王曉雷 寧雷 戴婷婷 南宮自軍 潘忠文

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

隨著固體火箭研究的不斷深入，以及測(cè)量技術(shù)和測(cè)量手段的提高，力學(xué)環(huán)境的精細(xì)化設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視[1]。力學(xué)環(huán)境的精細(xì)化設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一是對(duì)環(huán)境試驗(yàn)條件的細(xì)化，使其可操作性更強(qiáng)，覆蓋面更廣，便于各分系統(tǒng)操作執(zhí)行；二是對(duì)環(huán)境源頭的精細(xì)化把握，即理解各種環(huán)境的來(lái)源、大小、及其影響程度[2]。相比之下，后者更具有基礎(chǔ)意義。在力學(xué)環(huán)境四要素（振動(dòng)、沖擊、噪聲、過(guò)載）中，最難把握的是振動(dòng)環(huán)境[3]，因?yàn)檎駝?dòng)環(huán)境往往具有源頭不清晰、受邊界條件影響大、天地差異大等特點(diǎn)。一般認(rèn)為，火箭在主動(dòng)段飛行過(guò)程中的振動(dòng)環(huán)境激勵(lì)源主要有兩個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)的推力脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)、氣動(dòng)噪聲（及發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲）誘發(fā)的振動(dòng)[4-6]。在固體火箭環(huán)境設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)上將發(fā)動(dòng)機(jī)工作誘發(fā)的振動(dòng)環(huán)境作為箭上設(shè)備環(huán)境條件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。通常的做法是：通過(guò)系統(tǒng)級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)獲得各艙段內(nèi)不同部位的振動(dòng)響應(yīng)，以此作為單機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)依據(jù)，而系統(tǒng)級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)的輸入條件則以地面試車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)前、后裙處的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果為依據(jù)。但是對(duì)于固體火箭來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果一般都很大，以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)將導(dǎo)致箭上單機(jī)設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件過(guò)于嚴(yán)酷。一方面增加了單機(jī)設(shè)計(jì)的難度，另一方面，無(wú)論是振動(dòng)量級(jí)還是振動(dòng)譜形都與飛行試驗(yàn)遙測(cè)結(jié)果差別很大。本文通過(guò)對(duì)地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，研究固體火箭振動(dòng)環(huán)境天地差異產(chǎn)生的原因。

1 固體火箭主動(dòng)段飛行的振源分析

圖1是某兩級(jí)固體火箭在主動(dòng)段飛行期間，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙和伺服艙慣組大梁安裝處的振動(dòng)遙測(cè)結(jié)果。圖中實(shí)線表示振動(dòng)加速度的時(shí)間歷程，虛線是飛行動(dòng)壓隨飛行時(shí)間的變化曲線。

圖1 某兩級(jí)固體火箭主動(dòng)段飛行的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果Fig.1 The vibration environment of a Two-stage solid rocket in boost phase

由圖1可知，固體火箭二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙和頭罩內(nèi)的振動(dòng)具有以下特點(diǎn)：1）一級(jí)飛行段的振動(dòng)普遍比二級(jí)飛行段的振動(dòng)大；2）一級(jí)飛行段的振動(dòng)以跨音速至最大動(dòng)壓之間的最大；3）二級(jí)飛行段的振動(dòng)很小且比較平穩(wěn)，與起飛前的背景噪聲的量級(jí)相當(dāng)。結(jié)合二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)段來(lái)分析，對(duì)于固體火箭的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙而言，一級(jí)飛行段（二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)尚未工作）的振動(dòng)反而比二級(jí)飛行段（二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)工作）的振動(dòng)大?？梢哉f(shuō)明：對(duì)于固體火箭來(lái)說(shuō)，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙處在一級(jí)飛行段的振動(dòng)主要是由氣動(dòng)噪聲引起的，在二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其本身的振動(dòng)量級(jí)很小。

圖2中深色實(shí)線是一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙的振動(dòng)時(shí)間歷程，淺色虛線是二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙的振動(dòng)時(shí)間歷程。由圖可見(jiàn)：在一級(jí)飛行段（一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)），二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙處的振動(dòng)明顯比一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙處的振動(dòng)大，分析其原因是：1）一級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)誘發(fā)的振動(dòng)很??；2）二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙與過(guò)渡段下端框直接相連，位于過(guò)渡段錐-柱交界面的肩部附近，此區(qū)域在跨音速段為激波振蕩區(qū)，此處的振動(dòng)受氣動(dòng)噪聲的影響比一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙處（圓柱段）更大。

圖2 某兩級(jí)固體火箭在一級(jí)飛行段一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙處的振動(dòng)比較Fig.2 Comparison of the vibration environment on the front apron of the I & II engine in the first flight stage

圖3 固體火箭外形及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 The shape of the solid rocket and the location of the vibration measuring point.

可見(jiàn)，固體火箭的飛行試驗(yàn)結(jié)果表明：在主動(dòng)段飛行期間，氣動(dòng)噪聲是箭上設(shè)備最主要的振源，各級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)本身工作誘發(fā)的振動(dòng)與氣動(dòng)噪聲誘發(fā)的振動(dòng)相比是很小的。其他固體火箭型號(hào)的飛行試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果也符合此規(guī)律。

2 振動(dòng)環(huán)境的天地差異分析

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)地面試車的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果是很大的，與飛行試驗(yàn)結(jié)果差異很大，這就是所謂的振動(dòng)環(huán)境的天地差異。以某型號(hào)的二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)為例，地面試車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前、后裙位置的振動(dòng)量級(jí)比飛行試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果大十幾倍甚至幾十倍，導(dǎo)致根據(jù)地面試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果制定的振動(dòng)環(huán)境條件遠(yuǎn)大于實(shí)際飛行環(huán)境。圖4是某固體火箭主動(dòng)段飛行期間，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果與環(huán)境試驗(yàn)條件的比較。圖中粗實(shí)線是根據(jù)二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車結(jié)果包絡(luò)制定的振動(dòng)環(huán)境條件，細(xì)實(shí)線和虛線是兩次飛行試驗(yàn)的振動(dòng)遙測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)根據(jù)地面試車結(jié)果包絡(luò)制定的振動(dòng)環(huán)境條件遠(yuǎn)大于飛行實(shí)測(cè)結(jié)果。這種振動(dòng)環(huán)境的天地差異是長(zhǎng)期困擾環(huán)境設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題。

圖4 某固體火箭二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前裙的遙測(cè)振動(dòng)響應(yīng)與環(huán)境條件的比較Fig.4 Comparison of the flight vibration environment on the front apron of II engine and the test condition

地面試車時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)前、后裙處測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)主要由兩部分構(gòu)成：一是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)脈動(dòng)推力引起的振動(dòng)（待測(cè)量主體部分）；二是地面試驗(yàn)噪聲引起的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體振動(dòng)（天地差異部分）。為了分析振動(dòng)測(cè)量的天地差異，需要搞清楚這些因素在振動(dòng)測(cè)量結(jié)果中所占的比例，哪些是飛行振動(dòng)環(huán)境條件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的？哪些是不真實(shí)且可以忽略的？

圖5給出了某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)地面試車臺(tái)的照片。分析可知，由于試車臺(tái)周圍建筑物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流噪聲的反射，在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍形成類似的混響聲場(chǎng)，混響噪聲對(duì)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的影響很大，發(fā)動(dòng)機(jī)前、后裙振動(dòng)響應(yīng)的很大一部分是混響噪聲的貢獻(xiàn)。如果以此測(cè)量結(jié)果直接作為飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作段的振動(dòng)環(huán)境，將使振動(dòng)環(huán)境條件設(shè)計(jì)嚴(yán)重失真。

圖5 某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)照片F(xiàn)ig.5 The photograph of the engine test bench for the solid rocket

如果發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)周圍的噪聲環(huán)境與飛行試驗(yàn)的噪聲環(huán)境相同，那么振動(dòng)測(cè)量的天地差異應(yīng)該就沒(méi)有了。設(shè)計(jì)在高空工作的發(fā)動(dòng)機(jī)（如固體火箭的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)），除了進(jìn)行常規(guī)地面試車外，通常還要進(jìn)行高空模擬試車（簡(jiǎn)稱高模試車），它主要是模擬高空的大氣環(huán)境壓力。為了確定地面試驗(yàn)噪聲對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響程度，某固體火箭研制中，在二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車時(shí)也進(jìn)行了振動(dòng)環(huán)境測(cè)量，并與常規(guī)試車的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖6給出了同一型號(hào)二級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在不同試車臺(tái)上進(jìn)行試車時(shí)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。圖中3次試車的狀態(tài)分別是發(fā)動(dòng)機(jī)與伺服系統(tǒng)聯(lián)試、三合一試驗(yàn)（級(jí)間分離、發(fā)動(dòng)機(jī)試車與伺服系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)的簡(jiǎn)稱）和發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車，其中前兩種狀態(tài)在常規(guī)試車臺(tái)進(jìn)行，可見(jiàn)測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)都很大；而高模試車在接近真空的高模艙里進(jìn)行，測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)很小，與飛行試驗(yàn)的振動(dòng)量級(jí)接近。分析造成這種振動(dòng)測(cè)量差異的原因是：高模試車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在接近真空的高模艙里，振動(dòng)測(cè)量基本不受噪聲的影響；而地面聯(lián)試及三合一試驗(yàn)時(shí)，由于試車臺(tái)半封閉狀態(tài)導(dǎo)致的準(zhǔn)混響聲場(chǎng)對(duì)振動(dòng)測(cè)量有較大影響（此狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)前、后裙附近的反射噪聲總聲壓級(jí)達(dá)到155dB左右）。

圖6 某型二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)3次試車前裙振動(dòng)功率譜密度的對(duì)比Fig.6 Comparison of the vibration environment on the front apron of II engine for 3 kinds of test

為了進(jìn)一步說(shuō)明噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的影響，圖7給出二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車時(shí)的前裙振動(dòng)全程信號(hào)?？梢?jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，工作平穩(wěn)段的振動(dòng)信號(hào)始終很小，顯示由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)較小。而當(dāng)試車臨近結(jié)束時(shí)（約57s時(shí)），高模試車臺(tái)開(kāi)始補(bǔ)氣，高模艙內(nèi)不再保持真空，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)驟然增大，顯示振動(dòng)測(cè)量主要受噪聲的影響。

圖7 某二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車時(shí)前裙振動(dòng)全程信號(hào)Fig.7 The vibration response of the front apron of II engine in the high-altitude simulation test

為了說(shuō)明噪聲與振動(dòng)測(cè)量結(jié)果二者之間的相關(guān)性，圖8給出了某型號(hào)一級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)后裙處的振動(dòng)和噪聲測(cè)量結(jié)果的比較。由圖可見(jiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，噪聲與振動(dòng)測(cè)量信號(hào)均處于較低水平；發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)段，噪聲與振動(dòng)測(cè)量信號(hào)都很大，都體現(xiàn)出平穩(wěn)隨機(jī)的特點(diǎn)；發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束段，振動(dòng)信號(hào)隨著噪聲迅速下降而趨于點(diǎn)火前的水平。從另一角度再次說(shuō)明，固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量主要受噪聲的影響。

圖8 某型號(hào)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)后裙振動(dòng)及附近噪聲的相關(guān)性Fig.8 Comparison of the vibration and noise curve on the back apron of a I engine in ground test

通過(guò)上面的分析可知，造成固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)環(huán)境測(cè)量天地差異的根源是：地面試驗(yàn)時(shí)試車臺(tái)反射的噪聲影響。常規(guī)地面試車時(shí)，試車臺(tái)周圍反射的噪聲引起的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體振動(dòng)很大，而發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)引起的振動(dòng)相比很小。實(shí)際飛行中，除氣動(dòng)噪聲外，周圍的噪聲環(huán)境很小，所以在二級(jí)飛行段（接近真空的環(huán)境下），實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)（主要是推力脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)）很小。結(jié)合圖6的某型二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)地面試車與高模試車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前后裙位置的振動(dòng)均方根值比較，分析該常規(guī)試車臺(tái)噪聲引起的振動(dòng)響應(yīng)占振動(dòng)測(cè)量結(jié)果的比重達(dá)90%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)引起的振動(dòng)響應(yīng)占比在10%以下。當(dāng)然，不同規(guī)模的發(fā)動(dòng)機(jī)、不同的試車臺(tái)反射的噪聲水平不同，噪聲在振動(dòng)測(cè)量結(jié)果中的貢獻(xiàn)量也是不同的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車和飛行試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果的綜合分析，可以得出結(jié)論：對(duì)于固體火箭來(lái)說(shuō)，其主動(dòng)段飛行振動(dòng)環(huán)境的最主要來(lái)源是氣動(dòng)噪聲引起的振動(dòng)，相比之下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自身工作引起的振動(dòng)響應(yīng)很小。而造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)環(huán)境測(cè)量的天、地差異的主要原因是：地面試驗(yàn)時(shí)試車臺(tái)周圍反射的噪聲影響。這一結(jié)論已經(jīng)過(guò)多個(gè)固體火箭型號(hào)的飛行試驗(yàn)及地面試驗(yàn)結(jié)果的考核驗(yàn)證，該認(rèn)識(shí)對(duì)于深入理解固體火箭的振動(dòng)環(huán)境，更好地指導(dǎo)力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計(jì)具有重要意義。由于固體火箭地面試車的振動(dòng)環(huán)境遠(yuǎn)大于真實(shí)飛行的振動(dòng)環(huán)境，根據(jù)地面試車的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果制定振動(dòng)環(huán)境條件時(shí)，可以適當(dāng)減少環(huán)境條件的設(shè)計(jì)余量，從而避免設(shè)計(jì)的振動(dòng)環(huán)境條件過(guò)于嚴(yán)酷。