【授权转载】提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火

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提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火

(本文授权转载自“理念世界的影子”,作者“洞穴之外”,文中型号称呼中,法尔肯=猎鹰(falcon)特此注明)

两年前有人问了笔者一个问题:提高成功率运载火箭要做什么样的试验。因为题目太大无从下手,就搁置了。近期重新思考这个问题,给出一个侧面的回答,抛砖引玉。
 
历史统计表明,火箭飞行故障大多来自推进系统,火箭研制中最难开展试验的又正是推进系统试验。推进系统需要开展什么样的试验?
 

推进系统试验及静态点火

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NASA主要的大发动机试验基地,斯坦尼斯航天中心(即后文中出现的密西西比试验站,1974年6月14日更名为美国国家空间技术实验室,1988年5月20日更名为NASA斯坦尼斯航天中心)将发动机的试验划分为不同的阶段,总结出典型的试验流程见下图。
 提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火
图 发动机典型试验(来自文献1)
 
这张图一共有6条绿线,前5条绿线分别代表发动机组件级缩比试验、组件级全尺寸试验、发动机原理样机试验、飞行发动机研制试验和飞行发动机交付鉴定试验,这些都属于发动机试验内容。图中第5条绿线从中间打断了,断点左侧表示发动机单位开展试验,右侧表示火箭总体单位开展试验。如发动机抽检或标定试车位于绿线左侧,发动机交付后,火箭总体单位会进行接收测试,如外观检查、电测,甚至拆解检查等。
 
第6条绿线为子级鉴定试验,这已不仅仅是发动机或推进系统单机试验,而是属于全箭级别试验了。如Falcon 9火箭发射前发动机需经历3次点火:
  • 第1次是在德克萨斯州的麦格雷戈试验场进行发动机全程试车;
  • 第2次是发动机装配到箭体后,仍在麦格雷戈试验场,进行整个一子级的全程点火;
  • 第3次是在发射台上,进行一子级射前的短时点火。
第1次点火对应第5条绿线,后2次点火均对应第6条绿线。
 
提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火
图 法尔肯9火箭在麦格雷戈试验场静态点火
(https://www.universetoday.com/130097/spacex-adopts-lessons-learned-from-multiple-booster-landings-test-fires-recovered-1st-stage-videos/)
 
对于上述子级试验,国内有时将试验场进行的称为动力系统试车,发射场进行的称为静态点火或系留点火。尽管有人一定要这么区分,在笔者看来,它们不存在本质的技术区别。 
此外,并联构型存在芯级、助推器分开的点火试验,以及并联构型下点火试验两种,如法尔肯重型在发射场3×9=27台发动机全部点火。
 
视频 法尔肯重型火箭静态点火
 
火箭的研制和验证涉及许多学科的交互作用。如静态和动态载荷及其分布、结构分析和设计、结构动力学、声学、空气动力学、流体力学、流体动力学、机械设计、热分析和设计、水力学、推进系统设计、材料科学(性能、腐蚀、断裂力学、裂纹扩展、生命周期等)、电力和配电、电力控制、计算机和软件。
这么多学科知识及其交互影响,是否能全盘被设计人员所掌控?管理上是否能找到学科与学科交叉之间可能丢失的地带?甚至产品生产质量能否彻底受控?对上述这些进行检验的方法只有试验。
最接近真实飞行状态的全面验证就是静态点火。基本上,所有与高温(燃烧)、低温(推进剂)、强振动(发动机振动)耦合的验证,只能通过静态点火予以验证。相对于其它研制试验,静态点火提供了一个唯一真正的端对端检验。
 
 
静态点火简史

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静态点火并不是新鲜事,虽然笔者不能完全确定冯•布劳恩在研制V-2导弹时是否进行过静态点火试验,但根据网页V-2 Missile(https://airandspace.si.edu/collection-objects/v-2-missile/nasm_A19600342000),1946年3月15日,一发V-2导弹在美国白沙试验站进行了静态点火。
 
正如标志性的尾翼一样,静态点火可能也是冯•布劳恩的专利。他主持研制的导弹/运载火箭均进行了大量静态点火试验,如红石、木星、土星I/IB,以及土星五号。
 

提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火

注:土星V为笔者统计自文献[3],真实次数可能更多,其余来自文献[2]。
 
其中,最为壮观非土星五号静态点火莫属。土星五号三个子级,除采用试验件状态进行静态点火试验外,所有飞行产品(阿波罗17号的三子级除外)均进行过静态点火试验。 
提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火
图 土星V二子级被吊装到密西西比试验站A2台(NASA)
 
以一子级为例:
全系统试验件在马歇尔中心进行了15次静态点火试验(3次单机和12次五机)后,移至密西西比试验台后进行了2次五机静态点火试验,其中第一次15秒,第二次60秒,最后试验件又返回马歇尔中心,再进行了3次静态点火试验。
 
土星五号的13次飞行任务中,除了阿波罗4号任务第一次为40秒短程点火外,其它所有试验均为125秒长程点火。用于验证发动机推力、比冲、发动机环形歧管温度、燃料泵平衡气蚀压力以及热交换器性能,验证子级推力矢量控制、增压、电源、控制压力、GN2吹除、飞行测量、靶场安全、推进剂加注、顺序和POGO抑制系统是否在规定界限内执行。点火后进行检查以便确定点火未对子级产生不利影响,检查使用约105个试验和操作程序。 
提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火
图 土星V一子级在密西西比试验站B2台静态点火(NASA)
 
每次读到这些记录,笔者都感叹土星五号巨大成功的必然性。仍以一子级为例:
  • 1966年11月15日进行的阿波罗8号一子级静态点火试车后,检测发现氦气瓶易受应力腐蚀裂纹影响而进行更换;
  • 1967年8月25日阿波罗10号一子级静态点火后,发现2分机涡轮进气道传感器断裂并进入了发动机喉道中;
  • 1968年12月18日阿波罗13号一子级静态点火后,4分机检测到泄漏现象,飞行箭最终更换了此台发动机;
  • 1969年4月16日阿波罗15号一子级静态点火后,1分机的万向架过滤器歧管单向阀中发现了泄漏,飞行箭最终更换了此台发动机;
  • 1969年6月26日阿波罗16号一子级静态点火后,装运盘防尘罩由于操作失误没有被移除,高压液压管路与万向架过滤器歧管之间的连接处发生泄漏,3分机过早关机。试验后3、5分机严重损坏进行了更换,1、2、4分机受到轻微损坏进行了整修,整修整整花了一年时间,在1970年6月25日进行了补充静态点火试验。
斯坦尼斯航天中心,曾经委托罗克韦尔国际(源自笔者最为推崇的北美航空公司,1996年航空航天业务出售给了波音)进行了此研究(文献2),得出了如下结论:
 
  • 推进系统试验可防止某些灾难性飞行事故;
  • 推进、结构和电气系统间复杂交互,精确分析很困难。推进系统测试可为“基本模型”提供必要的测试数据,从而增强系统分析方法作用;
  • 对推进系统专家的调研都认为推进系统试验“必不可少”;
  • 推进系统试验可以在除飞行外最合适的环境中确定硬件完整性和功能性能,试验还可用来确定组件研发和鉴定使用的环境;
  • 推进系统试验集成了火箭和地面硬件,所有系统的加注过程、安全和点火过程;
  • 推进系统试验提供了一种方法,确定发动机/子级涉及余量,研制流程和时间表,并证实发动机研制的外推准则;
  • 推进系统试验可降低灾难性故障、任务失败、火箭硬件受损和发射装置损坏的潜在风险;
  • 推进系统试验可大幅降低发射推迟的潜在风险;
  • 新设计火箭,或引入先进技术,以及一个或多个主要系统重新设计时,需开展推进系统试验,通常需开展全程点火以满足系统试验要求;
  • 在载人和可重复使用的航天计划中,推进系统试验“经济收益”要比不载人的一次使用的计划高,因为其灾难性后果要严重得多;
  • 通过推进系统试验阻止哪怕一次失利,对于整个型号而言都是极具效益的。对于某些型号,可在不失利情况下取得经济效益。对于无人、一次性使用子级,失效费效比从1~5或更高,这取决于载荷、地面设备及其它因素;
  • 列入推进系统试验决策的因素包括可能丧失生命、成本、进度、当前设计水平、设计历史、设计继承性、试验场能力、设计单位威信,以及一旦失败所导致的国家航天政策改变;
    能满足所需型号试验和验证要求的方法包括单独的试验箭、使用飞行硬件和程序的正常或改进飞行。每一个研发计划必须确定必要的试验需求、寻求最能满足这种要求的一种方法或几种方法的组合。
因此建议新的子级,包括与以往设计不同的子级、采用先进技术、新设计、新硬件、新材料重新设计的子级,需进行推进系统试验,项目经理应评估并建立满足宇航员安全要求的计划;与现有设计相似,不采用新技术的子级,需进行推进系统研发和验证试验,项目经理应评估并建立能满足要求的计划。
 
 
静态点火的意义

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火箭能否成功,是个技术问题,采用什么的方式来确保成功,则是个管理问题。技术问题管理解决!
增加一项静态点火试验,是在以往工作上的进一步加码呢?不是!
就静态点火而言,除技术上提供更真实全面的验证环境外,还存在微妙的心理因素。
 
运载火箭各单机的安装和测试项目繁多,但均是例行公事,人很容易产生疲倦感。永远不要指望人不犯错误。国内外各种航天事故和失利,已充分证明,即使采用表格化管理,采用一检二检制度,采取严格的质量检验,仍不时有错误漏网而出。
 
为揭示潜在问题,一种手段是复查,通过对历史过程、数据的回溯和比较,力求能从蛛丝马迹中发现不正常处。但不正常总是少而又少,在海量重复性的正常数据中查找不正常,不亚于大海捞针,这需要极大的精神和意志才能开展。因为人对于重复性的事情总是会产生疲倦感,继而发展为消极怠工、效率低下,效率低下漏掉问题后又带来各种名目的复查,从而变成恶性循环
 
静态点火的引入,可能弱化这个恶性循环。一方面,管理者放心了,对技术状态放心了,因为经过了集成验证,对产品状态也放心了,因为基本上参加静态点火的产品都是准备上天或与上天同批次的产品;另一方面,员工收心了,开展能直接看到效果的工作,员工多半不会抵触,他们会真心实意地围绕这项工作花时间、想办法,以保证试验成功。
 
高手从不解决问题,只转移问题一项管理者认为有价值、员工认为有意义的工作,架设了管理者和员工之间的一个桥梁,让双方能找到结合点,这可能是静态点火在技术价值之外,提供的管理意义。
 
 
静态点火带来的问题及解决

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那么,进行静态点火试验,就能解决推进系统可靠性问题了?当然不可能,这不符合哲学的逻辑。
反者道之动,正如金庸在《神雕侠侣》中说,情花之毒,百步之内,必有解药。反之,解药的百步之内也有让它失效的药物。
 
一种方法,在解决一个问题同时,也必然带来新的问题。静态点火对于保证成功有莫大益处,但美国在操作上百次后,同样产生了疲倦感,而无法持久。
 
即使是冷战期间实施的阿波罗计划,最终也难逃进度和经费的挑战。在完成阿波罗16号三子级静态点火后,考虑到经费和成本,最后三个三子级不再开展静态点火试验,其中一发执行了阿波罗17载人任务,这也是土星五号唯一一个执行发射任务但从未经历过静态点火试验的飞行产品。
 
除成本外,进行静态点火时还存在人为失误导致试验设施破坏和人员受伤的担心,也是质疑静态点火的一个原因。
 
1966年5月28日,二子级试验件在密西西比试验站的A-2试验台上爆炸而损毁。原因是第二班工作人员试图利用气态氦进行贮箱增压时,但却不知道前一班组的工作人员已经断开了贮箱的压力传感器和开关,增压26秒后,空的液氢箱超压爆炸,这次爆炸造成六位北美航空公司的工作人员受伤、试验件被毁,A-2试验台受损,经济损失达100万美元。
 
1967年1月20日,原拟用于阿波罗8号的三子级在在萨克拉门托热试车台爆炸,原因是位于发动机上的8个氦气瓶中使用了错误的焊缝填充材料(纯钛而不是钛合金),焊缝强度削弱,降低了焊件承受重复循环压力的能力,1个气瓶破裂后使推进剂加注管路破裂,液氢与液氧推进剂混合并点燃发生爆炸,Beta III试验台以及周围的支撑建筑被碎片严重损坏。 
 
提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火
图 BetaIII试验台爆炸后场景
以上事故,既可以解释为提前暴露飞行中问题,但确实也有操作失误,而我们普遍认为,在发射场任务中这种操作失误会急剧下降。
因此,多年后的EELV计划中,德尔塔4火箭只在研制时进行了通用芯级的静态点火,交付时只进行约3分钟的发动机交付试车而不再进行静态点火。波音公司解释原因为:阿波罗计划的发射任务都是载人任务,因此每次发射之前都要对所有子级进行点火试车。但是对于非载人任务而言,通常不会进行整级的点火试验。所以,未来不再计划对一子级进行点火试车。研制过程中的通用芯级试验将是德尔塔4执行的唯一一次子级静态点火试验,用于验证火箭的设计。
 
进入新世纪后,重拾阿波罗时代情怀的是SpaceX公司,每发Falcon 9芯级都会进行2次静态点火。这也是我们为SpaceX和Musk所倾倒的原因,因为他们展现的是阿波罗时代的那种大气磅礴。
 
这种磅礴背后,可能有其深刻的技术和非技术原因,譬如重复使用静态点火收益高,以及商业火箭公司责权利的高度一致性。
 
这种高度的责权利一致性只可能出现在创业初期,创业容易守业难。在后土星五号时代,有没有什么办法可以解决这个问题呢?
有办法!管理问题技术解决,具体我们将在下篇探讨:提高运载火箭成功率的三大研制理念(2)。
 
 
参 考 文 献 
  1. Rahman, Shamim & Hebert, Bartt. Large Liquid Rocket Development Testing — Strategies and Challenges. Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2005. AIAA-2005-3564.

  2. Rockwell International. Advanced NSTS propulsion system verification study. 1989. NASA-CR-184306.

  3. Lawrie, Alan & Godwin, Robert. Saturn V: The Complete Manufacturing And Test Records Plus Supplemental Material[M]. Apogee Books. 2010.

《【授权转载】提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)——静态点火》上的一个想法

  1. 我估计,我国最快,将在4年后(2024年),进行中国重型火箭,长征九号的第一次试验飞行。

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