基于成熟型譜產(chǎn)品的上面級系統(tǒng)集成研制探索與實踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

基于成熟型譜產(chǎn)品的上面級系統(tǒng)集成研制探索與實踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 陳益 葉成敏 林宏 苗建全 劉欣

上面級是一種由基礎(chǔ)級運載器發(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,具有自主獨立性的飛行器。上面級一般具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點,且具有較強的任務(wù)適應(yīng)性,能夠完成軌道機動、有效載荷分離與部署等任務(wù)。作為航天運輸系統(tǒng)的重要組成部分,上面級是提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑。依托國家科技重大專項,中國運載火箭技術(shù)研究院開展了大、小兩型系列化上面級的研發(fā)工作,利用基礎(chǔ)級火箭加上面級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。兩型上面級按照通用化、系列化、產(chǎn)品化原則開展設(shè)計,其主要的分系統(tǒng)設(shè)計方案和主要的單機產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)均保持一致,設(shè)計中利用基礎(chǔ)級火箭的最大運載能力,充分考慮多種任務(wù)需求開展優(yōu)化設(shè)計。

一、產(chǎn)品化工作思路

1．指導(dǎo)思想

? 在兩型上面級設(shè)計中,產(chǎn)品化設(shè)計理念的貫徹應(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)一單機產(chǎn)品。

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

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

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

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

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

2．實施策略

總體產(chǎn)品化策略。兩型上面級總體方案設(shè)計中要考慮系列化設(shè)計,系統(tǒng)方案盡量保持一致；上面級總體方案要充分考慮產(chǎn)品化策略,盡量減少單機種類；上面級要充分考慮通用性,以便能與不同的基礎(chǔ)級火箭組合使用；上面級系統(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。由于兩型上面級結(jié)構(gòu)尺寸、載荷條件等均有較大差異,所以無法全部實現(xiàn)產(chǎn)品化,只能實現(xiàn)工藝、主材料、零部件等一定程度上的產(chǎn)品化；由于兩型上面級功能類似,只是攜帶的燃料增加,所以兩型上面級結(jié)構(gòu)形式及總體布局可保持一致；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,需要強化產(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。

動力系統(tǒng)產(chǎn)品化策略。兩型上面級采用同一種動力系統(tǒng)總體方案,如主動力系統(tǒng)和姿控系統(tǒng)獨立供應(yīng),采用常規(guī)動力液體發(fā)動機等；主動力系統(tǒng)盡量選用同一種發(fā)動機,綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求,可考慮采用多臺發(fā)動機并聯(lián)的方案；姿控發(fā)動機系統(tǒng)盡量選用相同規(guī)格的推力室品種以及貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產(chǎn)品,綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求,根據(jù)不同要求配置不同數(shù)量的姿控噴管、貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產(chǎn)品；增壓輸送系統(tǒng)總體方案及單機狀態(tài)盡量保持一致,綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求,可配置不同數(shù)量的單機產(chǎn)品來滿足設(shè)計要求；推進(jìn)劑管理系統(tǒng)方案及單機狀態(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、測量、熱控、分離供配電。控制系統(tǒng)采用某總線進(jìn)行綜合設(shè)計,具備產(chǎn)品化條件；測量系統(tǒng)方案中遙測傳輸體制相近、外彈道測量體制相近,所以測量系統(tǒng)的高精度測量技術(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)主要單機參數(shù)由上面級結(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)計中需要對主要單機產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)包容性設(shè)計,以滿足多個型號的需求。

二、產(chǎn)品化工作實踐

結(jié)合上面級型號特點,在型號研制過程中貫徹自頂向下的原則。總體方案統(tǒng)籌設(shè)計,環(huán)境條件包絡(luò)考慮,單機盡量選用型譜產(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

總體方案統(tǒng)一。上面級由箭體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(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；主動力系統(tǒng)選用同一種常規(guī)液體發(fā)動機,分別采用單臺和雙機并聯(lián)的方案,利用相同品種的固定姿控發(fā)動機實現(xiàn)三軸穩(wěn)定,姿控發(fā)動機系統(tǒng)和主動力系統(tǒng)相對獨立；控制系統(tǒng)均采用總線傳輸、單機表（板）級冗余方案實現(xiàn)上面級飛行過程中的控制,采用統(tǒng)一供配電方案為控制、測量、熱控系統(tǒng)進(jìn)行供電；測量系統(tǒng)均采用非相干測量體制,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高碼率的測量和測軌功能；熱控系統(tǒng)均采用以被動熱控為主、主動電加熱熱控為輔的方案。

兩型上面級除多星分配器外,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)及分支長度、隔熱屏外形尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)、主動電加熱路數(shù)、運輸/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。兩型上面級以多星直接入軌發(fā)射國家重大科技專項衛(wèi)星任務(wù)為設(shè)計目標(biāo),適當(dāng)兼顧長遠(yuǎn)發(fā)展需求設(shè)計,所以設(shè)計中的一個重要原則就是,不同的發(fā)射方案下兩型上面級對其它各大系統(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)計狀態(tài)。

環(huán)境條件包絡(luò)考慮。上面級環(huán)境試驗條件設(shè)計時,要充分考慮不同基礎(chǔ)級火箭輸入和上面級自身的傳遞特性,以使箭上單機試驗條件能覆蓋不同發(fā)射任務(wù)的全生命周期,包括地面操作、基礎(chǔ)級主動飛行段和上面級飛行段。采用譜型再現(xiàn)法等精細(xì)化設(shè)計手段,對不同頻段的高頻實測力學(xué)試驗結(jié)果進(jìn)行包絡(luò),以避免試驗條件過于嚴(yán)酷引起單機損傷。同時,根據(jù)單機特點和需求制定細(xì)化沖擊試驗條件,以避免過度試驗造成產(chǎn)品不必要的損壞。

2．單機選用成熟產(chǎn)品

上面級單機產(chǎn)品配套情況按照4種狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計：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。小上面級全箭配套產(chǎn)品共計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%）；大上面級全箭配套產(chǎn)品共計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)品均為國產(chǎn)化產(chǎn)品。

考慮到大上面級借用了部分小上面級的新研產(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。小上面級借用產(chǎn)品23種,占比29.49%；大上面級借用產(chǎn)品45種,占比54.22%,所有借用產(chǎn)品均為國產(chǎn)化產(chǎn)品。

在大上面級設(shè)計中,姿控發(fā)動機系統(tǒng)、主發(fā)動機、增壓輸送系統(tǒng)、推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、主動熱控系統(tǒng)大部分產(chǎn)品均借用小上面級產(chǎn)品。因此,大上面級借用產(chǎn)品比例大幅度提升。對于所有借用產(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)計要求、環(huán)境條件包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計與驗證。

適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品。小上面級設(shè)計中無適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品,大上面級適應(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。小上面級新研產(chǎn)品36種,占比46.15%；大上面級新研產(chǎn)品15種,占比18.07%。在小上面級研制基礎(chǔ)之上,大上面級新研產(chǎn)品主要是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品。對于所有新研產(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)、原理性試驗驗證、數(shù)學(xué)仿真分析、各類單機和系統(tǒng)試驗測試驗證等工作。

3．支撐未來發(fā)展考慮

型號未來適應(yīng)性分析。兩型系列化上面級目前已應(yīng)用于國家重大科技專項衛(wèi)星的組網(wǎng)和補網(wǎng)發(fā)射,未來還可應(yīng)用于高分辨率對地觀測工程、月球探測工程等其它國家重大專項。此外,利用上面級的長時間在軌工作能力和軌道部署能力,可以參與國際星座衛(wèi)星發(fā)射市場競爭,提高我國運載火箭的任務(wù)適應(yīng)性和國際市場競爭力；同時,上面級還可應(yīng)用于碎片清理、深空探測、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,兩型系列化上面級可與我國3.35米直徑、5米直徑的“長征”運載火箭組合使用,包括了目前在役的“長征”運載火箭的全部構(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)計中進(jìn)行推廣和參考。

動力系統(tǒng)主發(fā)動機未來可在2個方面進(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)上對點火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)置多次起動箱,突破多次起動技術(shù),以進(jìn)一步增強任務(wù)適應(yīng)性。

對于推進(jìn)劑管理系統(tǒng),隨著上面級功能的進(jìn)一步擴展和任務(wù)的進(jìn)一步復(fù)雜,上面級需要進(jìn)行更多次起動,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)主要繼承了運載火箭的設(shè)計傳統(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)采用被動熱控為主、主動熱控為輔的技術(shù)方案,充分借鑒和參考了衛(wèi)星的熱控設(shè)計,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)上面級長期在軌、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。

單機產(chǎn)品未來適應(yīng)性分析。兩型上面級新研產(chǎn)品設(shè)計時把握了以下原則：統(tǒng)籌考慮兩型上面級設(shè)計要求,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,有差別的按照其中更嚴(yán)苛的要求開展設(shè)計和驗證；在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方面,選取兩型上面級的環(huán)境條件包絡(luò)作為單機設(shè)計、試驗、驗證、驗收和鑒定條件；兩型上面級設(shè)計統(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

在兩型上面級研制過程中,通過貫徹通用化、系列化、產(chǎn)品化設(shè)計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。兩型上面級首飛均一次成功,迄今為止,連續(xù)執(zhí)行5次飛行任務(wù)均取得圓滿成功。尤其是大上面級的研制,其動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)產(chǎn)品都充分實現(xiàn)了產(chǎn)品化,產(chǎn)品化率接近90%；關(guān)鍵單機實現(xiàn)100%通用,研制周期縮短一半,研制成本降低約90%。

在整個研制階段小上面級結(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)動機投產(chǎn)18臺,用于各類研制性地面試驗。而大上面級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品僅投產(chǎn)1套,主發(fā)動機僅投產(chǎn)4臺,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)一臺單機,研制中大量使用小上面級的試驗件、鑒定件用于各類研制性地面試驗。單機狀態(tài)統(tǒng)一有助于實現(xiàn)批次性驗收和滾動投產(chǎn)備份,大大提升了計劃安排的靈活性。單機產(chǎn)品研制工作、投產(chǎn)數(shù)量和地面試驗項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,整個研制階段小上面級共開展大型地面試驗26項,而大上面級僅開展11項,系統(tǒng)方案統(tǒng)一和單機狀態(tài)統(tǒng)一使得加注排放試驗、落塔試驗、并聯(lián)貯箱均衡輸送試驗、電磁兼容試驗、電氣匹配試驗等大型地面試驗項目不必再次開展,通過小上面級的試驗結(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。

兩型上面級研制過程中,始終堅決貫徹通用化、系列化、產(chǎn)品化設(shè)計思路和基于成熟型譜產(chǎn)品系統(tǒng)集成的研制模式,從對外接口、總體技術(shù)狀態(tài)、分系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)、單機產(chǎn)品幾個層次實現(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,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踐。后續(xù),將在工程實踐中進(jìn)一步探索產(chǎn)品化工作方法和基于型譜產(chǎn)品的宇航型號系統(tǒng)集成研制組織管理模式。▲