◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

基于成熟型譜產(chǎn)品的上面級(jí)系統(tǒng)集成研制探索與實(shí)踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

上面級(jí)是一種由基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載器發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道或地球軌道,并進(jìn)一步將有效載荷從準(zhǔn)地球軌道或地球軌道送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置的,具有自主獨(dú)立性的飛行器。上面級(jí)一般具有多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間工作、自主飛行等特點(diǎn),且具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性,能夠完成軌道機(jī)動(dòng)、有效載荷分離與部署等任務(wù)。作為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分,上面級(jí)是提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑。依托國(guó)家科技重大專項(xiàng),中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院開展了大、小兩型系列化上面級(jí)的研發(fā)工作,利用基礎(chǔ)級(jí)火箭加上面級(jí)可完成多星直接入軌發(fā)射,并將衛(wèi)星直接送入最終目標(biāo)軌道。兩型上面級(jí)按照通用化、系列化、產(chǎn)品化原則開展設(shè)計(jì),其主要的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和主要的單機(jī)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)均保持一致,設(shè)計(jì)中利用基礎(chǔ)級(jí)火箭的最大運(yùn)載能力,充分考慮多種任務(wù)需求開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、產(chǎn)品化工作思路

1．指導(dǎo)思想

? 在兩型上面級(jí)設(shè)計(jì)中,產(chǎn)品化設(shè)計(jì)理念的貫徹應(yīng)自上而下進(jìn)行,先盡量統(tǒng)一分系統(tǒng)方案,再以此為基礎(chǔ)統(tǒng)一單機(jī)產(chǎn)品。

? 上面級(jí)總體及各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要充分考慮產(chǎn)品化要求,技術(shù)方案應(yīng)具備一定的可擴(kuò)展性,以便為技術(shù)方案統(tǒng)一及后續(xù)型號(hào)借用奠定基礎(chǔ)。

? 充分考慮與目前的成熟型號(hào)及在研型號(hào)產(chǎn)品的技術(shù)共用,盡量借用其它可借用的型號(hào)產(chǎn)品,選用其它可選用的型譜產(chǎn)品。

? 單機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要力求兼顧兩型上面級(jí)使用的要求,且其試驗(yàn)環(huán)境條件應(yīng)以兩型上面級(jí)要求的最大包絡(luò)進(jìn)行,以便為產(chǎn)品化工作奠定基礎(chǔ)。

? 提高試驗(yàn)設(shè)備、工裝以及研保條件實(shí)施方案的通用性,統(tǒng)籌考慮兩型上面級(jí)的使用要求。

? 統(tǒng)一兩型上面級(jí)接插件選型,制定統(tǒng)一的上面級(jí)接口標(biāo)準(zhǔn)和接插件要求。

2．實(shí)施策略

總體產(chǎn)品化策略。兩型上面級(jí)總體方案設(shè)計(jì)中要考慮系列化設(shè)計(jì),系統(tǒng)方案盡量保持一致；上面級(jí)總體方案要充分考慮產(chǎn)品化策略,盡量減少單機(jī)種類；上面級(jí)要充分考慮通用性,以便能與不同的基礎(chǔ)級(jí)火箭組合使用；上面級(jí)系統(tǒng)方案要充分考慮使用靈活性,使其具備單星、雙星和多星發(fā)射能力及軌道部署能力,并能發(fā)射多種軌道有效載荷。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品化策略。由于兩型上面級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸、載荷條件等均有較大差異,所以無法全部實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,只能實(shí)現(xiàn)工藝、主材料、零部件等一定程度上的產(chǎn)品化；由于兩型上面級(jí)功能類似,只是攜帶的燃料增加,所以兩型上面級(jí)結(jié)構(gòu)形式及總體布局可保持一致；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要強(qiáng)化產(chǎn)品相似性的類比分析,掌握影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)品承載能力或功能的主要因素,并在同類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制過程中進(jìn)行借鑒或繼承。

動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品化策略。兩型上面級(jí)采用同一種動(dòng)力系統(tǒng)總體方案,如主動(dòng)力系統(tǒng)和姿控系統(tǒng)獨(dú)立供應(yīng),采用常規(guī)動(dòng)力液體發(fā)動(dòng)機(jī)等；主動(dòng)力系統(tǒng)盡量選用同一種發(fā)動(dòng)機(jī),綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計(jì)要求,可考慮采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的方案；姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)盡量選用相同規(guī)格的推力室品種以及貯箱、氣瓶、電磁閥等單機(jī)產(chǎn)品,綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計(jì)要求,根據(jù)不同要求配置不同數(shù)量的姿控噴管、貯箱、氣瓶、電磁閥等單機(jī)產(chǎn)品；增壓輸送系統(tǒng)總體方案及單機(jī)狀態(tài)盡量保持一致,綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計(jì)要求,可配置不同數(shù)量的單機(jī)產(chǎn)品來滿足設(shè)計(jì)要求；推進(jìn)劑管理系統(tǒng)方案及單機(jī)狀態(tài)盡量保持一致。

電氣系統(tǒng)產(chǎn)品化策略。采用電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)思想,統(tǒng)一軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)；采用統(tǒng)一供配電模式進(jìn)行控制、測(cè)量、熱控、分離供配電?？刂葡到y(tǒng)采用某總線進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),具備產(chǎn)品化條件；測(cè)量系統(tǒng)方案中遙測(cè)傳輸體制相近、外彈道測(cè)量體制相近,所以測(cè)量系統(tǒng)的高精度測(cè)量技術(shù)、一體化供配電技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、無線信道仿真技術(shù)等均可共用,產(chǎn)品化基礎(chǔ)較好。

發(fā)射支持系統(tǒng)產(chǎn)品化策略。

發(fā)射支持系統(tǒng)主要單機(jī)參數(shù)由上面級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量特性、推進(jìn)劑種類、加注諸元、瞄準(zhǔn)方案等要求決定,兩型上面級(jí)使用推進(jìn)劑相同,具備較好的產(chǎn)品化工作基礎(chǔ)；發(fā)射支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要對(duì)主要單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)包容性設(shè)計(jì),以滿足多個(gè)型號(hào)的需求。

二、產(chǎn)品化工作實(shí)踐

結(jié)合上面級(jí)型號(hào)特點(diǎn),在型號(hào)研制過程中貫徹自頂向下的原則?？傮w方案統(tǒng)籌設(shè)計(jì),環(huán)境條件包絡(luò)考慮,單機(jī)盡量選用型譜產(chǎn)品及借用產(chǎn)品,控制適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品和新研產(chǎn)品,充分貫徹產(chǎn)品化工作要求。

1．總體方案統(tǒng)籌設(shè)計(jì)

總體方案統(tǒng)一。上面級(jí)由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)以及發(fā)射支持系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)均采用直筒段儀器艙儀器內(nèi)裝方案、圓柱段殼體加十字腹板的結(jié)構(gòu)形式,只是在結(jié)構(gòu)尺寸上有所區(qū)別；主動(dòng)力系統(tǒng)選用同一種常規(guī)液體發(fā)動(dòng)機(jī),分別采用單臺(tái)和雙機(jī)并聯(lián)的方案,利用相同品種的固定姿控發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸穩(wěn)定,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和主動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立；控制系統(tǒng)均采用總線傳輸、單機(jī)表（板）級(jí)冗余方案實(shí)現(xiàn)上面級(jí)飛行過程中的控制,采用統(tǒng)一供配電方案為控制、測(cè)量、熱控系統(tǒng)進(jìn)行供電；測(cè)量系統(tǒng)均采用非相干測(cè)量體制,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高碼率的測(cè)量和測(cè)軌功能；熱控系統(tǒng)均采用以被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)電加熱熱控為輔的方案。

兩型上面級(jí)除多星分配器外,其它各系統(tǒng)方案絕大部分均保持相同或相近,但在主結(jié)構(gòu)尺寸及主承力構(gòu)件布置、貯箱及貯箱懸掛結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)、儀器布局、管路電纜敷設(shè)及分支長(zhǎng)度、隔熱屏外形尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)、主動(dòng)電加熱路數(shù)、運(yùn)輸/停放/起吊設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)、推進(jìn)劑加注供氣系統(tǒng)方案等方面需作出適應(yīng)性調(diào)整。

外系統(tǒng)接口統(tǒng)一。兩型上面級(jí)以多星直接入軌發(fā)射國(guó)家重大科技專項(xiàng)衛(wèi)星任務(wù)為設(shè)計(jì)目標(biāo),適當(dāng)兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求設(shè)計(jì),所以設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要原則就是,不同的發(fā)射方案下兩型上面級(jí)對(duì)其它各大系統(tǒng)、尤其是衛(wèi)星系統(tǒng)的接口必須保持統(tǒng)一,以確保衛(wèi)星只有一種設(shè)計(jì)狀態(tài)。

環(huán)境條件包絡(luò)考慮。上面級(jí)環(huán)境試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮不同基礎(chǔ)級(jí)火箭輸入和上面級(jí)自身的傳遞特性,以使箭上單機(jī)試驗(yàn)條件能覆蓋不同發(fā)射任務(wù)的全生命周期,包括地面操作、基礎(chǔ)級(jí)主動(dòng)飛行段和上面級(jí)飛行段。采用譜型再現(xiàn)法等精細(xì)化設(shè)計(jì)手段,對(duì)不同頻段的高頻實(shí)測(cè)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行包絡(luò),以避免試驗(yàn)條件過于嚴(yán)酷引起單機(jī)損傷。同時(shí),根據(jù)單機(jī)特點(diǎn)和需求制定細(xì)化沖擊試驗(yàn)條件,以避免過度試驗(yàn)造成產(chǎn)品不必要的損壞。

2．單機(jī)選用成熟產(chǎn)品

上面級(jí)單機(jī)產(chǎn)品配套情況按照4種狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：一是型譜產(chǎn)品,可直接選用,無需作出任何修改；二是借用產(chǎn)品,可完全借用,無需作出任何修改；三是適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品,即在原產(chǎn)品狀態(tài)上進(jìn)行小規(guī)模適應(yīng)性改進(jìn)；四是新研產(chǎn)品,即完全新研或在原產(chǎn)品狀態(tài)上進(jìn)行大規(guī)模適應(yīng)性改進(jìn)。

型譜產(chǎn)品。小上面級(jí)全箭配套產(chǎn)品共計(jì)78種,其中可選型譜產(chǎn)品22種,選用型譜產(chǎn)品19種（占比24.36%）；大上面級(jí)全箭配套產(chǎn)品共計(jì)83種,其中可選型譜產(chǎn)品22種,選用型譜產(chǎn)品18種（占比21.69%）,所選型譜產(chǎn)品均為國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。

考慮到大上面級(jí)借用了部分小上面級(jí)的新研產(chǎn)品,后續(xù)這部分新研產(chǎn)品也將統(tǒng)一納入產(chǎn)品型譜管理,所以大上面級(jí)選用型譜產(chǎn)品的比例還將進(jìn)一步提升。

借用產(chǎn)品。小上面級(jí)借用產(chǎn)品23種,占比29.49%；大上面級(jí)借用產(chǎn)品45種,占比54.22%,所有借用產(chǎn)品均為國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。

在大上面級(jí)設(shè)計(jì)中,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、主發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓輸送系統(tǒng)、推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主動(dòng)熱控系統(tǒng)大部分產(chǎn)品均借用小上面級(jí)產(chǎn)品。因此,大上面級(jí)借用產(chǎn)品比例大幅度提升。對(duì)于所有借用產(chǎn)品,均按照質(zhì)量管理要求進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性分析等工作,并按照設(shè)計(jì)要求、環(huán)境條件包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品。小上面級(jí)設(shè)計(jì)中無適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品,大上面級(jí)適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品有5種（占比6.02%）,包括綜合控制器、配電器、電池等。對(duì)于所有適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品,均按照質(zhì)量管理要求進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性分析、技術(shù)狀態(tài)變化控制、接口技術(shù)狀態(tài)分析等工作。

新研產(chǎn)品。小上面級(jí)新研產(chǎn)品36種,占比46.15%；大上面級(jí)新研產(chǎn)品15種,占比18.07%。在小上面級(jí)研制基礎(chǔ)之上,大上面級(jí)新研產(chǎn)品主要是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品。對(duì)于所有新研產(chǎn)品,均按照質(zhì)量管理要求進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理性試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)學(xué)仿真分析、各類單機(jī)和系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證等工作。

3．支撐未來發(fā)展考慮

型號(hào)未來適應(yīng)性分析。兩型系列化上面級(jí)目前已應(yīng)用于國(guó)家重大科技專項(xiàng)衛(wèi)星的組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射,未來還可應(yīng)用于高分辨率對(duì)地觀測(cè)工程、月球探測(cè)工程等其它國(guó)家重大專項(xiàng)。此外,利用上面級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間在軌工作能力和軌道部署能力,可以參與國(guó)際星座衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),提高我國(guó)運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性和國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí),上面級(jí)還可應(yīng)用于碎片清理、深空探測(cè)、衛(wèi)星延壽、在軌加注、接管控制、受控離軌等多種類型的空間任務(wù)。

從搭配火箭的角度來看,兩型系列化上面級(jí)可與我國(guó)3.35米直徑、5米直徑的“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭組合使用,包括了目前在役的“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭的全部構(gòu)型,多種組合可覆蓋不同軌道的直接入軌、多星發(fā)射等不同任務(wù)。

分系統(tǒng)未來適應(yīng)性分析。上面級(jí)箭體結(jié)構(gòu)具有一定的先進(jìn)性和超前性,未來可在各類空間飛行器設(shè)計(jì)中進(jìn)行推廣和參考。

動(dòng)力系統(tǒng)主發(fā)動(dòng)機(jī)未來可在2個(gè)方面進(jìn)一步提升和改進(jìn)：一是通過地面試車持續(xù)提升產(chǎn)品可靠性和技術(shù)指標(biāo)；二是在目前系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)置多次起動(dòng)箱,突破多次起動(dòng)技術(shù),以進(jìn)一步增強(qiáng)任務(wù)適應(yīng)性。

對(duì)于推進(jìn)劑管理系統(tǒng),隨著上面級(jí)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展和任務(wù)的進(jìn)一步復(fù)雜,上面級(jí)需要進(jìn)行更多次起動(dòng),所以應(yīng)進(jìn)一步研究表面張力裝置、全管理貯箱等推進(jìn)劑管理方案。

電氣系統(tǒng)主要繼承了運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)傳統(tǒng),并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和提升。未來,電氣系統(tǒng)將采用電氣系統(tǒng)一體化及綜合電子技術(shù),以進(jìn)一步提升箭上信息集成度和設(shè)計(jì)集成度,減小電氣系統(tǒng)的規(guī)模和重量。

熱控系統(tǒng)采用被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)熱控為輔的技術(shù)方案,充分借鑒和參考了衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì),可以滿足現(xiàn)有飛行任務(wù)的要求。未來,熱控系統(tǒng)要適應(yīng)上面級(jí)長(zhǎng)期在軌、多種飛行模式的任務(wù),則需優(yōu)化艙內(nèi)熱量的分配和管理,節(jié)省熱控功耗和重量,為儀器設(shè)備提供更好的溫度條件保障。

單機(jī)產(chǎn)品未來適應(yīng)性分析。兩型上面級(jí)新研產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)把握了以下原則：統(tǒng)籌考慮兩型上面級(jí)設(shè)計(jì)要求,功能、性能、指標(biāo)要求差別不大的按照其中一種開展設(shè)計(jì),有差別的按照其中更嚴(yán)苛的要求開展設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面,選取兩型上面級(jí)的環(huán)境條件包絡(luò)作為單機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、驗(yàn)證、驗(yàn)收和鑒定條件；兩型上面級(jí)設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮,盡量不增加新研產(chǎn)品品種。

三、產(chǎn)品化工作效果

在兩型上面級(jí)研制過程中,通過貫徹通用化、系列化、產(chǎn)品化設(shè)計(jì)思路和基于成熟型譜產(chǎn)品系統(tǒng)集成的研制模式,在研制周期縮短、研制成本降低、研制流程優(yōu)化、組織模式靈活等方面取得了突出得成果和豐厚的回報(bào)。兩型上面級(jí)首飛均一次成功,迄今為止,連續(xù)執(zhí)行5次飛行任務(wù)均取得圓滿成功。尤其是大上面級(jí)的研制,其動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)產(chǎn)品都充分實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化,產(chǎn)品化率接近90%；關(guān)鍵單機(jī)實(shí)現(xiàn)100%通用,研制周期縮短一半,研制成本降低約90%。

在整個(gè)研制階段小上面級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品投產(chǎn)3套、電氣系統(tǒng)產(chǎn)品投產(chǎn)6套、主發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)18臺(tái),用于各類研制性地面試驗(yàn)。而大上面級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品僅投產(chǎn)1套,主發(fā)動(dòng)機(jī)僅投產(chǎn)4臺(tái),電氣系統(tǒng)產(chǎn)品除適應(yīng)性改進(jìn)和新研產(chǎn)品投產(chǎn)1套外,沒有新投產(chǎn)一臺(tái)單機(jī),研制中大量使用小上面級(jí)的試驗(yàn)件、鑒定件用于各類研制性地面試驗(yàn)。單機(jī)狀態(tài)統(tǒng)一有助于實(shí)現(xiàn)批次性驗(yàn)收和滾動(dòng)投產(chǎn)備份,大大提升了計(jì)劃安排的靈活性。單機(jī)產(chǎn)品研制工作、投產(chǎn)數(shù)量和地面試驗(yàn)項(xiàng)目的減少均可反映出研制周期的縮短、研制成本的降低。

另外,整個(gè)研制階段小上面級(jí)共開展大型地面試驗(yàn)26項(xiàng),而大上面級(jí)僅開展11項(xiàng),系統(tǒng)方案統(tǒng)一和單機(jī)狀態(tài)統(tǒng)一使得加注排放試驗(yàn)、落塔試驗(yàn)、并聯(lián)貯箱均衡輸送試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、電氣匹配試驗(yàn)等大型地面試驗(yàn)項(xiàng)目不必再次開展,通過小上面級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果修正仿真模型,并利用仿真結(jié)果即可得到精確預(yù)示。

兩型上面級(jí)研制過程中,始終堅(jiān)決貫徹通用化、系列化、產(chǎn)品化設(shè)計(jì)思路和基于成熟型譜產(chǎn)品系統(tǒng)集成的研制模式,從對(duì)外接口、總體技術(shù)狀態(tài)、分系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)、單機(jī)產(chǎn)品幾個(gè)層次實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化目標(biāo),既提高了產(chǎn)品可靠性、降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),又顯著縮短了研制周期、降低了研制成本,是產(chǎn)品化理念的一次成功探索和實(shí)踐。后續(xù),將在工程實(shí)踐中進(jìn)一步探索產(chǎn)品化工作方法和基于型譜產(chǎn)品的宇航型號(hào)系統(tǒng)集成研制組織管理模式?！?/p>