崔 瀏,郭金剛,范 虹,王明華
(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京,100076;2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
隨著中國通信、導(dǎo)航、氣象等技術(shù)的快速發(fā)展,在今后一段時間內(nèi)將發(fā)射大量各種軌道航天器,對運載火箭的需求也比較旺盛?,F(xiàn)有的運載火箭系列已經(jīng)不能完全滿足未來任務(wù)需求,新型運載火箭的研制需求越來越迫切[1]。
運載火箭的測試發(fā)射模式(以下簡稱“測發(fā)模式”)選擇是新型火箭論證的重要一環(huán),本文從運載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)的角度,針對不同的測發(fā)模式對發(fā)射支持系統(tǒng)設(shè)備的需求開展分析,為后續(xù)新型號火箭測發(fā)模式的論證提供參考。
運載火箭的測發(fā)模式一般是指經(jīng)過出廠測試、總裝的運載火箭進入發(fā)射場后,在發(fā)射場技術(shù)區(qū)、發(fā)射區(qū)各工位開展組裝、測試、轉(zhuǎn)運、發(fā)射時所采用的方式。測發(fā)模式與火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)既相輔相成又相互制約,它直接影響火箭的技術(shù)狀態(tài)、發(fā)射場的布局、配套的發(fā)射場設(shè)備和設(shè)施,最終對整個發(fā)射系統(tǒng)能否達到預(yù)期的技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)產(chǎn)生重要影響[2]。
火箭在發(fā)射場的技術(shù)準(zhǔn)備工作主要包含產(chǎn)品的組裝、測試、轉(zhuǎn)運,通過這3個項目基本能反應(yīng)火箭的技術(shù)狀態(tài)、地面設(shè)施設(shè)備和發(fā)射場總體布局的特點。根據(jù)上述3個項目狀態(tài)不同,進行測發(fā)模式種類劃分,目前常用的測發(fā)模式有3種:“三垂”模式、“兩平兩垂”模式和“三平”模式[3]。
“三垂”即垂直組裝、垂直測試、垂直運輸,典型流程為:發(fā)射場技術(shù)區(qū)開展箭體的組裝、測試后垂直轉(zhuǎn)場,轉(zhuǎn)場過程中保持箭地連接狀態(tài)與測試狀態(tài)不變,確保在發(fā)射區(qū)可以不測試或簡單測試即可進入發(fā)射程序。
國內(nèi)外采用此測發(fā)模式的型號有CZ-2F、土星V、航天飛機、宇宙神5、阿里安V、H-II等。
“兩平兩垂”即水平測試、水平運輸、垂直組裝、垂直測試,典型流程為:發(fā)射場技術(shù)區(qū)開展簡單測試后水平轉(zhuǎn)場,發(fā)射陣地利用勤務(wù)塔上的塔吊將各級箭體和星罩組合體對接到發(fā)射臺上,經(jīng)過測試后進入發(fā)射程序。
隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展,在此模式中,有些型號技術(shù)區(qū)的測試工作越來越少,最終目標(biāo)為取消在技術(shù)區(qū)的測試工作,直接將箭體運到發(fā)射區(qū)進行組裝、測試工作,因此,在一些文獻中,也將這種模式稱為“一平兩垂”測發(fā)模式。
國內(nèi)外采用此測發(fā)模式的型號有長征2C系列、長征3A系列、長征4系列等。
“三平”即水平組裝、水平測試、水平運輸,典型流程為:發(fā)射場技術(shù)區(qū)開展水平組裝、水平測試后,水平運輸?shù)桨l(fā)射陣地,整體起豎后開展簡單測試或不測試直接進入發(fā)射程序。
國內(nèi)外采用此測發(fā)模式的型號有長征6、長征11、能源號、質(zhì)子號、安加拉、聯(lián)盟號、法爾肯9和天頂號海射火箭等。
運載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)是發(fā)射火箭使用的各種專用設(shè)備和設(shè)施的總稱,用于支持和保障火箭發(fā)射以及進行各類飛行試驗。包含發(fā)射系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、吊裝輔助設(shè)備以及發(fā)射場內(nèi)保障廠房、設(shè)施等。
本次主要分析不同測發(fā)模式下的配套設(shè)備和設(shè)施,主要針對測控模式高度相關(guān)的系統(tǒng)開展分析,對其它系統(tǒng)如加注系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)不作分析。另外,不同的火箭構(gòu)型配套會有一定的區(qū)別,但對分析結(jié)果影響不大,為了便于分析,下文以某型號火箭為對象開展配套研究。
“三垂”模式下的發(fā)射支持系統(tǒng)相關(guān)配套及主要功能如下:
a)活動發(fā)射平臺:支撐臂、臺板機構(gòu),用于箭體支撐、調(diào)平以及燃?xì)饬髋艑?dǎo);臍帶塔、擺桿機構(gòu),用于支撐箭體加注、供氣、空調(diào)連接器,并能在起飛前快速擺開,讓出火箭起飛安全距離;轉(zhuǎn)換裝置、行走裝置,用于活動發(fā)射平臺狀態(tài)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)場行走;空調(diào)機組,用于保障轉(zhuǎn)場過程中整流罩內(nèi)溫濕度環(huán)境;前置設(shè)備間,用于安裝測發(fā)控設(shè)備,保障技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)的測試采用同一套設(shè)備;供配電系統(tǒng)、防雷接地、減振隔噪設(shè)備,用于保障前置設(shè)備間內(nèi)測發(fā)控設(shè)備的使用環(huán)境。
b)噴水設(shè)備:一級噴水機構(gòu)、二級噴水機構(gòu)、測控系統(tǒng)等,用于降低火箭發(fā)射時活動發(fā)射平臺上的溫度和噪聲,保障活動發(fā)射平臺安全及前置設(shè)備間測發(fā)控設(shè)備環(huán)境。
c)供氣設(shè)備:動力配氣臺、連接器配氣臺及其供氣管路,用于保障箭上供氣和連接器供氣需求,供氣設(shè)備放置在活動發(fā)射平臺前置設(shè)備間內(nèi),技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)共用一套設(shè)備。
d)測控設(shè)備:測控機柜、測量傳感器、電纜網(wǎng)等,用于動力及連接器配氣臺等設(shè)備的測控及信號反饋,測控設(shè)備放置在活動發(fā)射平臺前置設(shè)備間內(nèi),技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)共用一套設(shè)備。
e)垂直廠房:高大的整體結(jié)構(gòu),滿足箭體垂直組裝的空間要求;吊裝設(shè)備,用于箭體組裝時的吊裝工作;多層操作平臺,滿足箭體檢查、測試操作需求;供氣、供電設(shè)備,用于保障箭體測試需求。
f)固定勤務(wù)塔:回轉(zhuǎn)及升降操作平臺,滿足箭體檢查、測試操作需求;空調(diào)設(shè)備,保障轉(zhuǎn)場后整流罩及前置設(shè)備間內(nèi)溫濕度環(huán)境;各類測試間,用于放置測試設(shè)備;頂部設(shè)有水箱,用于噴水系統(tǒng)供水。
g)轉(zhuǎn)運軌道:能夠承載活動發(fā)射平臺,使活動發(fā)射平臺在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)之間進行轉(zhuǎn)移。
“兩平兩垂”模式下的發(fā)射支持系統(tǒng)相關(guān)配套及主要功能如下:
a)發(fā)射臺:支撐臂、臺板機構(gòu),用于箭體支撐、調(diào)平以及燃?xì)饬髋艑?dǎo)。
b)轉(zhuǎn)運車:運輸車、運輸托座、系固機構(gòu)等產(chǎn)品,用于完成箭體支撐、系固以及技術(shù)區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的運輸。
c)噴水設(shè)備:一級噴水機構(gòu)、二級噴水機構(gòu)、測控系統(tǒng)等,用于降低火箭發(fā)射時活動發(fā)射平臺上的溫度和噪聲,保障活動發(fā)射平臺安全,和“三垂”模式下相比,原理相同,但由于發(fā)射臺規(guī)模小,且沒有前置設(shè)備間,防護簡單,系統(tǒng)規(guī)??梢源蠓冉档?。
d)供氣設(shè)備:發(fā)射區(qū)供氣設(shè)備功能、原理、規(guī)模和“三垂”模式下基本相同,但由于技術(shù)區(qū)也要測試,因此,技術(shù)區(qū)還需配套簡易測試設(shè)備。
e)測控設(shè)備:發(fā)射區(qū)測控設(shè)備功能、原理、規(guī)模和“三垂”模式下基本相同,技術(shù)區(qū)也同樣需要配套簡易測試設(shè)備。
f)水平廠房:吊裝設(shè)備,用于箭體裝卸車時的吊裝工作;設(shè)有供氣、供電設(shè)備,用于保障箭體簡單測試需求。
g)固定勤務(wù)塔:吊裝設(shè)備,滿足箭體垂直組裝的要求;設(shè)有回轉(zhuǎn)及升降操作平臺,滿足箭體檢查、測試操作需求;設(shè)有擺桿機構(gòu),用于支撐箭體加注、供氣、空調(diào)連接器,并能在起飛前快速擺開,讓出火箭起飛安全距離;設(shè)有空調(diào)設(shè)備,保障轉(zhuǎn)場后整流罩及前置設(shè)備間內(nèi)溫濕度環(huán)境;設(shè)有各類測試間,用于放置測試設(shè)備;頂部設(shè)有水箱,用于噴水系統(tǒng)供水具有箭體與發(fā)射臺對接用吊車設(shè)備,相對“三垂”模式,增加了吊裝、擺桿設(shè)備。
“三平”模式下的發(fā)射支持系統(tǒng)配套及功能如下:
a)發(fā)射臺:支撐臂、臺板機構(gòu),用于箭體支撐、調(diào)平以及燃?xì)饬髋艑?dǎo),功能、原理、規(guī)模和“兩平兩垂”模式下基本相同。
b)轉(zhuǎn)運車:運輸車、對接裝置、空調(diào)設(shè)備等產(chǎn)品,用于完成與起豎托架的對接、技術(shù)區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的運輸以及運輸過程中整流罩內(nèi)的空調(diào)保障,相對“兩平兩垂”模式,一個為整箭運輸,一個為單模塊運輸,整體規(guī)模要大幅度增加。
c)起豎托架:具有支撐、調(diào)平功能,滿足箭體水平對接的要求;起豎對接裝置,用于在發(fā)射區(qū)將箭體從水平狀態(tài)起豎到垂直狀態(tài),并與發(fā)射臺對接;抱箭機構(gòu),用于轉(zhuǎn)運、起豎過程中鎖緊箭體,防止出現(xiàn)箭體滑動;擺桿,用于支撐箭體加注、供氣、空調(diào)連接器,并能在起飛前快速擺開,讓出火箭起飛安全距離;為加注、供氣、空調(diào)管路以及測控電纜提供布局空間。
d)噴水設(shè)備:一級噴水機構(gòu)、二級噴水機構(gòu)、測控系統(tǒng)等,用于降低火箭發(fā)射時發(fā)射臺上的溫度和噪聲,保障活動發(fā)射平臺安全,功能、原理、規(guī)模和“兩平兩垂”模式下基本相同。
e)供氣設(shè)備:供氣設(shè)備功能、原理、規(guī)模和“三垂”模式下基本相同,但由于技術(shù)區(qū)也要測試,技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)都需設(shè)有一套完整設(shè)備。
f)測控設(shè)備:測控設(shè)備功能、原理、規(guī)模和“三垂”模式下基本相同,但由于技術(shù)區(qū)也要測試,技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)都需設(shè)有一套完整設(shè)備。
g)水平廠房:內(nèi)部空間要有足夠的長度,滿足箭體水平組裝的空間要求;吊裝設(shè)備,用于箭體水平組裝的吊裝工作;供氣、供電設(shè)備,用于保障箭體測試需求。
h)簡易勤務(wù)塔:各類測試間,用于放置測試設(shè)備;空調(diào)設(shè)備,保障轉(zhuǎn)場后整流罩及前置設(shè)備間內(nèi)溫濕度環(huán)境;頂部設(shè)有水箱,用于噴水系統(tǒng)供水。
上述配套是立足發(fā)射支持系統(tǒng)總體配套簡單、易操作思路下給出的,有些系統(tǒng)還會有其它配套方案。
a)在“三平”測發(fā)模式下,供氣設(shè)備和測發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)及發(fā)射區(qū)都進行了配套,沒采用一套移動設(shè)備方案,是因為供氣設(shè)備數(shù)量多,尺寸大,如某型號配套的4 m×0.8 m×1.8 m尺寸的配氣臺有6個,其余還有小配氣臺、配氣箱若干,無論是采用集裝箱車載方案或集成到轉(zhuǎn)運車上,帶來的設(shè)計和操作難度都比較大;
b)在“兩平兩垂”測發(fā)模式下,勤務(wù)塔上設(shè)置了擺桿設(shè)備,沒有在發(fā)射臺上設(shè)置臍帶塔、擺桿設(shè)備,是因為在固定勤務(wù)塔存在的情況下,擺桿設(shè)置在固定勤務(wù)塔比設(shè)置在臍帶塔總體配套優(yōu)化;
c)在“兩平兩垂”測發(fā)模式下,固定勤務(wù)塔設(shè)有箭體吊裝功能,此處沒有選擇西昌2號工位的移動勤務(wù)塔方案,因為移動勤務(wù)塔尺寸大、造價高,使用和維護也不方便,若考慮勤務(wù)塔上設(shè)置吊車?yán)щy,也可以考慮采用汽車吊方案。
a)3種測發(fā)模式都有成熟應(yīng)用,只是“三平”測發(fā)模式在中國只有長征6、長征11使用,但由于火箭規(guī)模相對較小,在技術(shù)上只能部分借鑒。
b)“三垂”模式下,活動發(fā)射平臺具有支撐、調(diào)平、排導(dǎo)燃?xì)饬?、支撐連接器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、行走、防護前置測發(fā)控設(shè)備以及轉(zhuǎn)場過程中的空調(diào)保障等功能,功能多、系統(tǒng)復(fù)雜,技術(shù)難度大,“三平”和“兩平兩垂”模式下,發(fā)射臺功能簡單,規(guī)模小,技術(shù)難度一般。
c)“三平”模式下,起豎托架集支撐、調(diào)平、起豎、對接、鎖緊、支撐連接器等功能于一身,且考慮到轉(zhuǎn)運、起豎等工況,外形尺寸和重量都要進行一定的限制,中國無成熟經(jīng)驗可以借鑒,技術(shù)難度非常大。
d)“三平”模式下轉(zhuǎn)運車功能多、規(guī)模大、負(fù)載重,相對技術(shù)難度大,“兩平兩垂”模式下技術(shù)難度次之,“三垂”模式下轉(zhuǎn)運功能屬于活動發(fā)射平臺。
e)“三垂”模式下,活動發(fā)射平臺重量大,轉(zhuǎn)移軌道相對技術(shù)難度最大,“三平”模式下難度次之,“兩平兩垂”模式下,箭體單模塊運輸,難度最小。
f)噴水、供氣、測控等系統(tǒng)在3種模式下,技術(shù)難度基本相當(dāng),只是不同的模式下,配套數(shù)量和放置空間要求略有不同。
g)“三垂”模式下的組裝廠房(含垂直廠房、水平廠房)非常高,且要滿足測試用操作平臺、供氣、供電等需求,最復(fù)雜,難度最大;“三平”模式下滿足測試用供氣、供電等需求,難度次之;“兩平兩垂”模式下技術(shù)廠房內(nèi)只有簡單測試,難度最低。
h)“兩平兩垂”模式下的勤務(wù)塔包含吊車、擺桿、操作平臺、水箱、測試房間等,難度最大;“三垂”模式下相對“兩平兩垂”模式,減少了吊車、擺桿設(shè)備,難度次之;“三平”模式下勤務(wù)塔只有水箱和設(shè)備房間,難度最低。
對上述分析列表對比,見表1。
表1 技術(shù)難度對比分析Tab.1 Technical Difficulty Contrast Analysis Table
a)地面設(shè)備恢復(fù)階段?!皟善絻纱埂蹦J较略O(shè)備在發(fā)射區(qū)可以全面測試,各系統(tǒng)可并行開展,測試時間最短,“三垂”和“三平”模式下,需要在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)分別開展測試,如“三垂”模式下,活動發(fā)射平臺的驅(qū)動系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)場過程中測試,噴水系統(tǒng)和加注系統(tǒng)的全系統(tǒng)測試需要活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)移到發(fā)射工位才能開展,“三平”模式下起豎裝置的測試也只能在發(fā)射區(qū)才能開展,因此,此兩種模式下,設(shè)備恢復(fù)時間較長。
b)火箭的組裝階段。3種模式流程時間和操作難度相當(dāng),“兩平兩垂”模式下,需要將箭體從技術(shù)區(qū)運輸?shù)桨l(fā)射區(qū)進行吊裝,但由于箭體安裝過程中,其余箭體模塊可以運輸,并行開展工作,因此對整個流程時間影響不大;
c)火箭測試,含單元測試、分系統(tǒng)測試、總檢查、一直到進入到發(fā)射日程序前的測試階段?!皟善絻纱埂蹦J较录w狀態(tài)沒有變化,除測試需求外,設(shè)備不需要斷開,因此測試時間最短;“三垂”模式下,轉(zhuǎn)場過程中雖然大部分箭地接口保持不變,但加注管路、供氣管路、供電電纜需要重新連接,連接后管路需要置換、檢查,測試時間次之;“三平”模式下,轉(zhuǎn)場過程中雖然也能保持大部分箭地接口不變,但有些功能如連接器的脫落、擺桿擺開在技術(shù)區(qū)測試不充分,且同樣存在連接后加注、供氣管路需要置換、檢查工作,測試時間最長。
d)轉(zhuǎn)場,含轉(zhuǎn)場及轉(zhuǎn)場后狀態(tài)轉(zhuǎn)換?!叭埂焙汀叭健蹦J较?,轉(zhuǎn)場后需要狀態(tài)轉(zhuǎn)換,同時需要連接加注管路、供氣管路、噴水管路、空調(diào)管路、供電電纜等設(shè)備,需要一定的時間,而“兩平兩垂”模式下,箭體的轉(zhuǎn)場合并到總裝時間內(nèi),轉(zhuǎn)場時間不計。
e)發(fā)射流程。從發(fā)射日開始進入程序到火箭點火起飛,此流程主要和火箭相關(guān),不同的測發(fā)模式下時間基本相同。
f)撤收流程?!叭埂蹦J较?,需要驅(qū)動系統(tǒng)檢查、前置設(shè)備間檢查,斷開加注管路、供氣管路、噴水管路、空調(diào)管路、供電電纜等設(shè)備,狀態(tài)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)運到技術(shù)廠房內(nèi),用時最長;“三平”模式下,也需要斷開上述設(shè)備,狀態(tài)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)運到技術(shù)廠房內(nèi),用時次之;而“兩平兩垂”模式下,只需要對發(fā)射臺進行簡單檢查和防護即可,用時最短。
對上述分析列表對比,見表2。
表2 測發(fā)流程用時對比分析Tab.2 Time-consuming Comparative Analysis Table for Test-launch Process
同種產(chǎn)品的經(jīng)濟性主要同設(shè)備復(fù)雜程度和配套數(shù)量相關(guān),此處根據(jù)配套設(shè)備功能結(jié)合目前設(shè)備價格體系,形成各設(shè)備經(jīng)濟性對比表,見表3。
表3 經(jīng)濟性對比分析(費用高低對比)Tab.3 Economic Comparative Analysis Table(Cost Comparison)
在相同的外界環(huán)境下,對上述結(jié)果進行綜合分析,可以看出:
a)無論是從技術(shù)難度、測試流程,還是從經(jīng)濟上分析,“兩平兩垂”模式都有一些優(yōu)勢,但此模式下,發(fā)射區(qū)占位時間長、測試環(huán)境相對惡劣,對海南環(huán)境適應(yīng)能力差,且勤務(wù)塔功能復(fù)雜、規(guī)模大,建設(shè)和維護成本較高;
b)“三垂”模式下測發(fā)控設(shè)備放置在活動發(fā)射平臺前置設(shè)備間內(nèi),技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)可以共用一套設(shè)備,轉(zhuǎn)場過程中保持箭地接口不變,可以極大地減少發(fā)射區(qū)占位時間,但此模式下活動發(fā)射平臺系統(tǒng)極其復(fù)雜,且要有高大的垂直廠房、轉(zhuǎn)移軌道、勤務(wù)塔,整體成本高;
c)“三平”模式下不需要高大的垂直廠房和復(fù)雜的勤務(wù)塔,轉(zhuǎn)場過程中也能保持箭地接口不變,縮短發(fā)射區(qū)的占位時間,但此模式中,在當(dāng)前的火箭技術(shù)狀態(tài)條件下,技術(shù)區(qū)測試不能完全覆蓋發(fā)射工況,且需要開展箭體水平組裝、箭體整體轉(zhuǎn)運精確對中起豎、集成擺桿功能的起豎托架設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的研究,關(guān)鍵技術(shù)多。
上述分析是在發(fā)射支持系統(tǒng)的角度上進行的,若考慮到火箭和有效載荷技術(shù)狀態(tài)、高密度發(fā)射等條件下,可能會有不同的結(jié)論,如:
a)在海南環(huán)境下,若箭體模塊多,火箭側(cè)壁加注、供氣、脫插等箭地接口多,需要臍帶塔和擺桿來支撐,“三垂”模式相對有優(yōu)勢,隨著箭體總體技術(shù)進步,后續(xù)構(gòu)型若箭體模塊少,箭地接口也少,起豎托架的技術(shù)難度會大幅度降低,“三平”模式的優(yōu)勢會逐漸凸顯出來;
b)目前中國有效載荷多按垂直狀態(tài)設(shè)計,有些會不適應(yīng)水平轉(zhuǎn)場狀態(tài),因此,“三平”測發(fā)模式對有效載荷的覆蓋能力要弱于其它兩種;
c)高密度時,“三平”模式下技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)各有一套測試設(shè)備,可以保障一發(fā)火箭在發(fā)射臺上準(zhǔn)備發(fā)射,另一發(fā)火箭可以在技術(shù)區(qū)開展測試,測發(fā)控設(shè)備配套多的劣勢又會變成優(yōu)勢。
因此,各測發(fā)模式都有相對的優(yōu)缺點,不存在最優(yōu),在測控模式的論證時,要充分考慮火箭和有效載荷技術(shù)狀態(tài)、發(fā)射場位置、發(fā)射支持系統(tǒng)配套等關(guān)聯(lián)條件后,才能設(shè)計出最為合適的測發(fā)模式。