶塔等，簡化后的數(shù)值仿真模型見圖1b。

圖1 CZ-5活動發(fā)射平臺模型Fig.1 Model of CZ-5 Launch Pad

CZ-5運載火箭發(fā)射燃氣動力學(xué)仿真分析采用瞬態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)，同時采用箭體包絡(luò)外絡(luò)的動網(wǎng)格技術(shù)模擬火箭起飛動態(tài)過程，模擬方法框圖如圖2所示。

圖2 CZ-5火箭發(fā)射燃氣動力學(xué)數(shù)值模擬方法Fig.2 Block Diagram of CZ-5 Launch Gas Dynamics Numerical Simulation Method

根據(jù)發(fā)射燃氣動力學(xué)預(yù)示結(jié)果，CZ-5運載火箭起飛過程中，活動發(fā)射平臺受燃氣流燒蝕和沖刷最嚴重的時刻出現(xiàn)在火箭起飛18 m高度（對應(yīng)起飛時刻為3.8 s），此時燃氣流靜壓峰值約1.06 MPa，靜溫峰值約2150 K，熱流密度峰值將達到25 MW/m2，出現(xiàn)位置為發(fā)射平臺臺體表面助推導(dǎo)流孔邊緣外側(cè)區(qū)域。

2 發(fā)射平臺熱環(huán)境測試方案

針對CZ-5活動發(fā)射平臺重點關(guān)注部位，基于發(fā)射燃氣動力學(xué)仿真分析結(jié)果，在發(fā)射平臺相應(yīng)位置（表1）布置壓力、溫度、熱流等熱環(huán)境傳感器，在火箭起飛過程中，通過測試線纜將傳感器信號傳輸?shù)讲杉O(shè)備，采集設(shè)備實時存儲記錄。同時，采集設(shè)備自備GPS授時模塊，確保數(shù)據(jù)時間軸為標準北京時間格式。壓力采樣率為5000 Hz，其余為1000 Hz。整個測量系統(tǒng)的供電由一臺UPS電源來提供。采集設(shè)備和電源置于發(fā)射平臺臍帶塔某層房間內(nèi)，采取相應(yīng)的減振措施。

表1 發(fā)射平臺熱環(huán)境測點匯總Tab.1 Summary of Launch Pad Thermal Environment Measuring Points

發(fā)射平臺臺面熱環(huán)境傳感器的安裝如圖3所示。熱流傳感器敏感面、空氣溫度敏感端和壓力管腔均朝上，且與所在傳感器安裝板齊平。臺面測點直接受到氣流作用，熱環(huán)境惡劣，所選傳感器需能承受瞬間的高溫沖擊?？諝鉁囟炔捎面z裝鎢錸熱電偶，壓力傳感器選用高溫絕壓壓力傳感器，熱流傳感器采用柱塞式熱流傳感器。

圖3 發(fā)射平臺熱環(huán)境傳感器安裝示意Fig.3 Schematic Diagram of Launch Pad Thermal Environment Sensor

3 發(fā)射平臺熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)分析

針對CZ-5某發(fā)飛行任務(wù)中活動發(fā)射平臺熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)，整理分析可得活動發(fā)射平臺4種典型位置的空氣壓力、空氣溫度和熱流密度在火箭起飛過程中的變化規(guī)律。

圖4給出了發(fā)射平臺臺面助推導(dǎo)流孔邊緣外側(cè)區(qū)域的熱環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，該區(qū)域位于助推發(fā)動機YF-100噴口正吹位置，屬于發(fā)射平臺臺面強燒蝕區(qū)。熱環(huán)境峰值數(shù)據(jù)出現(xiàn)在起飛4 s左右，對應(yīng)起飛高度19 m，此時空氣壓力達到0.95 MPa，空氣溫度為1960 ℃，熱流密度為19.8 MW/m2。

圖4 發(fā)射平臺管道架體頂部熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Curves of Thermal Environment Test Data on the Top of Launch Pad Pipe Frame

與發(fā)射燃氣動力學(xué)預(yù)示結(jié)果相比（表2），發(fā)射平臺臺面強燒蝕區(qū)熱環(huán)境參數(shù)實測峰值數(shù)據(jù)偏小，峰值出現(xiàn)的時刻基本相同，均出現(xiàn)在起飛4 s左右，此時助推發(fā)動機噴口距離發(fā)射平臺臺面20 m，每個助推器的2個YF-100發(fā)動機噴出的高溫高速燃氣流核心直接作用到臺面助推導(dǎo)流孔邊緣外側(cè)區(qū)域，造成該區(qū)域的空氣壓力、空氣溫度和熱流密度均達到峰值。由于實際飛行任務(wù)中發(fā)射平臺兩側(cè)及臺面上的噴水系統(tǒng)的噴淋，會改善發(fā)射平臺臺面尤其是強燒蝕區(qū)的熱環(huán)境，而發(fā)射燃氣動力學(xué)理論預(yù)示時未考慮噴水系統(tǒng)的影響，因此發(fā)射平臺臺面強燒蝕區(qū)實測熱環(huán)境數(shù)據(jù)會略低于仿真預(yù)測結(jié)果。

表2 發(fā)射平臺臺面強燒蝕區(qū)熱環(huán)境參數(shù)實測峰值與理論預(yù)示的對比Tab.2 Comparison of Thermal Environment Parameters Between Experiment and Computation for Launch Pad Strong Ablation Area

圖5給出了發(fā)射平臺臺面鋼架結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域的熱環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，該區(qū)域位于發(fā)射平臺助推導(dǎo)流孔邊緣外側(cè)附近相鄰區(qū)域，屬于發(fā)射平臺臺面一般燒蝕區(qū)。熱環(huán)境峰值數(shù)據(jù)出現(xiàn)在起飛6.74 s左右，對應(yīng)起飛高度57 m，此時空氣壓力達到0.12 MPa，空氣溫度為700 ℃，熱流密度為1.28 MW/m2。

圖5 發(fā)射平臺鋼架結(jié)構(gòu)頂部熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Curves of Thermal Environment Test Data on the Top of Launch Pad Steel Structure

圖6給出了發(fā)射平臺臺面欄桿根部附近的熱環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，該區(qū)域位于發(fā)射平臺四周臺面邊緣位置。臺面欄桿根部附近的熱環(huán)境峰值數(shù)據(jù)出現(xiàn)在起飛4.8 s左右，對應(yīng)起飛高度28 m，此時空氣壓力達到0.23 MPa，空氣溫度為1500 ℃，熱流密度為13.6 MW/m2。

圖6 發(fā)射平臺臺面欄桿根部熱環(huán)境熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Curves of Thermal Environment Test Data on the Bottom of Launch Pad Handrail

圖7給出了發(fā)射平臺擺桿桁架根部的熱環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，該區(qū)域位于離發(fā)射平臺臺面46 m的高空，當火箭起飛一定高度時該區(qū)域會受到燃氣流的影響。擺桿桁架根部的熱環(huán)境峰值數(shù)據(jù)出現(xiàn)在起飛9.6 s左右，對應(yīng)起飛高度120 m，此時空氣壓力達到0.13 MPa，空氣溫度為630 ℃，熱流密度為0.36 MW/m2。

圖7 發(fā)射平臺擺桿熱環(huán)境熱環(huán)境熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Curves of Thermal Environment Test Data on the Root of Launch Pad Umbilical Arm

4 發(fā)射平臺燃氣流載荷邊界

運載火箭發(fā)射過程中，發(fā)射平臺所承受的燃氣流載荷作為發(fā)射平臺熱防護設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的前提條件，其載荷邊界的定義直接影響發(fā)射平臺的熱防護設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的正確性。

基于CZ-5某發(fā)飛行任務(wù)活動發(fā)射平臺熱環(huán)境測試數(shù)據(jù)，提煉出發(fā)射平臺典型部位燃氣流載荷邊界如表3所示。

表3 發(fā)射平臺典型部位燃氣流載荷邊界Tab.3 Design Boundary of Combustion Gas Flow about Launch Pad Typical Parts

在發(fā)射平臺熱防護設(shè)計過程中，通常使用燃氣熱流密度來表征燃氣流載荷的燒蝕強度，根據(jù)熱流密度數(shù)值的大小選取合適的熱防護方式。

發(fā)射平臺典型部位熱流密度等級和熱防護方式如表4所示。從表4中可以看出：

表4 發(fā)射平臺典型部位熱流密度峰值數(shù)據(jù)Tab.4 Peak Heat Flux Data about Launch Pad Typical Parts

a）發(fā)射平臺管道架體頂部的熱流密度峰值超過15 MW/m2，屬于發(fā)射平臺強燒蝕區(qū)，需采取能夠耐高燒蝕、強沖刷的熱防護方式，該區(qū)域采用玻璃纖維預(yù)制體與鄰苯二甲腈樹脂制備復(fù)合材料熱防護板，能夠滿足至少5發(fā)不進行射后維護；

b）發(fā)射平臺臺面欄桿根部的熱流密度峰值為5～15 MW/m2，由于欄桿形狀多為不規(guī)則的圓鋼或方鋼，采用鋁基金屬陶瓷復(fù)合材料涂層，該涂層可采用電弧噴涂施工；

c）發(fā)射平臺鋼架結(jié)構(gòu)頂部的熱流密度峰值為1～10 MW/m2，采用有機底層與無機表層的復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護涂層，該涂層適用于大面積平面的熱防護；

d）發(fā)射平臺擺桿桁架根部的熱流密度峰值低于1 MW/m2，無需對其進行熱防護。

在發(fā)射平臺方案設(shè)計階段結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常使用空氣壓力作為燃氣流沖擊載荷輸入。CZ-5運載火箭發(fā)射過程中，發(fā)射平臺典型部位的空氣壓力峰值大小如表5所示。

表5 發(fā)射平臺典型部位空氣壓力峰值數(shù)據(jù)Tab.5 Peak Gas Pressure Data about Launch Pad Typical Parts

續(xù)表5

從表5中可以看出：發(fā)射平臺方案設(shè)計階段結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用的燃氣流壓力載荷數(shù)據(jù)均大于目前實測空氣壓力峰值數(shù)據(jù)。由于發(fā)射平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時按照相關(guān)產(chǎn)品規(guī)范保證發(fā)射平臺各部位安全系數(shù)不小于1.5，因此可認為目前發(fā)射平臺這些典型部位的結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié) 論

a）CZ-5運載火箭起飛過程中，活動發(fā)射平臺所處的燃氣流場環(huán)境可分為：強燒蝕區(qū)、一般燒蝕區(qū)和弱燒蝕區(qū)。

b）發(fā)射平臺強燒蝕區(qū)主要集中在管道架體頂部，熱流密度峰值達到19.8 MW/m2，空氣壓力峰值達到0.95 MPa，溫度峰值達到1960 ℃，采用玻璃纖維預(yù)制體與鄰苯二甲腈樹脂制備復(fù)合材料板進行熱防護。

c）發(fā)射平臺一般燒蝕區(qū)主要集中在臺面欄桿根部和鋼架結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域，熱流密度峰值為1～15 MW/m2，采用鋁基金屬陶瓷復(fù)合材料涂層或者有機底層與無機表層的復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護涂層。

d）發(fā)射平臺擺桿桁架受燃氣流燒蝕影響較小，熱流密度峰值約0.36 MW/m2，桁架自身可不采取熱防護措施。