基于航天貯箱窄小間隙結構的多余物防控研究

王渭平 程 曉 李 力 羅 旭

（1.四川航天長征裝備制造有限公司，成都 636371；2.火箭軍裝備部駐成都地區第一軍事代表室，成都 610100）

世界航天正逐步向航天技術與互聯網、物聯網等深度融合的新趨勢發展[1]。截至2021年，SpaceX公司星鏈計劃完成近2000顆衛星發射，我國全球低軌衛星移動通信與空間互聯網系統“鴻燕”星座于2018年完成“一箭七星”發射。發射需求的變化對運載工具提出了高可靠性、低成本及快速響應等新要求。運載火箭主要由箭體結構、推進系統、控制系統、飛行測量、安全系統以及發射支持系統等組成，其中貯箱、管路、閥門、管路及發動機等組成的推進系統可為火箭載荷到達預定軌道提供飛行動力[2]。據統計，1990—2015年，127起火箭發射故障統計表明，因推進系統導致發射故障的事故占51%，其中多余物是導致推進系統故障的重要因素[3]。多余物直接關乎一發箭、一枚彈、一顆星發射成敗，會降低航天器工作可靠性，給航天產品發射造成質量事故隱患。因此，采取有效手段控制和清除航天產品發射前各階段多余物，是目前各國提升航天產品服役可靠性的重點工作。

文章研究了火箭推進系統的貯箱多余物防控和清理，提出一種貯箱窄小間隙結構多余物主動清理方法，并取得了極好的應用效果，彌補了現有多余物防控工藝方法的不足，從根本上消除了火箭推進系統服役隱患，提升了火箭發射的可靠性。

1 多余物種類和危害

根據《航天產品多余物預防和控制》（QJ 2850A— 2011），多余物是指產品中存在由外部進入或內部產生的與產品規定狀態不符的物質。航天產品作為一個復雜巨系統，從單機/系統加工裝配、試驗/調試到系統總裝集成過程，制造工藝鏈條長，配套單機/子系統多，生產保障資源要素多，導致多余物種類繁多。按尺度，多余物可分為宏觀多余物和微觀多余物；按材質，多余物可分為金屬多余物、非金屬多余物、生物化學多余物及有害氣體多余物；按來源，多余物可分為本體多余物和環節顆粒多余物[4-5]。

多余物產生的危害后果一般可分為3類，分別是一般多余物、嚴重多余物及致命多余物。多余物的存在對箭體可靠性會產生直接影響。人類航天史上因多余物引發的失利案例，如表1所示。此外，多余物大或小都可能引發單機/系統甚至星箭俱毀[6]。

表1 多余物導致航天任務失利案例

2 多余物產生和防控

作為一個復雜巨系統，航天產品多余物的產生環節和因素多。表2和表3分別為多余物產生環節和產生因素及其對應的防控原則。設計、工藝、加工制造、裝配測試、包裝運輸、貯存、飛行試驗、人員、設備、環境、材料/配套、操作以及檢驗等，均可能產生多余物。因此，預防與控制是一個持續完善的過程，需結合產品特點，制定針對性的多余物控制管理流程、方法及程序，健全預防和控制多余物的手段和硬件基礎，完善各級人員多余物預防控制職責，并將其納入質量管理體系，持續循環地改進策劃、實施、檢測、處置，才能做好多余物預防和控制。

表2 多余物產生環節及其防控

表3 多余物產生因素及其防控

3 貯箱窄小間隙結構多余物清理

運載火箭主要由多個燃料貯箱、管路系統、發動機及控制測量設備等組成。典型貯箱結構如圖1所示。它由筒段、封頭、管路及若干法蘭組裝焊接而成。貯箱材質為2A14和2219鋁合金，厚度為3.5～ 10.0 mm。由于貯箱結構復雜，制造涉及機械加工、焊接、鉚接、黏結、噴涂、裝配以及試驗等多工藝流程，因此多余物產出環節多。同時，貯箱承載的推進劑介質為火箭飛行提供充足動力的過程中，多余物的存在可能引起導管、閥門甚至發動機出現故障，最終導致發射暫停甚至星箭俱毀。

3.1 貯箱多余物產生和防控

運載火箭貯箱內部除人為遺留多余物（工具、標準件、耗材等）外，最常見的多余物為金屬多余物。人為遺留多余物可以通過體系化的作業過程防控，而金屬多余物控制難度大且不易徹底清除。出現這種現象主要有兩方面原因：一方面是貯箱制造設計銑削、打磨、焊接及鉚接等制造工藝，均會產生大量金屬多余物，尤其是在貯箱內部需進行鉚接和打磨等作業；另一方面是貯箱結構設計上存在大量留存和夾雜多余物的部位/縫隙，如貯箱內部存在的點焊/鉚接件和管路安裝/裝夾部位、貯箱外部的封頭與筒段連接部位和支架部位等。當前，對于貯箱多余物清理問題，美國和俄羅斯等主要采用自動化清理技術，而我國運載火箭貯箱多余物控制方式仍主要采用人工清理方式，跟蹤開發多余物自動化清理和評價技術。國內外貯箱多余物清理對比如表4所示。

表4 國內外貯箱多余物清理對比

3.2 窄小間隙結構多余物清理

目前，現有人工清理方式（擦、挑、敲、吹、吸、貼、看等）+目視檢查多余物清理方式，主要是針對貯箱內部窄小間隙結構。貯箱內部窄小間隙結構，如圖2（a）和圖2（b）所示。貯箱內部的點焊角片、板條、鉚接支耳及防晃板等位置，有大量窄小間隙結構（0.02～2.00 mm）。這些間隙部位在貯箱制造過程中極易留存銑削、打磨、清洗過程中產生的碎屑等金屬多余物。針對這些金屬多余物，通常采用檢查+敲、振、吹、吸等方式清理。金屬多余物清除是否干凈僅能通過反復檢查的定性方式評價，缺乏定量評價手段。諸多閥門泄漏或火箭射前終止事件表明，現有貯箱金屬多余物防控手段不能徹底消除金屬多余物。相關人員檢查某泄漏閥門發現，在其密封面存在金屬多余物，如圖2（c）和圖2（d）所示。經分析，貯箱體清理時，使用的金屬刷在打磨過程中掉落的金屬絲可能會進入貯箱內部窄小間隙內部而未被發現，后續隨著推進劑進入管路和閥門，最終在閥門密封面產生 泄漏。

為有效防控貯箱內部窄小間隙結構金屬多余物，通過大量探索和工藝試驗，文章提出定量且成本低的評價方法——金屬多余物無損檢測成像評價法。根據金屬材料特性差異和無損探傷射線原理，當窄小間隙結構內部存在金屬多余物時，無損探測射線將在底片上形成不同形貌影像，并根據影像可以定量判斷金屬多余物所在的部位、數量及形狀是否清理干凈。無損射線透照下不同金屬多余物形貌如圖3所示。圖3中圈內亮色線條正是貯箱內部窄小間隙結構內存在的金屬多余物在射線透照下形成的不同形貌。

根據無損透照底片，結合人工多余物清理手段（擦、挑、敲、吹、吸、貼、看等），可從根本上消除貯箱內部窄小間隙結構存在的“頑固”金屬多余物，定量消除貯箱內部金屬多余物。采用此方法清除的典型窄小間隙存在的“頑固”金屬多余物，如圖4所示。

金屬多余物無損檢測成像評價法對不同貯箱和貯箱不同部位，涉及不同的無損射線透照方式、透照參數及工藝裝備等。為了前置多余物發現時機、減小無損透照次數，金屬多余物無損檢測成像評價法可與貯箱制造過程中焊接/點焊質量評價過程結合，實現焊縫質量評價，完成窄小結構金屬多余物的定量評價。評價完成后，相關人員對窄小間隙結構采取“間隙封閉”保護措施，避免后續在試驗、清洗及裝配等過程中多余物再次進入窄小間隙結構，從而消除金屬多余物帶來的火箭發生風險。

4 結語

多余物防控是提升火箭可靠性持續關注的重點。文章從種類、危害、產生及防控等方面進行系統探討總結，同時對窄小間隙結構，通過長期摸索試驗提出金屬多余物定量評價方法。但是，目前國內航天產品多余物防控手段整體上主要依賴人工手段，急需跟蹤國外先進多余物自動化清理技術和評價手段，在國內航天產品制造單位建立新一代多余物清理和評價體系，才能從根本上解決日益高密度的航天活動與追求高可靠性航天產品產生的矛盾。