空間站工程海上應急救援保障新模式研究

葉建設，孫 威，呂斌濤，劉延利，杜海鵬

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094;2.交通運輸部救助打撈局，北京100736)

1 引言

為保證航天員的生命安全，我國載人航天工程飛船發(fā)射的上升段設置了3個海上應急濺落區(qū)，依托交通運輸部救撈系統(tǒng)大功率救助船建成了應急救援保障平臺，承擔各種海況條件下搜索打撈飛船返回艙、營救航天員的任務?，F(xiàn)有海上應急救援保障平臺，雖能滿足階段性載人航天任務要求，但高海況打撈設備、搜索定向設備等核心裝備存在著結構復雜、需要反復拆裝、維護保養(yǎng)難度大等問題，導致每次任務需要較長的準備時間，任務成本較高，系統(tǒng)總體效能發(fā)揮不足。

按照載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，我國將在2020年前后建造空間站，解決有較大規(guī)模、長時間有人照料的空間應用問題［1］?？臻g站工程階段，載人飛船發(fā)射任務將呈現(xiàn)出高頻度、常態(tài)化的特點，現(xiàn)有模式難以滿足任務要求。按照空間站工程特點和上升段海上應急搜救的任務要求，設計提出了海上應急救援保障新模式，實現(xiàn)海上應急搜救核心裝備的“平戰(zhàn)結合”，將對我國載人航天工程的建設與發(fā)展具有重要意義。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2.1 返回艙海上應急搜救現(xiàn)狀

2.1.1 美國的飛船返回艙海上應急救援模式

美國的載人飛船著陸場主要選擇在大西洋和太平洋，采用的是海上回收體制。美國擁有強大的海軍，水面艦艇部隊、海軍航空兵部隊和蛙人部隊都非常強大，海上作業(yè)嫻熟?！八恰碧栐O計了32個計劃濺落區(qū)和51個應急濺落區(qū)，171架飛機部署在全球30個機場和2艘航空母艦上?！鞍⒉_”飛船設計了4個海上著陸場和4個應急濺落區(qū)，主著陸場部署航空母艦和3架直升機、2架飛機［2］。

美國載人飛船回收和救援工作主要由國防部承擔。“水星”號飛船回收時，國防部指派大西洋導彈靶場司令為國防部代表，授權組建國防部“水星”支援計劃辦公室，負責與NASA聯(lián)系，協(xié)調(diào)國防部各部門以及海軍、空軍、陸軍和海岸警衛(wèi)隊的工作，在休斯頓飛行指揮控制中心設立回收控制室和回收控制中心，全面指揮回收救援作業(yè)［2］。

美國載人飛船的水上救援回收工作主要由直升機投放潛水員和專用設備完成。1架救助直升機專門負責海面打撈裝具投放，搜索到返回艙后，懸停至海面返回艙上方區(qū)域范圍內(nèi)，搜救員用引導網(wǎng)射擊器將引導網(wǎng)射向返回艙，罩住返回艙后由直升機通過囊網(wǎng)整艙起吊至救助船甲板或陸地上由輪胎做成的返回艙座架，開艙營救航天員［2］。

2.1.2 蘇聯(lián)/俄羅斯的飛船返回艙海上應急救援模式

蘇聯(lián)/俄羅斯在載人飛船著陸場的選擇與設計方面遵循“大著陸區(qū)”的原則，主要是采用陸上回收體制。聯(lián)盟號飛船主著陸場選擇在哈薩克斯坦的卡拉干達地區(qū)，三個應急著陸區(qū)選擇在拜科努爾附件的哈薩克斯坦、北美大草原和鄂霍次克海(太平洋西北部邊海)［3］。

蘇聯(lián)/俄羅斯載人飛船的回收救援工作由空軍和海軍的專業(yè)搜救部隊以及與載人飛行有關的機構和部門共同完成。為了搜索救援應急濺落至海上的航天員，通常采用搜索救援直升機、空降救生汽艇、汽艇空間設備等組成海上救援系統(tǒng)。其中，汽艇配備了用于拖曳和系吊返回艙的牽引設備。另外，還包括搜索救援水陸兩用飛機和船載搜救直升機等。俄羅斯聯(lián)盟號飛船返回的海上應急救援主要采用與美國、加拿大等國家進行國際合作的方式，每年進行一次海上應急救援試驗。通過飛機盡可能靠近返回艙并將航天員轉移到飛機，后由全地形輪式兩棲車輛的船員完成返回艙及殘骸的回收，將其拖到岸邊并用起重機將其拉出水面［3］。

國外飛船返回艙海上應急救援主要是面向低海況條件下完成的，高海況條件下直升機起飛受限，返回艙捕獲打撈并沒有很好的解決方案［4］。

2.1.3 我國載人飛船發(fā)射海上應急搜救模式

我國載人飛船發(fā)射海上應急搜救采用“海上打撈返回艙、船上救援航天員”的工作模式，由交通運輸部救撈系統(tǒng)搜救力量完成，3個海上濺落區(qū)各部署1艘主力救撈船，船上配備有搜索定向、返回艙打撈、醫(yī)療救護和遠程通信設備［5］。

在返回艙打撈方面，我國基于大功率救撈船的應用狀態(tài)，針對飛船返回艙表面光滑、無法勾掛/系留等特點，借鑒漁業(yè)捕撈、水上污油回收等技術，自主研制了高海況打撈設備，以救撈船為母體，采用舷側拖曳柔性網(wǎng)打撈、船艉起吊的方案，初步解決了在高、低海況條件下打撈飛船返回艙、救援航天員的難題［6，7］。

在搜索定向方面，救撈船通過加裝超短波定向儀［8］，對濺落在海上的返回艙信標信號進行搜索定位;當出現(xiàn)常規(guī)定位手段失去效用的極端情況時，利用海上過往商船資源作為應急搜尋的補充手段。

在通信與信息支持方面，海上各救撈船利用現(xiàn)有的海事衛(wèi)通設備完成與北京的船位數(shù)據(jù)傳輸及后支醫(yī)院的話音通信。目前，僅有離岸較近的濺落區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)與北京的視頻通信。

2.2 問題分析

1)現(xiàn)有裝備保障模式，核心裝備規(guī)模龐大、加改裝工程復雜，任務成本高，不適應空間站工程階段“高頻度發(fā)射、常態(tài)化搜救”的要求。

現(xiàn)有高海況打撈、搜索定位等設備，是載人航天工程海上應急搜救專用設備，結構復雜，不具備通用性，不能為日常海事救助任務所用，每次任務裝船前需提前近2個月對設備進行全面的檢查和測試以確保設備狀態(tài)滿足裝船要求，任務后又需要將所有的專用設備全部拆卸并需要專用倉庫和場地來保存，加改裝施工周期長，維護保養(yǎng)難度大，任務成本期間基本喪失應急救助搶險功能，對日常海上應急救助搶險工作產(chǎn)生一定影響。

空間站工程階段“高頻度發(fā)射、常態(tài)化搜救”的特點，要求海上應急救援保障平臺在裝備保障上應盡力實現(xiàn)不拆不卸。需要對高海況打撈、搜索定位、醫(yī)療救護等設備進行優(yōu)化、簡化，對通信系統(tǒng)的設備硬件、軟件和鏈路資源進行一體化設計，盡量做到任務前后對裝備設施不裝卸或減少裝卸工程量，縮短船舶加改裝時間，降低加改裝經(jīng)費投入。在完全具備海上應急救援保障能力的前提下便于設備的操作使用和維護保養(yǎng)，同時能夠作為救撈船舶的有機組成部分，在日常海上救助中發(fā)揮效能。

2)現(xiàn)有任務實施模式任務準備復雜，快速響應能力不足。

現(xiàn)有模式下，交通運輸部領受任務后，參試各救助局的救撈船任務前需集結至某地集中進行船舶加改裝、設備測試、打撈訓練及演練，任務解除后，參試船舶同樣需集結至某地進行船舶復原。任務準備時間長，平戰(zhàn)轉換慢，不能快速形成任務狀態(tài)。

空間站工程任務特點，要求海上應急救援保障的組織實施必須遵循新的運轉模式，切實縮短參試力量的集結時間，降低任務準備的工作量，減少準備周期，快速形成戰(zhàn)斗力。

3 平戰(zhàn)結合保障模式設計

我國的載人航天工程經(jīng)過20多年的建設與發(fā)展，已經(jīng)由試驗性向應用性轉變，對于地面支持系統(tǒng)，要求更好地綜合利用國家現(xiàn)有的設施資源，系統(tǒng)建設上注重軍民融合式發(fā)展。交通運輸部救撈系統(tǒng)，是我國海上救助打撈的專業(yè)力量，也是我國載人航天任務的海上應急救援保障的可靠力量，依托大功率救撈船，開展“平戰(zhàn)結合”建設，將其建成航天任務海上應急救援的專門保障船，是十分必要且可行的。此處的“平”是指日常海上應急救助任務，“戰(zhàn)”是指載人航天工程海上應急搜救任務。平戰(zhàn)結合模式的主要設計思路是按照“安全可靠、航天適用、救撈實用、簡約經(jīng)濟”的原則，建立運轉更加高效、穩(wěn)固、有力的組織實施模式，建成更加精簡但功能齊備的裝備保障模式，滿足“平”和“戰(zhàn)”兩方面任務要求。

3.1 組織實施模式

3.1.1 組織指揮

空間站工程海上應急救援的組織指揮工作，采用“兩級指揮、軍地融合”的模式。兩級指揮關系是:第一級為北京航天搜救指揮中心，第二級為交通運輸部救撈局牽頭成立的海上應急搜救指揮組;軍地融合是:在任務實施過程中，充分利用交通運輸部救撈局多次承擔海上應急救援保障任務的工作經(jīng)驗，按照平戰(zhàn)結合的原則，將交通運輸部救撈系統(tǒng)現(xiàn)有海上日常救助打撈的組織指揮體系整體納入載人航天任務聯(lián)合搜救指揮體系，并保持其內(nèi)部組織指揮的相對獨立性，以充分發(fā)揮國家海上專業(yè)救助打撈隊伍高效、快捷的組織指揮優(yōu)勢，進而大大增強航天應急搜救系統(tǒng)的整體可靠性。

按此組織指揮模式，交通運輸部救撈系統(tǒng)應進一步加強組織機構建設，將載人航天工程海上應急救援保障任務納入救撈系統(tǒng)各參試單位日常職責范圍;研究完善海上應急救援保障平戰(zhàn)結合綜合保障制度，建立健全包括業(yè)務培訓、考核評價、總結交流及設備設施管用養(yǎng)修等內(nèi)容的常態(tài)化工作制度要求。

3.1.2 任務實施

執(zhí)行和解除任務時實現(xiàn)平戰(zhàn)快速轉換，參試力量根據(jù)任務情況就近、就便集結登船，參試船舶從原值班待命位置起航趕赴任務海區(qū)執(zhí)行任務，任務正常解除后可直接返回母港或待命點。發(fā)生飛船返回艙應急濺落至海上情況，按任務方案實施搜索、打撈、救援任務，由北京航天搜救指揮中心統(tǒng)一指揮實施航天員及返回艙轉運、移交等后續(xù)任務。

按此任務實施模式，高海況打撈設備、搜索定向設備、指揮通信設備和部分醫(yī)療救護設備等可以作為全天候救撈船設備的組成部分，在日常海上救撈工作中發(fā)揮作用，這些設備平時為救撈船使用和維護保養(yǎng)，設備研制單位提供技術保障。每次任務時，救撈船快速由“平時狀態(tài)”轉換至“任務狀態(tài)”，只需在屬地進行短時間、小范圍的設備加改裝和任務準備，實現(xiàn)從“集中大范圍加改裝”向“屬地化部分加改裝”的轉變，從而避免了現(xiàn)有模式下救撈船集中式、大范圍、長時間的加改裝和任務準備，進而提高保障效率、確保任務成效。

3.2 裝備保障模式

3.2.1 船舶平臺

按照“平戰(zhàn)結合”原則，可以結合交通運輸部救撈系統(tǒng)后續(xù)船舶建造計劃，選用大功率救助船舶建成載人航天任務海上應急救援的專業(yè)保障船。在其設計、建造工作中，統(tǒng)籌考慮高海況打撈回收設備、搜索定位設備、醫(yī)療設備及專用艙室、通信指揮設備的布局和加裝等工作，實現(xiàn)裝備一次加裝、隨船使用;設備裝船后由所在船舶負責維護、保養(yǎng);強化設備操作人員業(yè)務培訓，提高裝備“平”和“戰(zhàn)”的應用水平。

3.2.2 新型高海況打撈設備

按照“平戰(zhàn)結合”原則設計的高海況打撈設備，在保證安全可靠的前提下，應盡量采用船舶固有設備，簡化返回艙專用設備，做到平戰(zhàn)轉換時不拆不卸或少拆少卸，節(jié)約投入成本，提高快速響應能力。

新型高海況打撈設備的設計，應去除現(xiàn)有設備中占用后甲板很大空間的龍門架、返回艙座架等裝置，可借鑒海洋漁業(yè)臂架式拖網(wǎng)技術方法，綜合利用船舶固有的攔截臂、左右曳綱絞車和攔截臂后張緊繩絞車等設備，加裝返回艙起吊防搖裝置，聯(lián)合柔性打撈網(wǎng)，實現(xiàn)返回艙船側打撈、攔截和起吊一體化功能。新設備系統(tǒng)中，返回艙防搖裝置、打撈網(wǎng)以及返回艙簡易座架，均采用模塊化設計和快速安裝工藝，以提高系統(tǒng)設備裝拆的便利性。新型高海況打撈設備設計效果圖如圖1所示。

3.2.3 新型船載搜索定向設備

對現(xiàn)有船載定向儀進行功能改進，實現(xiàn)對返回艙多個搜索合作目標的測向功能。同時，新研制的船載超短波定向儀加裝至救撈船后將作為隨船設備不再拆卸，由船上人員對其進行日常檢修、維護、使用，既能在載人航天任務期間完成返回艙搜索任務，也可以在日常海上救助搶險中發(fā)揮作用。

圖1 新型高海況打撈設備設計效果圖Fig.1 Effect drawing of a new design for salvage equipment under high sea condition

3.2.4 船載醫(yī)療救護設備

醫(yī)療救護系統(tǒng)建設與選定的救撈船舶設計建造同步進行，按照同時救助3名航天員的醫(yī)療救護要求，在同層甲板預設搶救、手術、保障等功能性艙室，并規(guī)范病員呼叫、視頻會商、醫(yī)療隊攜帶設備器材固定等相關接口，實現(xiàn)一次建設到位、不再反復拆卸，為長期頻繁執(zhí)行空間站工程任務提供良好的船上醫(yī)療救護條件［9］。

3.2.5 指揮通信設備

在指揮通信裝備方面，綜合利用交通應急寬帶VSAT系統(tǒng)及資源，對船舶現(xiàn)有通信手段進行設備增配或適當擴容，使其在裝備硬件上同時具備B區(qū)、C區(qū)和沿海區(qū)域遠程視頻通信保障能力，滿足3個應急濺落區(qū)船舶向岸基中心1 Mbps帶寬傳輸速率要求。

4 平戰(zhàn)結合模式效益分析

4.1 任務實施效益分析

載人航天工程海上應急救援保障任務的實施流程，主要包括任務通報、任務準備、任務實施、力量復原、任務總結等5個階段。通過測算，從救援力量集結到任務結束后搜救力量復原(不包括前期救援方案編報、應急救援設備前期檢測和試驗、任務總結等)，現(xiàn)有模式下實施1次任務需要75天，平戰(zhàn)結合模式可實現(xiàn)“平”和“戰(zhàn)”快速轉換，僅需30天，大大縮短了任務周期。同時，任務后也能快速復原，確保不影響日常海上救助搶險打撈工作。見表1。

表1 平戰(zhàn)結合模式與現(xiàn)有模式任務實施時間對比表Table 1 Comparison of implementation time for integrating routine and emergency mode and current mode

4.2 裝備效益分析

現(xiàn)有模式下，搜救打撈設備是載人航天任務的特有裝備，任務前需要加裝，任務后必須拆卸以恢復船舶的平時救助功能;采用平戰(zhàn)結合模式后，搜救設備可以在設計、采辦、使用及維護等環(huán)節(jié)與船舶實現(xiàn)了裝備一體化，既能完成載人航天任務，也不影響船舶的平時救助功能并能發(fā)揮有效作用，可大大提升救援保障平臺的整體效能。

4.3 經(jīng)濟效益分析

按現(xiàn)有模式，搜索定向、高海況打撈等設備，設計壽命均為10年。按20年10次任務計算，空間站工程中期需對全部設備進行1次更新。從載人航天工程前期任務實施效果來看，設備的更新改造、維護保養(yǎng)等費用較高。以高海況打撈設備為例，通過對設備研制生產(chǎn)、設備維護及維修保養(yǎng)、設備測試與技術支持、設備加改裝及消耗費等裝備保障各環(huán)節(jié)的成本核算，采用平戰(zhàn)結合模式進行研制生產(chǎn)，一次性投入方案設計和系統(tǒng)試驗費，設備壽命期可達20年，每次任務前后的設備維護保養(yǎng)及加改裝費大大縮減，且節(jié)省了救撈船自帶的吊機等設備的經(jīng)費投入，投入成本僅為現(xiàn)有模式的30%。

5 結論

我國載人航天工程已進入空間站工程建設階段，海上應急救援迫切需要轉變保障模式以適應新的任務特點和要求。采用“平戰(zhàn)結合”的保障模式，搜救裝備可實現(xiàn)與救撈船舶平臺的一體化設計，裝備保障更加精簡通用，任務實施更為順暢高效，縮減了任務成本，提高了裝備效能;同時，海上應急救援保障“平戰(zhàn)結合”設計與實現(xiàn)，既為未來載人航天任務海上著陸場建設提供有力的裝備支撐和技術支撐，也為我國海上救助和高海況條件下的應急搶險打撈增強了能力，應用前景廣闊，具有重要的軍事、社會與經(jīng)濟價值。建議進一步加強論證設計，抓住時機，盡早開展并投入使用，為國民經(jīng)濟發(fā)展和載人航天工程建設做出貢獻。

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