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 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

隨著固體火箭研究的不斷深入，以及測量技術(shù)和測量手段的提高，力學環(huán)境的精細化設(shè)計越來越受到重視[1]。力學環(huán)境的精細化設(shè)計包括兩個方面：一是對環(huán)境試驗條件的細化，使其可操作性更強，覆蓋面更廣，便于各分系統(tǒng)操作執(zhí)行；二是對環(huán)境源頭的精細化把握，即理解各種環(huán)境的來源、大小、及其影響程度[2]。相比之下，后者更具有基礎(chǔ)意義。在力學環(huán)境四要素（振動、沖擊、噪聲、過載）中，最難把握的是振動環(huán)境[3]，因為振動環(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。一般認為，火箭在主動段飛行過程中的振動環(huán)境激勵源主要有兩個：發(fā)動機的推力脈動誘發(fā)的振動、氣動噪聲（及發(fā)動機噴流噪聲）誘發(fā)的振動[4-6]。在固體火箭環(huán)境設(shè)計方面，傳統(tǒng)上將發(fā)動機工作誘發(fā)的振動環(huán)境作為箭上設(shè)備環(huán)境條件設(shè)計的主要依據(jù)。通常的做法是：通過系統(tǒng)級振動試驗獲得各艙段內(nèi)不同部位的振動響應，以此作為單機振動試驗條件的設(shè)計依據(jù)，而系統(tǒng)級振動試驗的輸入條件則以地面試車時發(fā)動機前、后裙處的振動測量結(jié)果為依據(jù)。但是對于固體火箭來說，發(fā)動機地面試車時的振動測量結(jié)果一般都很大，以此作為設(shè)計依據(jù)將導致箭上單機設(shè)備的振動環(huán)境試驗條件過于嚴酷。一方面增加了單機設(shè)計的難度，另一方面，無論是振動量級還是振動譜形都與飛行試驗遙測結(jié)果差別很大。本文通過對地面試驗數(shù)據(jù)和飛行試驗數(shù)據(jù)的深入分析，研究固體火箭振動環(huán)境天地差異產(chǎn)生的原因。

1 固體火箭主動段飛行的振源分析

圖1是某兩級固體火箭在主動段飛行期間，二級發(fā)動機前裙和伺服艙慣組大梁安裝處的振動遙測結(jié)果。圖中實線表示振動加速度的時間歷程，虛線是飛行動壓隨飛行時間的變化曲線。

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

由圖1可知，固體火箭二級發(fā)動機前裙和頭罩內(nèi)的振動具有以下特點：1）一級飛行段的振動普遍比二級飛行段的振動大；2）一級飛行段的振動以跨音速至最大動壓之間的最大；3）二級飛行段的振動很小且比較平穩(wěn)，與起飛前的背景噪聲的量級相當。結(jié)合二級發(fā)動機的工作時段來分析，對于固體火箭的二級發(fā)動機前裙而言，一級飛行段（二級發(fā)動機尚未工作）的振動反而比二級飛行段（二級發(fā)動機已經(jīng)工作）的振動大?？梢哉f明：對于固體火箭來說，二級發(fā)動機前裙處在一級飛行段的振動主要是由氣動噪聲引起的，在二級固體發(fā)動機工作時，其本身的振動量級很小。

圖2中深色實線是一級發(fā)動機前裙的振動時間歷程，淺色虛線是二級發(fā)動機前裙的振動時間歷程。由圖可見：在一級飛行段（一級發(fā)動機工作時），二級發(fā)動機前裙處的振動明顯比一級發(fā)動機前裙處的振動大，分析其原因是：1）一級固體發(fā)動機工作時誘發(fā)的振動很小；2）二級發(fā)動機前裙與過渡段下端框直接相連，位于過渡段錐-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)，此處的振動受氣動噪聲的影響比一級發(fā)動機前裙處（圓柱段）更大。

圖2 某兩級固體火箭在一級飛行段一、二級發(fā)動機前裙處的振動比較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測點位置示意圖Fig.3 The shape of the solid rocket and the location of the vibration measuring point.

可見，固體火箭的飛行試驗結(jié)果表明：在主動段飛行期間，氣動噪聲是箭上設(shè)備最主要的振源，各級固體發(fā)動機本身工作誘發(fā)的振動與氣動噪聲誘發(fā)的振動相比是很小的。其他固體火箭型號的飛行試驗振動測量結(jié)果也符合此規(guī)律。

2 振動環(huán)境的天地差異分析

固體火箭發(fā)動機常規(guī)地面試車的振動測量結(jié)果是很大的，與飛行試驗結(jié)果差異很大，這就是所謂的振動環(huán)境的天地差異。以某型號的二級固體發(fā)動機為例，地面試車時，發(fā)動機前、后裙位置的振動量級比飛行試驗測量結(jié)果大十幾倍甚至幾十倍，導致根據(jù)地面試驗振動測量結(jié)果制定的振動環(huán)境條件遠大于實際飛行環(huán)境。圖4是某固體火箭主動段飛行期間，二級發(fā)動機前裙的振動測量結(jié)果與環(huán)境試驗條件的比較。圖中粗實線是根據(jù)二級固體發(fā)動機地面試車結(jié)果包絡(luò)制定的振動環(huán)境條件，細實線和虛線是兩次飛行試驗的振動遙測結(jié)果，可見根據(jù)地面試車結(jié)果包絡(luò)制定的振動環(huán)境條件遠大于飛行實測結(jié)果。這種振動環(huán)境的天地差異是長期困擾環(huán)境設(shè)計人員的問題。

圖4 某固體火箭二級發(fā)動機前裙的遙測振動響應與環(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，在發(fā)動機前、后裙處測量得到的振動信號主要由兩部分構(gòu)成：一是發(fā)動機工作時脈動推力引起的振動（待測量主體部分）；二是地面試驗噪聲引起的發(fā)動機殼體振動（天地差異部分）。為了分析振動測量的天地差異，需要搞清楚這些因素在振動測量結(jié)果中所占的比例，哪些是飛行振動環(huán)境條件設(shè)計時必須考慮的？哪些是不真實且可以忽略的？

圖5給出了某型固體火箭發(fā)動機常規(guī)地面試車臺的照片。分析可知，由于試車臺周圍建筑物對發(fā)動機噴流噪聲的反射，在發(fā)動機周圍形成類似的混響聲場，混響噪聲對振動響應測量結(jié)果的影響很大，發(fā)動機前、后裙振動響應的很大一部分是混響噪聲的貢獻。如果以此測量結(jié)果直接作為飛行時發(fā)動機工作段的振動環(huán)境，將使振動環(huán)境條件設(shè)計嚴重失真。

圖5 某型固體火箭發(fā)動機地面試車臺照片F(xiàn)ig.5 The photograph of the engine test bench for the solid rocket

如果發(fā)動機試車時周圍的噪聲環(huán)境與飛行試驗的噪聲環(huán)境相同，那么振動測量的天地差異應該就沒有了。設(shè)計在高空工作的發(fā)動機（如固體火箭的二級發(fā)動機），除了進行常規(guī)地面試車外，通常還要進行高空模擬試車（簡稱高模試車），它主要是模擬高空的大氣環(huán)境壓力。為了確定地面試驗噪聲對振動測量的影響程度，某固體火箭研制中，在二級發(fā)動機高模試車時也進行了振動環(huán)境測量，并與常規(guī)試車的振動測量結(jié)果進行了比較。

圖6給出了同一型號二級固體火箭發(fā)動機在不同試車臺上進行試車時的振動測量結(jié)果。圖中3次試車的狀態(tài)分別是發(fā)動機與伺服系統(tǒng)聯(lián)試、三合一試驗（級間分離、發(fā)動機試車與伺服系統(tǒng)聯(lián)合試驗的簡稱）和發(fā)動機高模試車，其中前兩種狀態(tài)在常規(guī)試車臺進行，可見測得的振動響應都很大；而高模試車在接近真空的高模艙里進行，測得的振動響應很小，與飛行試驗的振動量級接近。分析造成這種振動測量差異的原因是：高模試車時發(fā)動機在接近真空的高模艙里，振動測量基本不受噪聲的影響；而地面聯(lián)試及三合一試驗時，由于試車臺半封閉狀態(tài)導致的準混響聲場對振動測量有較大影響（此狀態(tài)發(fā)動機前、后裙附近的反射噪聲總聲壓級達到155dB左右）。

圖6 某型二級固體發(fā)動機3次試車前裙振動功率譜密度的對比Fig.6 Comparison of the vibration environment on the front apron of II engine for 3 kinds of test

為了進一步說明噪聲對發(fā)動機振動測量的影響，圖7給出二級發(fā)動機高模試車時的前裙振動全程信號?？梢姡l(fā)動機啟動后，工作平穩(wěn)段的振動信號始終很小，顯示由于發(fā)動機推力脈動誘發(fā)的振動較小。而當試車臨近結(jié)束時（約57s時），高模試車臺開始補氣，高模艙內(nèi)不再保持真空，此時振動信號驟然增大，顯示振動測量主要受噪聲的影響。

圖7 某二級固體發(fā)動機高模試車時前裙振動全程信號Fig.7 The vibration response of the front apron of II engine in the high-altitude simulation test

為了說明噪聲與振動測量結(jié)果二者之間的相關(guān)性，圖8給出了某型號一級固體發(fā)動機地面試車時，發(fā)動機后裙處的振動和噪聲測量結(jié)果的比較。由圖可見：發(fā)動機點火前，噪聲與振動測量信號均處于較低水平；發(fā)動機工作平穩(wěn)段，噪聲與振動測量信號都很大，都體現(xiàn)出平穩(wěn)隨機的特點；發(fā)動機工作結(jié)束段，振動信號隨著噪聲迅速下降而趨于點火前的水平。從另一角度再次說明，固體發(fā)動機地面試車時振動響應測量主要受噪聲的影響。

圖8 某型號一級發(fā)動機后裙振動及附近噪聲的相關(guān)性Fig.8 Comparison of the vibration and noise curve on the back apron of a I engine in ground test

通過上面的分析可知，造成固體火箭發(fā)動機振動環(huán)境測量天地差異的根源是：地面試驗時試車臺反射的噪聲影響。常規(guī)地面試車時，試車臺周圍反射的噪聲引起的發(fā)動機殼體振動很大，而發(fā)動機推力脈動引起的振動相比很小。實際飛行中，除氣動噪聲外，周圍的噪聲環(huán)境很小，所以在二級飛行段（接近真空的環(huán)境下），實測的發(fā)動機振動響應（主要是推力脈動誘發(fā)的振動）很小。結(jié)合圖6的某型二級固體發(fā)動機常規(guī)地面試車與高模試車時，發(fā)動機前后裙位置的振動均方根值比較，分析該常規(guī)試車臺噪聲引起的振動響應占振動測量結(jié)果的比重達90%以上，發(fā)動機推力脈動引起的振動響應占比在10%以下。當然，不同規(guī)模的發(fā)動機、不同的試車臺反射的噪聲水平不同，噪聲在振動測量結(jié)果中的貢獻量也是不同的。

3 結(jié)論

本文通過對固體火箭發(fā)動機地面試車和飛行試驗振動測量結(jié)果的綜合分析，可以得出結(jié)論：對于固體火箭來說，其主動段飛行振動環(huán)境的最主要來源是氣動噪聲引起的振動，相比之下固體火箭發(fā)動機自身工作引起的振動響應很小。而造成發(fā)動機振動環(huán)境測量的天、地差異的主要原因是：地面試驗時試車臺周圍反射的噪聲影響。這一結(jié)論已經(jīng)過多個固體火箭型號的飛行試驗及地面試驗結(jié)果的考核驗證，該認識對于深入理解固體火箭的振動環(huán)境，更好地指導力學環(huán)境條件設(shè)計具有重要意義。由于固體火箭地面試車的振動環(huán)境遠大于真實飛行的振動環(huán)境，根據(jù)地面試車的振動測量結(jié)果制定振動環(huán)境條件時，可以適當減少環(huán)境條件的設(shè)計余量，從而避免設(shè)計的振動環(huán)境條件過于嚴酷。