王渭平 程 曉 李 力 羅 旭

（1.四川航天長征裝備制造有限公司，成都 636371；2.火箭軍裝備部駐成都地區(qū)第一軍事代表室，成都 610100）

世界航天正逐步向航天技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等深度融合的新趨勢發(fā)展[1]。截至2021年，SpaceX公司星鏈計劃完成近2000顆衛(wèi)星發(fā)射，我國全球低軌衛(wèi)星移動通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“鴻燕”星座于2018年完成“一箭七星”發(fā)射。發(fā)射需求的變化對運(yùn)載工具提出了高可靠性、低成本及快速響應(yīng)等新要求。運(yùn)載火箭主要由箭體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行測量、安全系統(tǒng)以及發(fā)射支持系統(tǒng)等組成，其中貯箱、管路、閥門、管路及發(fā)動機(jī)等組成的推進(jìn)系統(tǒng)可為火箭載荷到達(dá)預(yù)定軌道提供飛行動力[2]。據(jù)統(tǒng)計，1990—2015年，127起火箭發(fā)射故障統(tǒng)計表明，因推進(jìn)系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)射故障的事故占51%，其中多余物是導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)故障的重要因素[3]。多余物直接關(guān)乎一發(fā)箭、一枚彈、一顆星發(fā)射成敗，會降低航天器工作可靠性，給航天產(chǎn)品發(fā)射造成質(zhì)量事故隱患。因此，采取有效手段控制和清除航天產(chǎn)品發(fā)射前各階段多余物，是目前各國提升航天產(chǎn)品服役可靠性的重點(diǎn)工作。

文章研究了火箭推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱多余物防控和清理，提出一種貯箱窄小間隙結(jié)構(gòu)多余物主動清理方法，并取得了極好的應(yīng)用效果，彌補(bǔ)了現(xiàn)有多余物防控工藝方法的不足，從根本上消除了火箭推進(jìn)系統(tǒng)服役隱患，提升了火箭發(fā)射的可靠性。

1 多余物種類和危害

根據(jù)《航天產(chǎn)品多余物預(yù)防和控制》（QJ 2850A— 2011），多余物是指產(chǎn)品中存在由外部進(jìn)入或內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)不符的物質(zhì)。航天產(chǎn)品作為一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，從單機(jī)/系統(tǒng)加工裝配、試驗/調(diào)試到系統(tǒng)總裝集成過程，制造工藝鏈條長，配套單機(jī)/子系統(tǒng)多，生產(chǎn)保障資源要素多，導(dǎo)致多余物種類繁多。按尺度，多余物可分為宏觀多余物和微觀多余物；按材質(zhì)，多余物可分為金屬多余物、非金屬多余物、生物化學(xué)多余物及有害氣體多余物；按來源，多余物可分為本體多余物和環(huán)節(jié)顆粒多余物[4-5]。

多余物產(chǎn)生的危害后果一般可分為3類，分別是一般多余物、嚴(yán)重多余物及致命多余物。多余物的存在對箭體可靠性會產(chǎn)生直接影響。人類航天史上因多余物引發(fā)的失利案例，如表1所示。此外，多余物大或小都可能引發(fā)單機(jī)/系統(tǒng)甚至星箭俱毀[6]。

表1 多余物導(dǎo)致航天任務(wù)失利案例

2 多余物產(chǎn)生和防控

作為一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，航天產(chǎn)品多余物的產(chǎn)生環(huán)節(jié)和因素多。表2和表3分別為多余物產(chǎn)生環(huán)節(jié)和產(chǎn)生因素及其對應(yīng)的防控原則。設(shè)計、工藝、加工制造、裝配測試、包裝運(yùn)輸、貯存、飛行試驗、人員、設(shè)備、環(huán)境、材料/配套、操作以及檢驗等，均可能產(chǎn)生多余物。因此，預(yù)防與控制是一個持續(xù)完善的過程，需結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，制定針對性的多余物控制管理流程、方法及程序，健全預(yù)防和控制多余物的手段和硬件基礎(chǔ)，完善各級人員多余物預(yù)防控制職責(zé)，并將其納入質(zhì)量管理體系，持續(xù)循環(huán)地改進(jìn)策劃、實(shí)施、檢測、處置，才能做好多余物預(yù)防和控制。

表2 多余物產(chǎn)生環(huán)節(jié)及其防控

表3 多余物產(chǎn)生因素及其防控

3 貯箱窄小間隙結(jié)構(gòu)多余物清理

運(yùn)載火箭主要由多個燃料貯箱、管路系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)及控制測量設(shè)備等組成。典型貯箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由筒段、封頭、管路及若干法蘭組裝焊接而成。貯箱材質(zhì)為2A14和2219鋁合金，厚度為3.5～ 10.0 mm。由于貯箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造涉及機(jī)械加工、焊接、鉚接、黏結(jié)、噴涂、裝配以及試驗等多工藝流程，因此多余物產(chǎn)出環(huán)節(jié)多。同時，貯箱承載的推進(jìn)劑介質(zhì)為火箭飛行提供充足動力的過程中，多余物的存在可能引起導(dǎo)管、閥門甚至發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致發(fā)射暫停甚至星箭俱毀。

3.1 貯箱多余物產(chǎn)生和防控

運(yùn)載火箭貯箱內(nèi)部除人為遺留多余物（工具、標(biāo)準(zhǔn)件、耗材等）外，最常見的多余物為金屬多余物。人為遺留多余物可以通過體系化的作業(yè)過程防控，而金屬多余物控制難度大且不易徹底清除。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有兩方面原因：一方面是貯箱制造設(shè)計銑削、打磨、焊接及鉚接等制造工藝，均會產(chǎn)生大量金屬多余物，尤其是在貯箱內(nèi)部需進(jìn)行鉚接和打磨等作業(yè)；另一方面是貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在大量留存和夾雜多余物的部位/縫隙，如貯箱內(nèi)部存在的點(diǎn)焊/鉚接件和管路安裝/裝夾部位、貯箱外部的封頭與筒段連接部位和支架部位等。當(dāng)前，對于貯箱多余物清理問題，美國和俄羅斯等主要采用自動化清理技術(shù)，而我國運(yùn)載火箭貯箱多余物控制方式仍主要采用人工清理方式，跟蹤開發(fā)多余物自動化清理和評價技術(shù)。國內(nèi)外貯箱多余物清理對比如表4所示。

表4 國內(nèi)外貯箱多余物清理對比

3.2 窄小間隙結(jié)構(gòu)多余物清理

目前，現(xiàn)有人工清理方式（擦、挑、敲、吹、吸、貼、看等）+目視檢查多余物清理方式，主要是針對貯箱內(nèi)部窄小間隙結(jié)構(gòu)。貯箱內(nèi)部窄小間隙結(jié)構(gòu)，如圖2（a）和圖2（b）所示。貯箱內(nèi)部的點(diǎn)焊角片、板條、鉚接支耳及防晃板等位置，有大量窄小間隙結(jié)構(gòu)（0.02～2.00 mm）。這些間隙部位在貯箱制造過程中極易留存銑削、打磨、清洗過程中產(chǎn)生的碎屑等金屬多余物。針對這些金屬多余物，通常采用檢查+敲、振、吹、吸等方式清理。金屬多余物清除是否干凈僅能通過反復(fù)檢查的定性方式評價，缺乏定量評價手段。諸多閥門泄漏或火箭射前終止事件表明，現(xiàn)有貯箱金屬多余物防控手段不能徹底消除金屬多余物。相關(guān)人員檢查某泄漏閥門發(fā)現(xiàn)，在其密封面存在金屬多余物，如圖2（c）和圖2（d）所示。經(jīng)分析，貯箱體清理時，使用的金屬刷在打磨過程中掉落的金屬絲可能會進(jìn)入貯箱內(nèi)部窄小間隙內(nèi)部而未被發(fā)現(xiàn)，后續(xù)隨著推進(jìn)劑進(jìn)入管路和閥門，最終在閥門密封面產(chǎn)生 泄漏。

為有效防控貯箱內(nèi)部窄小間隙結(jié)構(gòu)金屬多余物，通過大量探索和工藝試驗，文章提出定量且成本低的評價方法——金屬多余物無損檢測成像評價法。根據(jù)金屬材料特性差異和無損探傷射線原理，當(dāng)窄小間隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在金屬多余物時，無損探測射線將在底片上形成不同形貌影像，并根據(jù)影像可以定量判斷金屬多余物所在的部位、數(shù)量及形狀是否清理干凈。無損射線透照下不同金屬多余物形貌如圖3所示。圖3中圈內(nèi)亮色線條正是貯箱內(nèi)部窄小間隙結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的金屬多余物在射線透照下形成的不同形貌。

根據(jù)無損透照底片，結(jié)合人工多余物清理手段（擦、挑、敲、吹、吸、貼、看等），可從根本上消除貯箱內(nèi)部窄小間隙結(jié)構(gòu)存在的“頑固”金屬多余物，定量消除貯箱內(nèi)部金屬多余物。采用此方法清除的典型窄小間隙存在的“頑固”金屬多余物，如圖4所示。

金屬多余物無損檢測成像評價法對不同貯箱和貯箱不同部位，涉及不同的無損射線透照方式、透照參數(shù)及工藝裝備等。為了前置多余物發(fā)現(xiàn)時機(jī)、減小無損透照次數(shù)，金屬多余物無損檢測成像評價法可與貯箱制造過程中焊接/點(diǎn)焊質(zhì)量評價過程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量評價，完成窄小結(jié)構(gòu)金屬多余物的定量評價。評價完成后，相關(guān)人員對窄小間隙結(jié)構(gòu)采取“間隙封閉”保護(hù)措施，避免后續(xù)在試驗、清洗及裝配等過程中多余物再次進(jìn)入窄小間隙結(jié)構(gòu)，從而消除金屬多余物帶來的火箭發(fā)生風(fēng)險。

4 結(jié)語

多余物防控是提升火箭可靠性持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。文章從種類、危害、產(chǎn)生及防控等方面進(jìn)行系統(tǒng)探討總結(jié)，同時對窄小間隙結(jié)構(gòu)，通過長期摸索試驗提出金屬多余物定量評價方法。但是，目前國內(nèi)航天產(chǎn)品多余物防控手段整體上主要依賴人工手段，急需跟蹤國外先進(jìn)多余物自動化清理技術(shù)和評價手段，在國內(nèi)航天產(chǎn)品制造單位建立新一代多余物清理和評價體系，才能從根本上解決日益高密度的航天活動與追求高可靠性航天產(chǎn)品產(chǎn)生的矛盾。