運載火箭前端測控設備減振隔噪技術研究

潘玉竹，賈學軍，張國棟，范 虹，郭金剛

（1.北京航天發射技術研究所，北京100076； 2.北京宇航系統工程研究所，北京100076）

為提升我國航天運載能力而研制的新一代運載火箭，采用了“三垂”的測試發射模式，火箭在技術廠房完成垂直組裝、垂直測試之后，借助可移動的發射平臺，整體垂直運輸至發射陣地，在運輸過程中火箭與地面設備連接狀態保持不變，到達發射區后經過簡單的測試檢查后即可進行加注、發射。為了適應新一代運載火箭的這種測發流程，將測量系統、控制系統、動力系統和發射平臺自身電氣、液壓、驅動控制等各種前端測控設備，集成在發射平臺臺體內部的工作間。發射平臺臺體共設有4個前端設備工作間，分別分布在臺體上表面的4個角。

火箭發射過程中，發動機噴射出高溫高速燃氣流，使發射平臺處于一定量級的振動及噪聲環境中，會給這些前端設備帶來不利影響。為確保工作間內部的設備在火箭發射時能夠正常工作，需要采取有效的減振、降噪技術手段，改善工作間內部環境。

1 減振隔噪性能的設計方法

影響振動與噪聲環境的主要因素是火箭發射時的噪聲和發射平臺振動，根據振動和噪聲機理以及實際工況分析，工作間采用整體隔噪、個體減振的方案，如圖1所示，減振隔噪總體方案為：

1）發射平臺臺體采用封閉的鋼結構，以保護前端設備工作間并起到一定的隔噪作用；

2）在發射平臺臺體內部布置整體隔噪工作間，前端設備放置在工作間內，控制室內的噪聲環境，有效降低噪聲強度，避免強噪聲引起前端設備振動；

3）每臺前端設備底部安裝獨立的減振平臺，衰減火箭發射時發射平臺振動帶給前端設備的影響。

圖1 減振隔噪總體方案

1.1 前端設備間的隔噪設計

前端設備間的隔噪功能是通過發射平臺臺體封閉的鋼結構和其內部專業的隔噪工作間實現的。

鋼結構是發射平臺上層臺體的一部分，在鋼架結構框架周圍用3 mm厚的鋼板形成封閉空間，作為隔離噪聲的第一道屏障，有效隔離火箭發射過程中的部分噪聲，同時能夠阻擋燃氣流的沖刷，保證內部工作間熱環境。

隔噪工作間由吸隔聲墻體、隔聲地板及自身的骨架組成，如圖2所示。

圖2 隔噪設計

其中，骨架結構主要由地板主梁、地板次梁、屋頂主梁、屋頂次梁和立柱組成；吸隔聲墻體是由多塊三層復合隔聲結構依附骨架結構拼接而成；隔聲地板由兩層復合隔聲結構依附骨架結構拼接而成。根據前端設備的安裝位置，對地板局部骨架結構進行加強，并預埋螺栓以便安裝減振平臺，地板鋪設防靜電防滑板。

隔聲工作間內設計有電纜通道，在所有通道進出位置設置有消聲筒（圖3），消聲筒設計長度與彎曲形狀根據通道位置、功能和尺寸來設計。

在所有通道外安裝隔聲彈性密封套，同時考慮耐高溫、耐腐蝕性，密封套采用高分子阻燃的聚氨酯材料。

圖3 消聲筒結構示意圖

為滿足聲學要求，防止孔洞和縫隙透聲，采用雙層雙密封隔聲門，且在門與門框的碰頭縫處采用海綿乳膠條密封。隔噪工作間頂部設計為可拆卸的結構，便于設備吊裝，吊裝口四周邊框作吸聲處理，防止漏聲。隔聲間的各種管線通過墻體需打孔時，在孔洞周圍用柔軟材料包扎封緊。隔聲間的通風換氣口裝有消聲裝置。

1.2 前端設備間的減振設計

發射平臺前端設備減振采用被動減振措施，如圖4所示。

圖4 減振設計

為了減少外來振動對前端設備的影響，在振源和前端設備之間加隔振器件，減小振動的輸入。發射平臺前端設備種類、數量繁多，不同前端設備的固有頻率、允許的振動量級等特性存在差別，因此采取對每臺設備單獨進行減振。

根據每臺前端設備的重量、尺寸、質心位置、固有頻率等參數，選取合適的減振器進行模塊化減振平臺設計。減振平臺主要由1 個安裝平臺和4 個底部減振器組成。安裝平臺主要由角鋼焊接而成，安裝平臺上表面通過螺栓與前端設備固連，安裝平臺下表面四角位置通過螺栓與減振器固連。同時在滿足減振要求情況下，減振器選型規格應盡量少，且同種規格減振器可以進行互換。

2 減振隔噪性能的計算方法

2.1 隔噪工作間隔聲量計算

隔噪工作間的實際隔聲量由隔聲板、隔聲門、隔聲窗戶、縫隙等多個因素的隔聲量綜合決定。隔聲板的隔聲結構組成為：3 mm鋼板、60 mm硅酸鋁棉、2 mm鋼板、80 mm硅酸鋁棉、1.5 mm鋼板、60 mm玻璃棉、1 mm鋼板。根據隔聲質量定律[1]，可以計算出這種結構隔聲板對500 Hz聲波的隔聲量為40.1 dB。根據經驗，計權隔聲量和500 Hz 的隔聲量大致相等，因此該結構的計權隔聲量為40.1 dB。另外，3塊鋼板中共夾雜兩塊硅酸鋁棉吸聲材料，根據經驗和相同材料的現場實測結果，60 mm 厚硅酸鋁棉產生的附加隔聲量約為8 dB，80 mm 厚的硅酸鋁棉產生的附加隔聲量約為10 dB。綜合上述，三層復合隔聲板的理論隔聲量為58.1 dB。

隔噪工作間理論綜合隔聲量[2]為

根據上式，計算得到隔噪工作間的綜合理論隔聲量為56.5 dB。

考慮到內部混響對隔聲量的影響，隔聲工作間的綜合實際隔聲量為

其中：α為隔聲結構內表面的平均吸聲系數。

隔聲結構中玻璃棉主要起吸聲作用，60 mm 玻璃棉在500 Hz 倍頻程中心頻率處的平均吸聲系數約為0.75[3]，因此隔聲工作間的實際隔聲量為55.3 dB。

2.2 減振器的隔振效果計算

每個前端設備底部安裝有4 個隔振器，在隔振器選型時可將減振系統簡化成一個單自由度體系，選型步驟如下：

1）根據隔振效率β的要求，計算振動傳遞率η、隔振器的垂直剛度kz

2）計算需要隔振的前端設備重量W；

3）每個設備采用四點支承，計算每個隔振器應滿足的剛度和應承受的載荷

4）根據剛度和載荷計算結果以及允許安裝空間大小，選擇合適型號的隔振器。

根據上述計算，所有前端設備均采用無諧振峰減振器進行隔振，它是一種在規定的振動量級下無共振放大并可在沖擊（功能性沖擊和墜撞安全沖擊）、碰撞（顛振）、搖擺橫加速度、聲振和強沖擊等綜合力學環境下對電子設備進行有效保護的新型隔振器，在強沖擊下環境下能有效抑制共振，有效隔離連續沖擊，自身無有害的永久變形，主要動態特性指標無明顯下降[4-5]。

3 減振隔噪性能的驗證方法

3.1 隔噪性能驗證

在某運載火箭型號某次飛行試驗任務中，通過在前端設備工作間內、外布置噪聲傳感器，驗證工作間的隔噪效果。表1為前端設備間噪聲瞬態聲壓級測試數據。

表1 前端設備間內外噪聲測試數據/dB

總聲壓級計算公式

其中：L為總聲壓級，單位dB；L1、L2、…、L9 為各中心頻率下的聲壓，單位dB。

根據上式可計算出前端設備間內、外總聲壓級分別為173.5 dB、130.7 dB。因此，前置設備間的實際降噪效果約42.8 dB。與理論計算的隔聲量55.3 dB 相比，偏小22.6%。造成這種誤差的原因，主要是設備間外部噪聲測點位置的選取，導致未能獲得外部噪聲峰值數據。在后續型號飛行試驗中，應適當增加測點數量，并將設備間外部噪聲測點布置在理論預測噪聲最大位置。

3.2 減振性能驗證

在某運載火箭型號某次飛行試驗任務中，選取前端設備間內部4個機柜測量了減振前后的高頻振動、低頻振動。減振前測點安裝在機柜減振器與地面連接的轉接板上，減振后測點安裝在經減振器減振后的機柜上，如圖5所示。

圖5 振動測點安裝照片

參試機柜減振前后的高頻振動均方根（RMS）如表2所示。

表2 機柜減振前后RMS值

從表中可以看出，X向減振效果最明顯，減振后的RMS值約是減振前的25%；Y、Z向也有明顯的減振效果，減振后的RMS值約是減振前的50%。驗證了減振器對機柜的減振效果明顯。

4 結語

前端設備間通過發射平臺封閉鋼結構和其內部專業的減振隔噪工作間實現隔噪功能，在噪聲的傳播途徑上采取控制措施，綜合運用了隔聲技術、吸聲技術、消聲技術。前端設備減振采用被動減振措施，在每臺設備底部安裝獨立的減振平臺，衰減火箭發射時發射平臺振動帶來影響。這種減振、隔噪的設計過程、計算思路及試驗方法，為后續同類型結構產品的研制、生產及試驗提供幫助和借鑒。