付繼偉，陳 曦，葉志鵬，韓 松，洪 蓓

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

為了滿足任務(wù)需求，火箭發(fā)射往往需要在規(guī)定的時間窗口將載荷送入預(yù)定軌道。但是如果在預(yù)定的發(fā)射窗口遭遇短時強天氣，就會給飛行帶來一定風(fēng)險。

本文分析了火箭對幾種典型短時強天氣環(huán)境適應(yīng)性，開展了易損性分析，給出了國內(nèi)外各個領(lǐng)域雷電防護研究現(xiàn)狀，并對發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性進行了展望。

1 雷電與火箭的適應(yīng)性

1.1 雷電環(huán)境對火箭效應(yīng)

在中國的南部地區(qū)不少地方每平方公里落雷年數(shù)量均可達4次以上。在華南、西南相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，年均雷暴日數(shù)在50日以上，部分地區(qū)甚至超過100日。以上是地閃的密度分布。運載火箭，尤其是其尾焰還具有誘發(fā)雷電的機理，根據(jù)NASA的研究，火箭在空中電場僅為15 kV/m時即可能誘發(fā)雷電[2]。

雷電對火箭的破壞效應(yīng)主要包括直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[3]。直接效應(yīng)包括高電壓效應(yīng)、峰值電流效應(yīng)和電荷積累效應(yīng)。間接效應(yīng)包括電場的穿透效應(yīng)、磁場的穿透效應(yīng)、射頻干擾效應(yīng)和電磁脈沖效應(yīng)。其中，高電壓效應(yīng)指雷擊時產(chǎn)生的高電壓破壞火箭的絕緣并使電子元件失效，形成擊穿、穿孔、破裂和變形，產(chǎn)生的電火花引爆火工品和易燃、易爆推進劑；峰值電流效應(yīng)指雷電擊中火箭時產(chǎn)生的機械應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件彎曲、變形甚至破裂；電荷積累效應(yīng)指雷電流在局部產(chǎn)生巨大的熱量，將金屬燒蝕、熔化；電場和磁場的穿透效應(yīng)指雷電流產(chǎn)生電磁場進入火箭電纜內(nèi)部，產(chǎn)生感應(yīng)電壓、電流損壞電子設(shè)備；射頻干擾和電磁脈沖效應(yīng)指雷擊時產(chǎn)生的低頻、高頻、甚高頻電磁輻射對箭上MOS器件產(chǎn)生損害。

飛行器誘發(fā)雷電以雙向先導(dǎo)為主[4]。盡管飛機的雷電防護已經(jīng)取得了大量成就，但是火箭的雷電防護具有自身的特點，不能直接沿用飛機的防護方案：

a）箭體表面具有較厚的防熱涂層，而飛機表面僅有薄漆。防熱層導(dǎo)致雷電擊中火箭后駐留時間長、注入能量大。此外，火箭的生產(chǎn)工藝決定了無法像飛機復(fù)材一樣表面熱壓銅網(wǎng)，這是火箭雷電防護面臨的最大挑戰(zhàn)。

b）整流罩的雷電防護雖然可以借鑒飛機雷達罩采用的導(dǎo)流條防護方案，但機理差別很大。

c）火箭存在豎直飛行段，雷電電弧停留在火箭頭部時間較長，產(chǎn)生極大的燒蝕能量，導(dǎo)致火箭面臨的雷電環(huán)境條件與飛機具有顯著區(qū)別。

d）火箭上安裝有大量分離、自毀使用的火工品，需要確保在雷擊過程中不失效、不殉爆。

1.2 火箭的雷電防護研究進展

中國航天科研工作者結(jié)合國情，在雷電防護領(lǐng)域進行了大量的工作，提出了分級保護、整體防雷的理論體系，即：整體防雷保護應(yīng)該是外部防雷、內(nèi)部避雷過壓保護和接地技術(shù)的統(tǒng)一體。在具體技術(shù)措施上可歸納為：均壓（等電位）-分流-屏蔽-接地技術(shù)，這是避雷保護中最重要和最有效的4個要素?；鸺姆览自O(shè)計也基于此4個要素開展，穆元良等總結(jié)了火箭發(fā)射時防雷設(shè)計原則是用最小的代價取得最好的效果，采用系統(tǒng)工程方法，實施“躲”、“防”、“扛”。“躲”即通過雷電預(yù)警系統(tǒng)對發(fā)射場雷擊進行預(yù)報（以便火箭實施針對性的防護）并選擇發(fā)射時機使火箭升空時避開雷擊。對于雷電天氣的監(jiān)測預(yù)警，一般會在發(fā)射場建立一套由天氣雷達數(shù)字化處理系統(tǒng)、衛(wèi)星云圖數(shù)字化處理系統(tǒng)、地面電場儀系統(tǒng)、雷電探測系統(tǒng)、閃光定位系統(tǒng)、中心工作站等7個部分組成的雷電氣象監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)；“防”即確?；鸺诎l(fā)射準(zhǔn)備階段地面防雷設(shè)施能使火箭免遭直接雷擊；“扛”即在發(fā)射場遭受雷擊、避雷針通過雷擊電流時，火箭能承受雷電流產(chǎn)生的間接效應(yīng)而不損壞。目前，中國的火箭在發(fā)射場設(shè)置的直擊雷防護裝置主要還是以固定式避雷裝置為主，其設(shè)計與航天發(fā)射場設(shè)計相似，同時設(shè)置均壓接地網(wǎng)和雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。例如某衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射工位設(shè)置了3座獨立避雷塔。每兩座避雷塔之間的保護角度均不大于45°，并由這3座獨立的避雷塔構(gòu)成發(fā)射場區(qū)的避雷網(wǎng)系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代早期的研制試驗中，中國對儀器艙進行了電爆管直擊雷模擬試驗，對儀器艙、電爆管、殼體結(jié)構(gòu)分別開展了沖擊電流試驗和沖擊電壓試驗。在20世紀(jì)90年代，中國制定了GJB1804-93《運載火箭雷電防護》，對火箭的防雷設(shè)計提出了整體要求，同時也規(guī)定了場地防雷、氣象防雷的具體要求和方法。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定體現(xiàn)了中國對于雷電防護工作的重視。而飛行中的火箭要能“扛”住雷電，就需要進行對結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)的防護和對電氣設(shè)備間接效應(yīng)的防護[2]。

a）火箭結(jié)構(gòu)的雷電防護。

結(jié)構(gòu)的雷電防護可以進一步分為通過導(dǎo)流條引導(dǎo)雷擊點，和采取手段使結(jié)構(gòu)能夠承受電弧燒蝕這兩種技術(shù)手段。

對于通過導(dǎo)流條引導(dǎo)雷擊點的手段，現(xiàn)有的導(dǎo)流條研究，基本均以飛機雷達罩為應(yīng)用背景，探討在絕緣體殼段外使用導(dǎo)流條防護的設(shè)計方法。導(dǎo)流條在飛機上廣泛用于雷達罩等絕緣體殼段的雷電防護。導(dǎo)流條可分為連續(xù)式或斷續(xù)式[5]。在強電場的作用下，導(dǎo)流條表面電暈的產(chǎn)生、流注的發(fā)展，直至放電先導(dǎo)的形成，整個過程較為復(fù)雜。雷電附著點研究大多集中于電力領(lǐng)域?qū)Ρ芾揍槨⒈芾拙€等結(jié)構(gòu)的研究[6]。但也有學(xué)者研究了導(dǎo)流條上放電先導(dǎo)的產(chǎn)生規(guī)律。Kawabata等使用了FDTD方法研究了導(dǎo)流條的保護區(qū)域[7]，重點進行了電暈發(fā)生前的靜電場仿真，通過假定電場閾值，來確定受保護的區(qū)域。Ulmann等人基于試驗的方法研究了導(dǎo)流條在實際應(yīng)用的許多問題，包括環(huán)境濕度的影響，天線罩內(nèi)部導(dǎo)體的影響等[8]。在試驗研究的基礎(chǔ)上，Delannoy進一步提出了導(dǎo)流條上雷電放電先導(dǎo)產(chǎn)生的數(shù)值模型，并使用該模型研究了導(dǎo)流條高度的優(yōu)化方法[9]。傳統(tǒng)的導(dǎo)流條研究僅針對飛機雷達罩等絕緣殼段的防護。而在火箭導(dǎo)體、絕緣體雙層結(jié)構(gòu)外使用導(dǎo)流條，與飛機在單層絕緣體表面外使用導(dǎo)流條，其機理有明顯差異，目前尚無相應(yīng)的理論或模型支撐。北京宇航系統(tǒng)工程研究所近年來研究了在帶防熱的殼體表面使用導(dǎo)流條的設(shè)計技術(shù)，并在試片級開展了數(shù)百次高電壓放電，積累了一定設(shè)計經(jīng)驗和有效數(shù)據(jù)。

而對于抗電弧燒蝕的防護方法，目前公開文獻上鮮有針對固體火箭的雷電防護解決方案。飛機針對碳纖維復(fù)合材料等導(dǎo)電殼段，一般在復(fù)合材料熱壓成形過程在表面壓入一層金屬網(wǎng)，通過降低表面電阻率減小焦耳熱以減輕雷電電弧燒蝕[10]。固體火箭表面具有的防熱涂層，生產(chǎn)工藝決定了無法像飛機復(fù)材一樣表面熱壓銅網(wǎng)，這是火箭雷電防護面臨的最大挑戰(zhàn)。近年來，北京宇航系統(tǒng)工程研究所和航天材料與工藝研究所開展了基于涂層的防熱層抗雷電電弧燒蝕防護技術(shù)研究，并完成了艙段級驗證試驗，驗證了通過誘發(fā)等離子體分散雷電電流從而避免電弧燒蝕的可行性。

b）火箭電氣系統(tǒng)的雷電防護。

美國、前蘇聯(lián)、歐洲、日本在電氣設(shè)備防雷設(shè)計與應(yīng)用方面的研究相對比較深入。中國近年來也開展了相應(yīng)研究。余志勇等對使用不同材料的飛機的內(nèi)部線纜進行了雷電耦合電流進行了仿真計算，對數(shù)據(jù)結(jié)果進行了對比，得出了金屬飛機能夠提供較好的屏蔽效果的結(jié)論[11]；趙玉龍等對某個型號的火箭通過有限元算法進行了仿真計算，對不同放電間隙和雷擊方位下的結(jié)果進行了對比分析[12]；高成等搭建了飛機初始雷擊附著位置的仿真環(huán)境，采用閾值劃分的方法成功確立了A-320客機的初始雷擊附著位置[13]；陳曉寧等采用同樣的方法確立了UH-60直升機的初始雷擊附著區(qū)域[14]；郭飛等采用直接注入雷電流的方式，對某小型客機進行了雷電間接效應(yīng)的研究，著重分析了機體內(nèi)外電磁場分布以及線纜耦合干擾大小[15]。

在電氣防護方面，北京宇航系統(tǒng)工程研究所開展了直擊雷電間接效應(yīng)環(huán)境測量試驗，通過從箭體外殼注入脈沖電流，首次獲取了火箭內(nèi)的電磁環(huán)境；除此之外，還完成了飛控計算機樣機等一批設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗，初步驗證了箭上關(guān)鍵單機雷電防護方案，為未來掌握雷電火箭的綜合雷電防護技術(shù)提供了有力支撐。

2 大風(fēng)與火箭的適應(yīng)性

2.1 火箭面臨的地面大風(fēng)環(huán)境分析

氣象學(xué)上一般將平均風(fēng)速達到6級及以上（不小于10.8 m/s）的風(fēng)稱為大風(fēng)。根據(jù)對1961～2010年地面氣象站大風(fēng)觀測資料的分析[16]，中國大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)出西多東少的分布特點。青藏高原地區(qū)出現(xiàn)的大風(fēng)天氣較為集中，而內(nèi)蒙古地區(qū)的大風(fēng)天氣較為分散。青藏高原地區(qū)大風(fēng)集中期出現(xiàn)最早，而東南沿海地區(qū)大風(fēng)集中期出現(xiàn)最晚。近50年以來，中國大部分地區(qū)的平均風(fēng)速具有明顯的減弱趨勢，齊魯?shù)貐^(qū)平均風(fēng)速減弱最為明顯。全國范圍內(nèi)的大風(fēng)日數(shù)也有減少的變化趨勢，其中青藏高原地區(qū)減少趨勢最為顯著。但大風(fēng)的集中度均有增加的趨勢，其中東南沿海地區(qū)增加最顯著，內(nèi)蒙古地區(qū)和華北地區(qū)也有顯著增加的趨勢。中國絕大多數(shù)地區(qū)6級以上大風(fēng)的日數(shù)均在40天以下。

而對于中國的強大風(fēng)（風(fēng)速≥25 m/s）主要發(fā)生在中東部地區(qū)[16]。在月分布上則集中在4～8月之間，峰值月份一般出現(xiàn)在6月。一般從3月份起，大風(fēng)開始在西南、華南地區(qū)出現(xiàn)，4月北進入華中、華東地區(qū)，到5月則北進到了華北、東北和西北地區(qū)。大風(fēng)的日變化主要呈現(xiàn)單峰的分布，峰值時間在傍晚的17～18時（北京時間）。如果僅從發(fā)生次數(shù)（不考慮持續(xù)時間）上看，強大風(fēng)的年次數(shù)是很低的，在某一地區(qū)平均年發(fā)生次數(shù)僅為個位數(shù)。

2.2 火箭對地面大風(fēng)環(huán)境適應(yīng)性分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，固體火箭在設(shè)計中考慮了對地面風(fēng)速的適應(yīng)性，一般來說，在22.5 m/s以下的風(fēng)速下均可發(fā)射，而在22.5 m/s以上的極高風(fēng)速下，不同的火箭也可根據(jù)自身特點進行相應(yīng)的姿控穩(wěn)定性分析，相當(dāng)一部分火箭仍有一定裕量。

3 強降水與火箭的適應(yīng)性

3.1 火箭面臨的強降水環(huán)境分析

中國短時強降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域為華南，其次為云南南部、四川盆地、貴州南部、江西和長江中下游等，最大短時降水強度可超過180 mm/h[17]。

從月際變化來看，7月短時強降水事件最活躍，其次為8月。逐侯的變化顯示，短時強降水事件具有顯著的間歇性發(fā)展特征，但總體上呈現(xiàn)緩慢增強、迅速減弱的特點，并以7月的第4侯最為活躍[17]。

3.2 火箭對強降水環(huán)境適應(yīng)性分析

液體火箭由于長時間豎立在發(fā)射臺，包括由于低溫推進劑帶來的水汽凝結(jié)現(xiàn)象，在防水設(shè)計上具有豐富的經(jīng)驗，近年來還開始采用了疏水材料[18]，進一步提高火箭的防雨性能。固體火箭在發(fā)射前由于保溫等原因一般有良好的防護，并不長時間暴露在降水中。在飛行中，火箭箭體結(jié)構(gòu)強度對降水并不敏感，而且基于防熱的考慮，火箭除個別泄壓孔外，大部分孔縫都通過防熱涂料進行了密封，對短時淋雨具有良好的耐受性。

相對而言，降水給地面設(shè)備和發(fā)射裝置帶來的挑戰(zhàn)更多，包括密封性和抗積水等等方面。雖然目前火箭一般是以中雨作為發(fā)射條件，但對于更強的降雨，在工程上有望通過良好的設(shè)計，具有更好適應(yīng)性。

4 降雹與火箭的適應(yīng)性

中國的降雹從頻率方面看主要發(fā)生在高山地區(qū)和北部平原[19]。這造成了中國北部地區(qū)的降雹頻率通常要高于南部地區(qū)。而降雹頻率的最大值出現(xiàn)在青藏高原的中部。在季節(jié)變化上，中國北部和西部地區(qū)的降雹季節(jié)一般始于春末，止于初秋；而中國南部和西南部地區(qū)的降雹季節(jié)則始于春季。在日變化上，中國大部分地區(qū)的降雹事件主要發(fā)生于15時到20時，但在貴州和湖北地區(qū)，降雹則經(jīng)常發(fā)生在夜間。

從降雹的累積持續(xù)時間角度分析，降雹累積持續(xù)時間與海拔高度呈現(xiàn)較高的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達0.99。降雹累積持續(xù)時間的最大值出現(xiàn)在青藏高原地區(qū)，持續(xù)時間高達250 min；其次為內(nèi)蒙古中部以及東北部山區(qū)，累積持續(xù)時間約為150 min。單次降雹持續(xù)時間的日變化明顯，午后至夜間出現(xiàn)的冰雹持續(xù)時間長于凌晨和上午的持續(xù)時間，持續(xù)時間峰值出現(xiàn)在 17時和18時。

由于冰雹的尺寸大小差異很大，因此對于火箭的影響也難以進行估計。一般而言，采用防熱涂層等軟質(zhì)防熱材料的火箭整流罩耐受性較差，而采用防熱套的結(jié)構(gòu)冰雹耐受性較強。但即使不考慮冰雹強度，最長降雹時間僅占全年總時間的0.47‰，對發(fā)射時間的影響較小。

5 結(jié)束語

火箭的短時強天氣適應(yīng)性是交叉學(xué)科問題，涉及到箭體結(jié)構(gòu)、電磁、氣動、材料等多專業(yè)深度耦合的問題，涉及從總體到設(shè)備和材料的各個層級。本文分析了各種強天氣的發(fā)生概率和火箭的適應(yīng)性。固體火箭對大風(fēng)和強降雨的適應(yīng)性從機理上是比較好的，超出其適應(yīng)范圍的強天氣發(fā)生概率是較低的。而對于其它天氣現(xiàn)象，例如雷擊和冰雹則相對容易導(dǎo)致未加固的固體火箭飛行失敗。

從發(fā)射準(zhǔn)則的角度，短時強天氣可以分為兩類，一類是像大風(fēng)、強降水和冰雹等易于觀測天氣，操作人員比較容易識別并采取措施，因此，這類天氣可以從年累計發(fā)生時長的角度考慮發(fā)射推遲的可能性，從而概率往往是比較低的。而另一類天氣是雷電這類難于觀測的天氣，即使在有全航區(qū)的空中電場的條件上做出準(zhǔn)確預(yù)報都是較難的，何況在實際任務(wù)中，操作人員手中往往只有發(fā)射點位被地面電荷層屏蔽的地面電場。因此，基于安全性的角度，容易形成在只要出現(xiàn)雷雨天氣下就推遲發(fā)射的準(zhǔn)則，這就導(dǎo)致任務(wù)推遲的概率顯著增加。所以，本文重點分析了火箭雷電防護的特點，給出了火箭雷電防護研究現(xiàn)狀，指出了目前待解決的關(guān)鍵問題，以期未來能提高中國火箭對于全天候的適應(yīng)性。