快速響應衛(wèi)星發(fā)射場快速測試技術

張國強， 鄧武東， 范 凱， 吳躍鶯

(1.上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 201109； 2.上海衛(wèi)星裝備研究所， 上海 200240)

快速響應衛(wèi)星發(fā)射場快速測試技術

張國強1， 鄧武東1， 范 凱1， 吳躍鶯2

(1.上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 201109； 2.上海衛(wèi)星裝備研究所， 上海 200240)

介紹了快速響應衛(wèi)星發(fā)射場快速測試流程及與火箭快速對接方法。應用結果表明衛(wèi)星在發(fā)射場工作周期從35天以上縮減到7天。新型衛(wèi)星翻身對接方法適用于衛(wèi)星與運載火箭的水平對接，該方案操作簡單且降低了衛(wèi)星翻身工作對發(fā)射場廠房的設備要求，對快速響應衛(wèi)星的設計和測試有一定的參考價值。

快速響應衛(wèi)星； 發(fā)射場； 測試； 水平對接

0 引言

小衛(wèi)星以重量輕、體積小、成本低、機動靈活的特點逐漸成為衛(wèi)星發(fā)展的重要方向[1-2]。小衛(wèi)星采用快速研制、快速發(fā)射和快速應用的方式，解決在軌運行衛(wèi)星由于數(shù)量、軌道或性能等原因無法滿足應急任務需求的難題，體現(xiàn)“小、快、省”特點。采用模塊化、集成化和系列化的發(fā)展思路，打造公用的寬適應的小衛(wèi)星平臺，采用載荷即插即用技術，提供載荷快速設計和快速集成的能力，以及載荷自主運行技術等成為快速響應衛(wèi)星研究和發(fā)展的重點[3-5]。在快速響應衛(wèi)星研制、發(fā)射過程中，基于模塊化設計以縮短總裝周期，基于測試設備通用化和自動化加快測試和試驗進程，基于快速發(fā)射運載火箭和快速發(fā)射機制以實現(xiàn)快速部署[6-7]。本文在分析快速響應衛(wèi)星發(fā)射場快速測試需求及快速對接特點的基礎上，提出快速測試技術的實現(xiàn)方法，該方法縮短了衛(wèi)星在發(fā)射場的測試周期且適應快速響應運載火箭的“水平對接、水平運輸”特點。

1 快速測試需求

傳統(tǒng)衛(wèi)星在發(fā)射場的測試工作按時間順序分別在技術區(qū)和發(fā)射區(qū)進行，技術區(qū)工作主要包括卸車、技術安全檢查、衛(wèi)星及設備開箱自檢、衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星改裝、衛(wèi)星精度測量、衛(wèi)星平臺電測試、衛(wèi)星有效載荷電測試、衛(wèi)星模飛、活動部件展開試驗、光照試驗、衛(wèi)星加注和星箭對接，星箭轉運至發(fā)射區(qū)后進行發(fā)射區(qū)測試和衛(wèi)星狀態(tài)設置，最后完成發(fā)射。傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場測試周期為35天～60天?？焖夙憫l(wèi)星主要任務在于應對突發(fā)事件，達到快速集成、測試、發(fā)射和在軌應用的目的，一般要求衛(wèi)星在1周內完成發(fā)射場測試工作具備發(fā)射條件。1天內完成發(fā)射和在軌測試工作具備在軌交付及應用的條件[8]。

2 快速對接特點

傳統(tǒng)運載火箭在發(fā)射場的測試和發(fā)射工作具有兩個特點：一是運載火箭采用固定的火箭發(fā)射工位及發(fā)射塔架進行發(fā)射；二是衛(wèi)星與運載對接采用垂直對接方式。發(fā)射塔架用于運載火箭箭體對接、測試和燃料加注，用于星箭對接操作、衛(wèi)星測試及發(fā)射。運載火箭或者先采用水平運輸方式轉運至發(fā)射塔架進行箭體對接，火箭測試后再進行星箭垂直對接；或者先進行星箭垂直對接，再采用星箭垂直運輸轉運至發(fā)射塔架，完成星箭測試、檢查后進行火箭推進劑加注，然后執(zhí)行發(fā)射任務[9-10]。

快速響應運載火箭為縮短發(fā)射場測試和發(fā)射周期，減少對發(fā)射塔架的依賴性，在發(fā)射場技術區(qū)進行星箭水平對接，采用星箭水平運輸方式轉運至發(fā)射地點，然后通過火箭起豎車進行火箭起豎，液體火箭在起豎后進行推進劑加注，固體火箭則在起豎后直接進行發(fā)射。采用星箭水平對接和水平運輸方案，運載火箭發(fā)射場集成、測試周期可縮短1天～2天。根據(jù)快速響應運載火箭的特點，快速響應衛(wèi)星須具備星箭水平對接和水平運輸?shù)哪芰Α?/p>

3 快速測試實現(xiàn)方法

3.1快速測試流程

傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場測試流程項目多、耗時長，主要原因如下：

a) 衛(wèi)星部分產品采用單獨運輸，須在發(fā)射場進行總裝操作；

b) 衛(wèi)星推進系統(tǒng)在發(fā)射場采用常壓累積檢漏法進行全系統(tǒng)檢漏；

c) 衛(wèi)星電測試內容不僅包含功能測試，還包含大部分分系統(tǒng)及單機產品的性能測試；

d) 在發(fā)射場進行活動部件展開試驗、精度測量和光照試驗，衛(wèi)星狀態(tài)須多次改變，衛(wèi)星試驗狀態(tài)建立及總裝過程耗時較長。

通過對傳統(tǒng)衛(wèi)星和快速響應衛(wèi)星的特點及發(fā)射場工作項目的必要性進行分析，對衛(wèi)星測試流程進行優(yōu)化，以縮短測試周期。

(1) 整星運輸

快速響應衛(wèi)星在發(fā)射前采用模塊或整星貯存的方式在衛(wèi)星廠房進行存放，接到發(fā)射任務后衛(wèi)星在廠房進行快速集成、測試并整星運輸至發(fā)射場，衛(wèi)星在發(fā)射場不進行總裝操作，節(jié)省了總裝及相關測試、狀態(tài)確認的時間。

(2) 保壓法檢漏

采用“保壓法檢漏”代替“常壓累積檢漏法全系統(tǒng)檢漏”。常壓累積檢漏法是在衛(wèi)星推進系統(tǒng)充入一定工作壓力的示漏氣體(一般為氦氣)，將衛(wèi)星裝入衛(wèi)星包裝箱內，然后每隔一定時間(一般為12 h)采集一次包裝箱壓力、溫濕度值，并用氦質譜檢漏儀讀取包裝箱內的氦氣濃度值，采集一定次數(shù)(一般為8次～10次)的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以判斷推進系統(tǒng)對外漏率是否滿足指標要求。保壓法是在衛(wèi)星推進系統(tǒng)充入一定工作壓力的示漏氣體(一般為氦氣)，在一定時間(一般為24 h)持續(xù)采集系統(tǒng)內部壓力，以判讀其密封情況?！氨悍z漏”操作簡單，耗時短，最小可檢漏率為1×10-3Pa·m3/s，可以用于判定推進系統(tǒng)在經歷整星運輸后是否發(fā)生螺接松動、焊縫開裂等質量問題。

(3) 產品狀態(tài)確認

快速響應衛(wèi)星在研制中對其部組件、分系統(tǒng)進行長時間的測試，測試項目覆蓋功能及性能，提前暴露產品質量問題，在模塊或整星貯存前剔除失效產品。產品依據(jù)貯存可靠性要求進行定期檢測，以確保產品的功能和性能滿足產品質量和可靠性要求[11]。在發(fā)射場取消衛(wèi)星產品性能測試，僅對衛(wèi)星蓄電池進行充電，衛(wèi)星加電，通過發(fā)送遙控指令和觀察遙測參數(shù)判讀產品狀態(tài)是否正常。

(4) 展開試驗、光照試驗、精度測量

衛(wèi)星活動部件、有精度要求的單機以及太陽陣電池片等產品在飛機運輸、鐵路運輸或火車運輸經歷的振動響應量級遠小于地面試驗時的振動量級，衛(wèi)星在發(fā)射場可以不進行活動部件展開試驗、太陽電池陣光照試驗和單機精度測量[12]。

通過流程優(yōu)化，快速響應衛(wèi)星在發(fā)射場工作周期從傳統(tǒng)衛(wèi)星的35天以上縮減到7天，包括卸車及技術安全檢查0.5天、衛(wèi)星及設備開箱檢查0.5天、全系統(tǒng)檢漏1天、電測試1天、模飛0.5天、加注0.5天、星箭對接1天、星箭轉運1天、衛(wèi)星狀態(tài)設置及發(fā)射1天。

3.2快速對接方案

快速響應運載火箭要求衛(wèi)星采用水平狀態(tài)進行星箭對接，對接前衛(wèi)星及衛(wèi)星支架須從垂直停放狀態(tài)翻身90°至水平狀態(tài)。目前常用的衛(wèi)星翻身方法主要有兩種，一種是衛(wèi)星垂直停放于L型梁，采用雙行車或雙吊鉤對整體進行翻身，另一種是利用兩軸轉臺進行翻身。兩種方法需要的衛(wèi)星工裝較多，包括L型梁或兩軸轉臺，且對廠方條件要求較高，須配套雙行車或雙吊鉤，另外，翻身過程操作復雜。為了滿足衛(wèi)星翻身以及水平對接的需要，設計一種新型衛(wèi)星翻身對接工裝，用于衛(wèi)星與運載火箭的水平對接。

水平翻身對接工裝主要由連接衛(wèi)星框架組件、支撐腿組件、停放車等部分組成。衛(wèi)星翻身過程操作步驟如下。

(1) 豎直停放

在衛(wèi)星兩側安裝連接衛(wèi)星框架組件，將衛(wèi)星吊帶、一字吊具通過卸扣與連接衛(wèi)星框架組件的上端吊耳相連接，利用行車起吊衛(wèi)星，直至連接衛(wèi)星框架組件下端進入兩條支撐腿組件上端的凹槽，將這兩條支撐腿組件上端的蓋板合上，用緊固件擰緊，如圖1(a)所示。

圖1 衛(wèi)星水平翻身過程示意圖

(2) 90°翻轉

以連接衛(wèi)星框架組件下端與支撐腿組件接觸的部分為旋轉中心，利用行車控制衛(wèi)星按照圖1(b)所示方向翻轉90°，直至連接衛(wèi)星框架組件上端進入兩條支撐腿組件上端的凹槽。

(3) 水平起吊

通過卸扣、吊帶將兩根一字吊具、4個花籃螺絲、安裝在連接衛(wèi)星框架組件上端、下端吊耳，將兩條支撐腿組件上端蓋板打開，利用行車將衛(wèi)星起吊至運載火箭支撐艙相應高度，如圖1(c)所示,通過調節(jié)吊具花籃螺絲改變衛(wèi)星水平度使衛(wèi)星姿態(tài)滿足水平對接要求，對準刻線完成星箭水平對接。

快速響應衛(wèi)星在完成星箭水平對接后整箭運輸至發(fā)射區(qū)，在火箭發(fā)射前進行主動段狀態(tài)設置并完成發(fā)射。水平運輸過程星箭界面處的最大軸向過載系數(shù)為±1.0，最大橫向過載系數(shù)為2.0，運載火箭起豎過程星箭界面處的最大軸向過載系數(shù)為±1.0，最大橫向過載系數(shù)為3.0，量級均小于火箭飛行過載，因此星箭水平運輸對衛(wèi)星設計和力學試驗無影響。

4 應用效果及前景

長征-11運載火箭是快速響應型固體運載火箭,于2015年9月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成首次飛行,成功發(fā)射了浦江一號衛(wèi)星。長征-11要求衛(wèi)星適應水平對接、水平運輸、水平測試和整體起豎的測發(fā)模式，適應運載火箭運輸、測試、發(fā)射和飛行過程中的各種環(huán)境條件，具備發(fā)射場快速對接、快速測試、快速發(fā)射的能力。浦江一號衛(wèi)星采用整星運輸方式，依據(jù)快速測試流程完成了衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、電測試、模飛、加注、星箭對接、星箭轉運及發(fā)射工作，有效工作時間7天。浦江一號衛(wèi)星在軌運行各項功能性能正常，滿足設計壽命要求，表明本文提出的快速測試流程及快速對接方案適用于衛(wèi)星。為我國后續(xù)應用于抗震救災、海上救援、突發(fā)事件等用途的快速響應衛(wèi)星的設計、測試奠定了技術基礎。保壓法檢漏、產品狀態(tài)確認也可以應用于傳統(tǒng)衛(wèi)星以縮短發(fā)射場工作時間，提高發(fā)射場廠房、設備的利用率，加快航天裝備速度。

5 結束語

本文針對快速響應衛(wèi)星發(fā)射場快速測試的需求，結合快速響應運載火箭水平對接、水平運輸?shù)募夹g特點，提出了一種較為優(yōu)化的衛(wèi)星發(fā)射場測試流程，使衛(wèi)星在發(fā)射場工作周期從35天以上縮減到7天，提出了一種新型衛(wèi)星翻身對接方法用于實現(xiàn)衛(wèi)星與運載火箭的水平對接，該方法操作簡單且降低了對發(fā)射場廠房的設備要求。

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RapidTestTechnologyofOperationallyResponsive
SatelliteatCosmodrome

ZHANGGuo-qiang1,DENGWu-dong1,FANKai1,WUYue-ying2

(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)

Rapid test flow of operationally responsive satellite and new method used to horizontal docking were introduced. The application results showed that the period of test and launch flow can reduce from thirty-five days to seven days. The method of horizontal docking was suitable to operationally responsive launch vehicle and operationally responsive satellite. The method was easy operation and reducing requirement for cosmodrome equipment. The study is valuable to operationally responsive satellite design test and launch.

operationally responsive satellite; cosmodrome; test; horizontal docking

1671-0576(2017)02-0034-04

2016-03-21

張國強(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星總體設計工作。

V474

A