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风云之声提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)---静态点火

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导读
火箭飞行故障大多来自推进系统 ， 火箭研制中最难开展试验的又正是推进系统试验 。 推进系统需要开展什么样的试验？
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两年前有人问了笔者一个问题：提高成功率运载火箭要做什么样的试验 。 因为题目太大无从下手 ， 就搁置了 。 近期重新思考这个问题 ， 给出一个侧面的回答 ， 抛砖引玉 。
历史统计表明 ， 火箭飞行故障大多来自推进系统 ， 火箭研制中最难开展试验的又正是推进系统试验 。 推进系统需要开展什么样的试验？
推进系统试验及静态点火
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NASA主要的大发动机试验基地 ， 斯坦尼斯航天中心（即后文中出现的密西西比试验站 ， 1974年6月14日更名为美国国家空间技术实验室 ， 1988年5月20日更名为NASA斯坦尼斯航天中心）将发动机的试验划分为不同的阶段 ， 总结出典型的试验流程见下图 。
风云之声提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)---静态点火
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图发动机典型试验（来自文献1）
这张图一共有6条绿线 ， 前5条绿线分别代表发动机组件级缩比试验、组件级全尺寸试验、发动机原理样机试验、飞行发动机研制试验和飞行发动机交付鉴定试验 ， 这些都属于发动机试验内容 。 图中第5条绿线从中间打断了 ， 断点左侧表示发动机单位开展试验 ， 右侧表示火箭总体单位开展试验 。 如发动机抽检或标定试车位于绿线左侧 ， 发动机交付后 ， 火箭总体单位会进行接收测试 ， 如外观检查、电测 ， 甚至拆解检查等 。
第6条绿线为子级鉴定试验 ， 这已不仅仅是发动机或推进系统单机试验 ， 而是属于全箭级别试验了 。 如Falcon9火箭发射前发动机需经历3次点火：
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第1次是在德克萨斯州的麦格雷戈试验场进行发动机全程试车；第2次是发动机装配到箭体后 ， 仍在麦格雷戈试验场 ， 进行整个一子级的全程点火；第3次是在发射台上 ， 进行一子级射前的短时点火 。第1次点火对应第5条绿线 ， 后2次点火均对应第6条绿线 。
风云之声提高运载火箭成功率的三大研制理念(1)---静态点火
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图法尔肯9火箭在麦格雷戈试验场静态点火
(https://www.universetoday.com/130097/spacex-adopts-lessons-learned-from-multiple-booster-landings-test-fires-recovered-1st-stage-videos/)
对于上述子级试验 ， 国内有时将试验场进行的称为动力系统试车 ， 发射场进行的称为静态点火或系留点火 。 尽管有人一定要这么区分 ， 在笔者看来 ， 它们不存在本质的技术区别 。
此外 ， 并联构型存在芯级、助推器分开的点火试验 ， 以及并联构型下点火试验两种 ， 如法尔肯重型在发射场3x9=27台发动机全部点火 。
视频法尔肯重型静态点火
火箭的研制和验证涉及许多学科的交互作用 。 如静态和动态载荷及其分布、结构分析和设计、结构动力学、声学、空气动力学、流体力学、流体动力学、机械设计、热分析和设计、水力学、推进系统设计、材料科学(性能、腐蚀、断裂力学、裂纹扩展、生命周期等)、电力和配电、电力控制、计算机和软件 。
这么多学科知识及其交互影响 ， 是否能全盘被设计人员所掌控？管理上是否能找到学科与学科交叉之间可能丢失的地带？甚至产品生产质量能否彻底受控？对上述这些进行检验的方法只有试验 。
最接近真实飞行状态的全面验证就是静态点火 。 基本上 ， 所有与高温(燃烧)、低温(推进剂)、强振动(发动机振动)耦合的验证 ， 只能通过静态点火予以验证 。 相对于其它研制试验 ， 静态点火提供了一个唯一真正的端对端检验 。
静态点火简史
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正如标志性的尾翼一样 ， 静态点火可能也是冯?布劳恩的专利 。 他主持研制的导弹/运载火箭均进行了大量静态点火试验 ， 如红石、木星、土星I/IB ， 以及土星五号 。
表不同类型导弹/运载火箭静态点火次数
型号
时间
飞行次数
静态点火次数
点火类型
红石
195308-196107
75
57
全程
雷神
195701-196409
179
14
全程
木星
195703-196105
39
31
全程
宇宙神
195706-196409
223
38
短程
大力神I
195908-196305
55
38
短程
大力神II
196203-196411
39
12
短程
大力神-双子座
196404-196611
14
0
无
大力神III
196409-196712
23
2
短程
土星I/IB
196111-196810
15
15
全程
土星V
196504-197010
13
一级37
二级33
三级21
几乎全程
注：土星V为笔者统计自文献[3] ， 真实次数可能更多 ， 其余来自文献[2] 。
其中 ， 最为壮观非土星五号静态点火莫属 。 土星五号三个子级 ， 除采用试验件状态进行静态点火试验外 ， 所有飞行产品(阿波罗17号的三子级除外)均进行过静态点火试验 。


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