運載火箭整流罩降噪技術研究進展

齊江龍，原 凱，陳雅曦，王明杰，張衛紅

（北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭整流罩用于保護衛星及其他有效載荷，可防止其受氣動力、氣動加熱以及聲振等有害環境的影響，是運載火箭的重要組成部分。根據美國NASA的一項統計，大約 60%的衛星發射失敗事故是由于運載火箭整流罩內的振動和噪聲過高而引起的，而整個衛星質量僅僅是使衛星能夠承受火箭發射和飛行過程中的振動和噪聲[1]。為了減輕運載火箭結構質量和改善整流罩的內噪聲環境，目前各國新型運載火箭整流罩多采用復合材料結構，如中國長征五號系列、美國的宇宙神5系列、歐洲的阿里安5系列、SpaceX的獵鷹9系列火箭等，整流罩蒙皮大多由雙層碳纖維面板和鋁合金蜂窩夾芯或類似結構組成，但內部噪聲環境仍然非常惡劣，某些型號整流罩內噪聲總聲壓級達到140 dB以上。隨著中國運載火箭飛行任務的增加及有效載荷形式的多樣化，火箭整流罩需要適應不同衛星平臺、結構布局和質量的變化，部分有效載荷對噪聲環境十分敏感，如大面積柔性天線、大型太陽電池陣、大口徑光學載荷等，因此改善火箭整流罩內的噪聲環境不僅能降低航天器故障率，同時能提升有效載荷的質量，對于衛星和火箭的設計、制造和發射都有重要意義。

整流罩的降噪技術可從是否有控制源方面分為被動（無源）噪聲控制和主動（有源）噪聲控制。被動噪聲控制以傳統的聲學控制方法為主，技術手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動的隔離與降低等，這些噪聲控制方法的機理在于使噪聲聲波與聲學材料或結構相互作用而消耗聲能，從而達到降低噪聲的目的。總體上講，傳統的被動噪聲控制方法對降低中高頻噪聲較為有效，而對降低低頻噪聲的作用不大或頻段很窄。相比之下，主動噪聲控制特別適合對低頻噪聲振動進行控制，但實際飛行中，整流罩內噪聲是寬頻帶且隨機的，要獲得有效的主動降噪效果，主動控制系統將會十分復雜，且需要具有很強的環境適應性。

本文總結了國內外整流罩降噪的主要方法及工程應用的研究進展，對被動噪聲控制技術和主動噪聲控制技術的幾種主要方法進行了詳細介紹，并提出了中國在該領域亟待解決的關鍵問題。

1 被動噪聲控制技術

為了改善火箭整流罩內的噪聲環境，國外學者設計了多種被動降噪方式，大致可分為吸聲毯、亥姆霍茲共鳴器、被動結構聲衰減裝置和聲阻抗失配技術等。針對傳統的降噪措施在低頻段效果較差且質量大的問題，20世紀90年代開始整流罩降噪技術的研究集中在減小整流罩內低頻聲壓級和降噪材料的質量優化方面，研究方向主要有改進聲學覆蓋層設計、可調節亥姆霍茲共鳴器、分布式吸振器、真空雙層殼體整流罩等。

1.1 吸聲毯

吸聲毯（Acoustic Blanket，AB）是火箭整流罩應用較早的降噪方法，通常由棉絮、玻璃纖維一類的多孔材料構成，可以從隔聲和吸聲2個方面實現對整流罩的降噪，但吸聲效果占主導作用。吸聲毯的吸聲機理首先是粘滯性和內摩擦作用，由于聲波在材料中傳播時的質點振動速度各不相同，使得相鄰質點間產生相互作用的粘滯力或內摩擦力，使聲能轉化為熱能；其次是熱傳導效應，由于聲波傳播時媒質質點的疏密程度不同，因而媒質溫度也各不相同，從而使相鄰質點間產生了熱量傳遞，使聲能不斷轉化為熱能，實現吸聲降噪的效果[2]。但由于質量和體積的限制，其有效降噪頻率區間一般在400 Hz以上。

傳統吸聲毯在國外的研究與應用已經有三十多年的歷史，1997年美國計劃使用大力神 4型火箭發射Cassini土星探測器，由于探測器使用的放射性同位素熱電電源對200 Hz和250 Hz兩個特定噪聲頻率比較敏感，NASA通過優化填充棉絮的厚度和密度以及引入玻璃纖維隔聲層，對原吸聲毯進行了改進，使其在特定頻率上的降噪效果得到3 dB的改善。盡管改進后的吸聲毯與原吸聲毯相比質量和體積都有所增加，但將特定頻率的整流罩內噪聲控制在電源能承受的范圍內，降低了電源改造費用[3]。波音公司在整流罩吸聲毯的設計中，采用硅粘合熱處理玻璃纖維與棉絮，并成功應用于德爾它4型運載火箭[4]。Slagle等[5]在泡沫材料中嵌入多個質量塊，通過控制單個質量塊的嵌入深度，使其具有多個諧振頻率，從而得到更寬的低頻降噪效果。孫目等[6]進行了整流罩無敷設工況下的噪聲實驗，采用統計能量法仿真分析了整流罩圓柱段內襯泡沫塑料的降噪效果。宋海洋等[7]應用VA One軟件建立某衛星整流罩的統計能量模型，對整流罩不同聲學處理效果進行分析比較，選出降噪效果較好的材料，得出多孔材料中密度、流阻、曲折因子、孔隙率和背后空氣層厚度對材料降噪效果的影響規律。任方等[8]采用三聚氰胺泡沫塑料吸聲材料開展了被動控制內聲場降噪方法的實驗和數值研究，應用統計能量法及混響室噪聲環境實驗，研究吸聲材料厚度、表面處理及布局方式對整流罩降噪性能影響規律。

1.2 亥姆霍茲共鳴器

亥姆霍茲共鳴器（Helmholtz Resonator，HR）是一種單孔共振吸聲結構，由密閉的空腔通過較小的孔頸與外部空間相連而成，當聲波入射時，孔頸中的氣柱體在聲波的作用下像活塞一樣做往復運動，與頸壁發生摩擦使聲能轉變為熱能而耗損，在共鳴器的固有頻率與外界聲波頻率一致時發生共振，這時孔頸中空氣柱振幅和振速達到最大，具有很強的吸聲能力。由于亥姆霍茲共鳴器對特定頻率具有明顯的降噪效果，因此常被用于整流罩的降噪，當其共振頻率與整流罩內空腔模態頻率相匹配時，可降低該模態在外部激勵下的響應峰值，有效改善整流罩內噪聲環境。

Lane等[9]將亥姆霍茲共鳴器引入到整流罩空腔夾芯結構的設計中，以空腔夾芯殼體結構為研究對象，在空腔夾層結構中沿軸向布置一系列復合材料管，并在軸向復合材料管的兩端面向殼體內部聲腔開孔，通過在管中不同位置布置泡沫塞，構成一系列聲學共鳴器。Bielak等[10]設計了一種分布陣列亥姆霍茲共鳴器的多層多孔板結構，拓寬了低頻消聲降噪的頻率范圍。洛克希德馬丁公司[11]采用金屬薄片包覆吸聲泡沫，并在其上陣列多個亥姆霍茲共鳴器組成消聲單元板，鋪設于整流罩內表面，取得良好的降噪效果，成功應用于多次發生任務，圖1為用于發射X-37B的宇宙神5火箭整流罩，其內表面大量使用了該消聲單元。

圖1 發射X-37B的宇宙神5火箭整流罩Fig.1 Atlas V Vehicle Fairing to Launch X-37B

榮吉利等[12]應用虛擬阻抗管法分析了亥姆霍茲共鳴器共振頻率及吸聲系數與其壁面厚度的變化關系，并研究得出不同安裝位置對圓柱空腔內平均聲壓級的影響可達10 dB以上，在工程應用中應將其放置于空腔模態振幅較大的位置。原凱等[13]對亥姆霍茲共鳴器的聲學共振頻率表達式進行了推導，可為亥姆霍茲共鳴器的降噪設計提供理論依據。

1.3 被動結構聲衰減

波音公司的 Osman等[14]提出一種分布式吸振器（Distributed Vibration Absorber，DVA）用以進行整流罩的聲學優化，將薄鋁板粘合在聚氨酯泡沫材料上層，近似等效為一個單自由度的彈簧質量系統，該裝置結合了泡沫材料高頻降噪和動力吸振器低頻減振能力，具有一定的寬頻降噪效果。Esteve等[15]研究了將DVA和 HR同時布置于整流罩內，將聲學控制和結構控制相結合用以減小整流罩內噪聲。Zheng等[16]通過優化被動約束層阻尼（Passive Constrained Layer Damping，PCLD）來控制圓柱殼的振動，在控制振動的同時還優化了其結構參數和敷設方式，用最好最少的聲學材料到達最優減振降噪的效果。

1.4 聲阻抗失配

Eaton等[17]將整流罩內部空間充滿氦氣，利用氦氣和空氣的聲阻抗突變來減小外噪聲的向內傳播，從而改善整流罩內聲場。試驗得出該方法在全頻率范圍內都有良好的降噪效果，整流罩內聲場總聲壓級降低10 dB左右，但是會引起部分結構的振動增強。Griffin等[18]提出一種整流罩真空雙層殼體的降噪方案，利用將兩殼體的間隙抽成真空或臨界真空狀態，實現聲阻抗失配。設計了將內殼體彈性懸掛于外殼體的驗證性試驗，其真空層有效地阻隔了聲波傳遞，對于穿透性較強的中低頻噪聲降噪效果尤其明顯，在0～200 Hz范圍內殼體內聲場總聲壓級降低19 dB以上，但由于該方案技術復雜，在工程應用上還存在較大困難。

2 主動噪聲控制技術

主動噪聲控制可分為有源聲控制（Active Noise Control，ANC）和結構聲主動控制（Active Structural Acoustic Control，ASAC）。與被動控制相比，主動控制適合對空間的低頻噪聲和結構的低頻振動進行控制，具有環境適應能力強、系統更輕便的特點。

2.1 有源聲控制

在有源聲控制中，前饋式有源聲控制應用較為廣泛，其原理如圖2所示，初始傳感器采集原噪聲信號，送入主動噪聲控制器中進行分析并發出控制信號，揚聲器作為次級聲源發出一個與原噪聲幅值相等、相位相反的聲波，兩聲波發生相消干涉，達到降低噪聲的目的，誤差傳感器可采集未抵消完全的噪聲送入控制器進行再控制[19]。

圖2 前饋式有源聲控制原理Fig.2 Feedforward Active Acoustic Control Principle

運載火箭實際起飛和飛行過程中，整流罩的外噪聲通過透射和結構共振的傳播轉變為整流罩的內噪聲，具有非線性、隨機和寬頻帶的特點，要求有源聲控制的自適應算法兼具較快的收斂速度性和良好的穩定；同時，對于整流罩這種復雜空間的噪聲控制，單通道主動控制系統可能不能滿足要求，需要多個次級作動器和誤差傳感器來擴大降噪范圍，提高控制效果，這時就需要考慮設計多通道主動控制算法。20世紀80年代開始，隨著超大規模集成電路技術和微處理機技術的進步，主動控制技術也得到迅速發展。Mark等[20]采用自適應反饋控制和廣義預測控制，對整流罩進行了主動噪聲控制研究，使內噪聲一階模態降低6 dB，總聲壓級降低2～3 dB。Kemp等[21]為減小整流罩內的低頻振蕩噪聲，將主動調諧揚聲器安裝在整流罩頭錐處，能夠有效抑制整流罩內聲場的前兩階縱向模態。2003年，VALPE-2探空火箭在飛行試驗中采用了自適應聲振衰減裝置，其安裝于整流罩頭錐處來控制整流罩內低頻噪聲，安裝位置及降噪效果如圖3所示，通過與VALPE-1飛行試驗結果對比得出整流罩內噪聲在20～300 Hz范圍內的總聲壓級減小8.8 dB。

圖3 自適應聲振衰減位置Fig.3 Adaptive Vibro-acoustic Attenuation Device

續圖3

2.2 結構聲主動控制

結構聲主動控制的概念由美國弗吉尼亞理工大學的Fuller在20世紀80年代中期提出[22]，是有源聲控制（ANC）與振動主動控制（Active Vibration Control，AVC）的有機結合，通過作動器（如激振器、壓電陶瓷等）來有效抑制結構聲輻射。新型運載火箭整流罩大多采用較薄的復合材料外殼，其內聲場具有很強的結構-聲耦合效應，使得ASAC能夠在低頻段對整流罩內噪聲發揮明顯的抑制效果。。

1998年，NASA Langley研究中心進行了機艙內部噪聲的ASAC控制技術研究[23]，開啟了結構聲主動控制方法研究的大門。1999年，美國空軍研究實驗室對一次性使用火箭STARS的全尺寸復合整流罩進行了測試并建立了結構聲模型，采用結構傳感器、聲傳感器反饋來減小傳入整流罩內部的聲能量，將陶瓷壓電片等智能材料作為結構聲控制的作動器貼在整流罩壁上，試驗結果表明，聲場在150 Hz以下和180 Hz處主動控制的降噪效果明顯[24]。

2001年，Fuller[25]開發了一種新型結構作動器——分布式主動吸振器（Distributed Active Vibration Absorber，DAVA），具有小型、輕質、功耗小和高輸出等優點，由多孔泡沫、PVDF薄膜和質量層組成，實現了275 Hz頻率處的主動降噪，同時結合吸聲材料的主被動一體化設計在200～800 Hz范圍內聲功率降低18 dB。Lane等[26]采用DAVA作動器進行復合材料整流罩內噪聲結構聲主動控制的驗證，實現了在 70～200 Hz頻率范圍內整流罩內噪聲減小5 dB，在共振頻率處降噪效果達到10 dB。Stephen等[27]為了降低火箭起飛時在 60～250 Hz中低頻范圍內的高聲壓級噪聲，將低頻效果良好的電磁激勵裝置融入到 DAVA設計中。

3 結束語

對國內外運載火箭整流罩降噪技術的原理和工程應用進行了總結分析，國外在整流罩降噪技術方面日趨成熟，已經在部分運載型號中有所應用，而中國在該領域仍有一定差距，特別是低頻噪聲的降噪技術還處于探索階段。隨著中國各新型運載火箭及其精密有效載荷的不斷出現，工程上對整流罩降噪水平提升的需求越來越緊迫。根據目前的研究能力和未來的工程需要，對整流罩降噪技術的發展提出以下建議：

a）多種降噪方式的綜合運用。

運載火箭在發射和飛行過程中，整流罩內聲場是復雜且嚴酷的隨機寬頻噪聲，單一的降噪方式很難取得良好的效果。采用吸聲毯、亥姆霍茲共鳴器等方式實現特定頻段的大幅降噪，采取“以聲消聲”的ANC技術來抑制直接進入整流罩內的透射聲，采用控制火箭結構振動聲輻射的 ASAC技術控制整流罩的輻射聲，同時，針對不同有效載荷的特殊需求，靈活搭配以多種降噪方式，實現對運載火箭整流罩聲振環境的有效改善，提高可靠性，降低發射失敗的風險。

b）與整流罩回收技術相結合。

整流罩降噪技術的應用，必然導致整流罩整體質量的增加與有效載荷質量的下降，同時被動降噪技術和主動降噪技術都會大幅提高整流罩的造價。受SpaceX公司獵鷹9整流罩回收嘗試的啟發，將整流罩降噪技術與回收技術相結合，會在一定程度上抵消整流罩質量和成本增加帶來的弊端，促進整流罩降噪技術的研究與應用。

c）優化整流罩氣動外形。

中國現有運載火箭的頭部整流罩外形基本是鈍頭+單錐/雙錐外形，這種形狀的優點是容積大、制造工藝簡單，但會影響火箭的氣動特性。國外現役新研整流罩頭部錐段越來越多地采用具有較優氣動外形的光滑曲母線的截錐體，氣動載荷分布沿箭體軸向分布變化平緩，由于該外形從頭部到柱段基本上是光滑過渡，因此也具有較小的跨聲速脈動壓力，從而可改善火箭的氣動噪聲。因此優化火箭氣動外形，降低整流罩的氣動噪聲，可以從根源上解決整流罩的降噪問題。

d）將良好的整流罩內噪聲環境作為競爭優勢。

在中國航天領域軍民融合的趨勢下，一大批民營航天企業迅速崛起，商業航天市場化的競爭環境中，運載火箭的市場競爭絕不僅僅體現在低廉的價格上，更體現在高可靠性和優質的服務上，而提供良好的整流罩內噪聲環境是其中非常重要的組成部分，因此，進行整流罩的聲學優化將在市場競爭中占據更大的優勢。