运载火箭强天气环境适应性防护研究综述

付继伟，陈 曦，叶志鹏，韩 松，洪 蓓

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

为了满足任务需求，火箭发射往往需要在规定的时间窗口将载荷送入预定轨道。但是如果在预定的发射窗口遭遇短时强天气，就会给飞行带来一定风险。

本文分析了火箭对几种典型短时强天气环境适应性，开展了易损性分析，给出了国内外各个领域雷电防护研究现状，并对发射环境适应性进行了展望。

1 雷电与火箭的适应性

1.1 雷电环境对火箭效应

在中国的南部地区不少地方每平方公里落雷年数量均可达4次以上。在华南、西南相当大的区域内，年均雷暴日数在50日以上，部分地区甚至超过100日。以上是地闪的密度分布。运载火箭，尤其是其尾焰还具有诱发雷电的机理，根据NASA的研究，火箭在空中电场仅为15 kV/m时即可能诱发雷电[2]。

雷电对火箭的破坏效应主要包括直接效应和间接效应[3]。直接效应包括高电压效应、峰值电流效应和电荷积累效应。间接效应包括电场的穿透效应、磁场的穿透效应、射频干扰效应和电磁脉冲效应。其中，高电压效应指雷击时产生的高电压破坏火箭的绝缘并使电子元件失效，形成击穿、穿孔、破裂和变形，产生的电火花引爆火工品和易燃、易爆推进剂；峰值电流效应指雷电击中火箭时产生的机械应力导致结构件弯曲、变形甚至破裂；电荷积累效应指雷电流在局部产生巨大的热量，将金属烧蚀、熔化；电场和磁场的穿透效应指雷电流产生电磁场进入火箭电缆内部，产生感应电压、电流损坏电子设备；射频干扰和电磁脉冲效应指雷击时产生的低频、高频、甚高频电磁辐射对箭上MOS器件产生损害。

飞行器诱发雷电以双向先导为主[4]。尽管飞机的雷电防护已经取得了大量成就，但是火箭的雷电防护具有自身的特点，不能直接沿用飞机的防护方案：

a）箭体表面具有较厚的防热涂层，而飞机表面仅有薄漆。防热层导致雷电击中火箭后驻留时间长、注入能量大。此外，火箭的生产工艺决定了无法像飞机复材一样表面热压铜网，这是火箭雷电防护面临的最大挑战。

b）整流罩的雷电防护虽然可以借鉴飞机雷达罩采用的导流条防护方案，但机理差别很大。

c）火箭存在竖直飞行段，雷电电弧停留在火箭头部时间较长，产生极大的烧蚀能量，导致火箭面临的雷电环境条件与飞机具有显著区别。

d）火箭上安装有大量分离、自毁使用的火工品，需要确保在雷击过程中不失效、不殉爆。

1.2 火箭的雷电防护研究进展

中国航天科研工作者结合国情，在雷电防护领域进行了大量的工作，提出了分级保护、整体防雷的理论体系，即：整体防雷保护应该是外部防雷、内部避雷过压保护和接地技术的统一体。在具体技术措施上可归纳为：均压（等电位）-分流-屏蔽-接地技术，这是避雷保护中最重要和最有效的4个要素。火箭的防雷设计也基于此4个要素开展，穆元良等总结了火箭发射时防雷设计原则是用最小的代价取得最好的效果，采用系统工程方法，实施“躲”、“防”、“扛”。“躲”即通过雷电预警系统对发射场雷击进行预报（以便火箭实施针对性的防护）并选择发射时机使火箭升空时避开雷击。对于雷电天气的监测预警，一般会在发射场建立一套由天气雷达数字化处理系统、卫星云图数字化处理系统、地面电场仪系统、雷电探测系统、闪光定位系统、中心工作站等7个部分组成的雷电气象监测和预警系统；“防”即确保火箭在发射准备阶段地面防雷设施能使火箭免遭直接雷击；“扛”即在发射场遭受雷击、避雷针通过雷击电流时，火箭能承受雷电流产生的间接效应而不损坏。目前，中国的火箭在发射场设置的直击雷防护装置主要还是以固定式避雷装置为主，其设计与航天发射场设计相似，同时设置均压接地网和雷电监测预警系统。例如某卫星发射中心发射工位设置了3座独立避雷塔。每两座避雷塔之间的保护角度均不大于45°，并由这3座独立的避雷塔构成发射场区的避雷网系统。在20世纪80年代早期的研制试验中，中国对仪器舱进行了电爆管直击雷模拟试验，对仪器舱、电爆管、壳体结构分别开展了冲击电流试验和冲击电压试验。在20世纪90年代，中国制定了GJB1804-93《运载火箭雷电防护》，对火箭的防雷设计提出了整体要求，同时也规定了场地防雷、气象防雷的具体要求和方法。这些标准的制定体现了中国对于雷电防护工作的重视。而飞行中的火箭要能“扛”住雷电，就需要进行对结构直接效应的防护和对电气设备间接效应的防护[2]。

a）火箭结构的雷电防护。

结构的雷电防护可以进一步分为通过导流条引导雷击点，和采取手段使结构能够承受电弧烧蚀这两种技术手段。

对于通过导流条引导雷击点的手段，现有的导流条研究，基本均以飞机雷达罩为应用背景，探讨在绝缘体壳段外使用导流条防护的设计方法。导流条在飞机上广泛用于雷达罩等绝缘体壳段的雷电防护。导流条可分为连续式或断续式[5]。在强电场的作用下，导流条表面电晕的产生、流注的发展，直至放电先导的形成，整个过程较为复杂。雷电附着点研究大多集中于电力领域对避雷针、避雷线等结构的研究[6]。但也有学者研究了导流条上放电先导的产生规律。Kawabata等使用了FDTD方法研究了导流条的保护区域[7]，重点进行了电晕发生前的静电场仿真，通过假定电场阈值，来确定受保护的区域。Ulmann等人基于试验的方法研究了导流条在实际应用的许多问题，包括环境湿度的影响，天线罩内部导体的影响等[8]。在试验研究的基础上，Delannoy进一步提出了导流条上雷电放电先导产生的数值模型，并使用该模型研究了导流条高度的优化方法[9]。传统的导流条研究仅针对飞机雷达罩等绝缘壳段的防护。而在火箭导体、绝缘体双层结构外使用导流条，与飞机在单层绝缘体表面外使用导流条，其机理有明显差异，目前尚无相应的理论或模型支撑。北京宇航系统工程研究所近年来研究了在带防热的壳体表面使用导流条的设计技术，并在试片级开展了数百次高电压放电，积累了一定设计经验和有效数据。

而对于抗电弧烧蚀的防护方法，目前公开文献上鲜有针对固体火箭的雷电防护解决方案。飞机针对碳纤维复合材料等导电壳段，一般在复合材料热压成形过程在表面压入一层金属网，通过降低表面电阻率减小焦耳热以减轻雷电电弧烧蚀[10]。固体火箭表面具有的防热涂层，生产工艺决定了无法像飞机复材一样表面热压铜网，这是火箭雷电防护面临的最大挑战。近年来，北京宇航系统工程研究所和航天材料与工艺研究所开展了基于涂层的防热层抗雷电电弧烧蚀防护技术研究，并完成了舱段级验证试验，验证了通过诱发等离子体分散雷电电流从而避免电弧烧蚀的可行性。

b）火箭电气系统的雷电防护。

美国、前苏联、欧洲、日本在电气设备防雷设计与应用方面的研究相对比较深入。中国近年来也开展了相应研究。余志勇等对使用不同材料的飞机的内部线缆进行了雷电耦合电流进行了仿真计算，对数据结果进行了对比，得出了金属飞机能够提供较好的屏蔽效果的结论[11]；赵玉龙等对某个型号的火箭通过有限元算法进行了仿真计算，对不同放电间隙和雷击方位下的结果进行了对比分析[12]；高成等搭建了飞机初始雷击附着位置的仿真环境，采用阈值划分的方法成功确立了A-320客机的初始雷击附着位置[13]；陈晓宁等采用同样的方法确立了UH-60直升机的初始雷击附着区域[14]；郭飞等采用直接注入雷电流的方式，对某小型客机进行了雷电间接效应的研究，着重分析了机体内外电磁场分布以及线缆耦合干扰大小[15]。

在电气防护方面，北京宇航系统工程研究所开展了直击雷电间接效应环境测量试验，通过从箭体外壳注入脉冲电流，首次获取了火箭内的电磁环境；除此之外，还完成了飞控计算机样机等一批设备的雷电间接效应试验，初步验证了箭上关键单机雷电防护方案，为未来掌握雷电火箭的综合雷电防护技术提供了有力支撑。

2 大风与火箭的适应性

2.1 火箭面临的地面大风环境分析

气象学上一般将平均风速达到6级及以上（不小于10.8 m/s）的风称为大风。根据对1961～2010年地面气象站大风观测资料的分析[16]，中国大风日数呈现出西多东少的分布特点。青藏高原地区出现的大风天气较为集中，而内蒙古地区的大风天气较为分散。青藏高原地区大风集中期出现最早，而东南沿海地区大风集中期出现最晚。近50年以来，中国大部分地区的平均风速具有明显的减弱趋势，齐鲁地区平均风速减弱最为明显。全国范围内的大风日数也有减少的变化趋势，其中青藏高原地区减少趋势最为显著。但大风的集中度均有增加的趋势，其中东南沿海地区增加最显著，内蒙古地区和华北地区也有显著增加的趋势。中国绝大多数地区6级以上大风的日数均在40天以下。

而对于中国的强大风（风速≥25 m/s）主要发生在中东部地区[16]。在月分布上则集中在4～8月之间，峰值月份一般出现在6月。一般从3月份起，大风开始在西南、华南地区出现，4月北进入华中、华东地区，到5月则北进到了华北、东北和西北地区。大风的日变化主要呈现单峰的分布，峰值时间在傍晚的17～18时（北京时间）。如果仅从发生次数（不考虑持续时间）上看，强大风的年次数是很低的，在某一地区平均年发生次数仅为个位数。

2.2 火箭对地面大风环境适应性分析

按照国家标准，固体火箭在设计中考虑了对地面风速的适应性，一般来说，在22.5 m/s以下的风速下均可发射，而在22.5 m/s以上的极高风速下，不同的火箭也可根据自身特点进行相应的姿控稳定性分析，相当一部分火箭仍有一定裕量。

3 强降水与火箭的适应性

3.1 火箭面临的强降水环境分析

中国短时强降水发生频率最高的区域为华南，其次为云南南部、四川盆地、贵州南部、江西和长江中下游等，最大短时降水强度可超过180 mm/h[17]。

从月际变化来看，7月短时强降水事件最活跃，其次为8月。逐侯的变化显示，短时强降水事件具有显著的间歇性发展特征，但总体上呈现缓慢增强、迅速减弱的特点，并以7月的第4侯最为活跃[17]。

3.2 火箭对强降水环境适应性分析

液体火箭由于长时间竖立在发射台，包括由于低温推进剂带来的水汽凝结现象，在防水设计上具有丰富的经验，近年来还开始采用了疏水材料[18]，进一步提高火箭的防雨性能。固体火箭在发射前由于保温等原因一般有良好的防护，并不长时间暴露在降水中。在飞行中，火箭箭体结构强度对降水并不敏感，而且基于防热的考虑，火箭除个别泄压孔外，大部分孔缝都通过防热涂料进行了密封，对短时淋雨具有良好的耐受性。

相对而言，降水给地面设备和发射装置带来的挑战更多，包括密封性和抗积水等等方面。虽然目前火箭一般是以中雨作为发射条件，但对于更强的降雨，在工程上有望通过良好的设计，具有更好适应性。

4 降雹与火箭的适应性

中国的降雹从频率方面看主要发生在高山地区和北部平原[19]。这造成了中国北部地区的降雹频率通常要高于南部地区。而降雹频率的最大值出现在青藏高原的中部。在季节变化上，中国北部和西部地区的降雹季节一般始于春末，止于初秋；而中国南部和西南部地区的降雹季节则始于春季。在日变化上，中国大部分地区的降雹事件主要发生于15时到20时，但在贵州和湖北地区，降雹则经常发生在夜间。

从降雹的累积持续时间角度分析，降雹累积持续时间与海拔高度呈现较高的正相关，相关系数高达0.99。降雹累积持续时间的最大值出现在青藏高原地区，持续时间高达250 min；其次为内蒙古中部以及东北部山区，累积持续时间约为150 min。单次降雹持续时间的日变化明显，午后至夜间出现的冰雹持续时间长于凌晨和上午的持续时间，持续时间峰值出现在 17时和18时。

由于冰雹的尺寸大小差异很大，因此对于火箭的影响也难以进行估计。一般而言，采用防热涂层等软质防热材料的火箭整流罩耐受性较差，而采用防热套的结构冰雹耐受性较强。但即使不考虑冰雹强度，最长降雹时间仅占全年总时间的0.47‰，对发射时间的影响较小。

5 结束语

火箭的短时强天气适应性是交叉学科问题，涉及到箭体结构、电磁、气动、材料等多专业深度耦合的问题，涉及从总体到设备和材料的各个层级。本文分析了各种强天气的发生概率和火箭的适应性。固体火箭对大风和强降雨的适应性从机理上是比较好的，超出其适应范围的强天气发生概率是较低的。而对于其它天气现象，例如雷击和冰雹则相对容易导致未加固的固体火箭飞行失败。

从发射准则的角度，短时强天气可以分为两类，一类是像大风、强降水和冰雹等易于观测天气，操作人员比较容易识别并采取措施，因此，这类天气可以从年累计发生时长的角度考虑发射推迟的可能性，从而概率往往是比较低的。而另一类天气是雷电这类难于观测的天气，即使在有全航区的空中电场的条件上做出准确预报都是较难的，何况在实际任务中，操作人员手中往往只有发射点位被地面电荷层屏蔽的地面电场。因此，基于安全性的角度，容易形成在只要出现雷雨天气下就推迟发射的准则，这就导致任务推迟的概率显著增加。所以，本文重点分析了火箭雷电防护的特点，给出了火箭雷电防护研究现状，指出了目前待解决的关键问题，以期未来能提高中国火箭对于全天候的适应性。