海上衛(wèi)星發(fā)射船的概念設(shè)計?

郭 亮 田大肥 宮經(jīng)海 佟姝茜

（1.太重（天津）濱海重型機械有限公司技術(shù)中心 天津 300457）

（2.寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司北京研發(fā)中心 北京 100086）（3.海洋石油工程股份有限公司 天津 300461）

1 引言

近年來，許多地處赤道地區(qū)的國家對發(fā)射近赤道、低傾角衛(wèi)星的需求越來越旺盛。發(fā)射這類衛(wèi)星，離赤道越近，運載能力損失越小，發(fā)射成本越低。因此在靠近赤道的海上進行火箭發(fā)射，成為許多航天強國爭相開發(fā)的一種發(fā)射模式［1］。

但是，世界主要航天強國在赤道地區(qū)缺少合適的火箭發(fā)射場，營建新的發(fā)射場投入大，建造周期長，而且存在地緣風(fēng)險。

為了應(yīng)對此種情況，建造一種以船舶為平臺，搭載相應(yīng)的儀器設(shè)備，將其作為海上衛(wèi)星發(fā)射船，用于執(zhí)行海上衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)就成為順理成章的選項。

2 技術(shù)方案應(yīng)遵循的原則

在海上進行衛(wèi)星發(fā)射并不是一個全新的概念，Sea launch公司已經(jīng)做出了嘗試，并執(zhí)行了多次成功的發(fā)射任務(wù)。在海上進行衛(wèi)星發(fā)射有諸多優(yōu)勢：1）選擇在赤道附近發(fā)射運載火箭，可以增加運載火箭的有效載荷，降低發(fā)射成本；2）在空曠的海上機動選擇發(fā)射地點，對周邊環(huán)境影響小，尤其是能夠避免火箭箭體墜落對沿線居民生命、財產(chǎn)安全的威脅；3）在赤道附近發(fā)射運載火箭，能夠以更低的成本發(fā)射低傾角衛(wèi)星，更好地滿足赤道地區(qū)國家的需求。但是由于商業(yè)上的原因，此種發(fā)射模式并沒有推廣開來。所以應(yīng)當(dāng)清醒地認識到，在海上進行衛(wèi)星發(fā)射雖然有多種優(yōu)勢，但也不可避免地存在著一些風(fēng)險。主要包括：

1）須建造專用的海上發(fā)射平臺，建造成本高，初期投入大。

2）在海上發(fā)射面臨的環(huán)境遠比陸上惡劣，技術(shù)難度高，風(fēng)險大。

3）由于缺乏借鑒，同時自身風(fēng)險大，推高了融資與保險成本，惡化了經(jīng)濟性。

針對當(dāng)前階段存在的問題，應(yīng)當(dāng)分兩步走，逐步解決海上發(fā)射模式商業(yè)性差，風(fēng)險高、收益低的缺陷：第一步，采用成熟技術(shù)，建造低成本、低風(fēng)險的發(fā)射平臺，從發(fā)射小型固體火箭入手，逐步摸索出一套成熟可靠的技術(shù)線路［2］；第二步，在此基礎(chǔ)上逐步采用大型發(fā)射平臺，發(fā)射大型固體火箭，甚至是液體火箭。

其中發(fā)射小型固體火箭是必須要走的重要一步，在此階段應(yīng)當(dāng)探尋與海上發(fā)射相適應(yīng)的商業(yè)運作模式和盈利模式。同時也是從無到有，從易到難，逐步積累技術(shù)和經(jīng)驗的過程。

當(dāng)前要做的是走好第一步，為了保證工程項目的順利推進，在此過程中應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點：

1）采用小型發(fā)射平臺，發(fā)射小型固體火箭；發(fā)射平臺采用成熟技術(shù)，降低建造、運行、維護成本。

2）采用技術(shù)成熟，性能可靠的火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，確保成功率，提升公眾和商業(yè)機構(gòu)對此種發(fā)射模式的信心。

3）確保發(fā)射過程的安全、環(huán)保，打消公眾在安全、環(huán)保方面的疑慮，為工程的推進開展減少阻力。

3 提出總體設(shè)計方案

根據(jù)上文提出的觀點，在技術(shù)發(fā)展的初期階段，出于節(jié)約成本與控制風(fēng)險的考慮，可以將發(fā)射平臺造得適當(dāng)?shù)男?，與之對應(yīng)的應(yīng)當(dāng)選擇較小的運載火箭。以快舟一號甲運載火箭為例，該火箭是由中國航天科工運載技術(shù)研究院研制的三級固體運載火箭，可采用車載機動發(fā)射方式，具備一箭多星發(fā)射能力［3］。該火箭全長約20m，起飛質(zhì)量約30t，最大推力約36t，最大直徑1.4m，近地軌道運載能力為300kg。

圍繞該型火箭，設(shè)計一種以船舶為基礎(chǔ)的用于執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的多功能海上機動發(fā)射平臺，如圖1所示。該發(fā)射平臺水線長104.1m，型寬16.8m，型深10.0m，吃水6.0m，排水量8100t。搭載用于執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)的全套儀器設(shè)備，設(shè)置專用艙室，能夠在航行過程中完成火箭與衛(wèi)星的安裝調(diào)試工作，集運輸、組裝、調(diào)試、起豎、發(fā)射功能于一身。

圖1 海上衛(wèi)星發(fā)射船總體設(shè)計方案

采用的技術(shù)方案是：在主甲板（16）中部設(shè)置主甲板艙口（15），用于火箭箭體與衛(wèi)星的吊裝與轉(zhuǎn)運，將火箭箭體與衛(wèi)星分別安置在火箭組裝調(diào)試艙（6）與衛(wèi)星組裝調(diào)試艙（7）。組裝完成，搭載衛(wèi)星的火箭將被轉(zhuǎn)運至火箭發(fā)射臺（11），火箭發(fā)射臺下設(shè)置水池（12），用以在火箭發(fā)射過程中保護主船體。水池下方是火箭燃料儲存艙（3），用于儲存火箭與衛(wèi)星使用的液體燃料。出于安全考慮，在火箭燃料儲存艙與船體其他艙室之間設(shè)置前、后隔離空艙（1）、（4）?；鸺l(fā)射對于精度有較高的要求，所以在船體中部的火箭組裝調(diào)試艙以下的艙室設(shè)置為壓載艙（5），可以增加船舶吃水，提高船舶穩(wěn)性。另外，將火箭燃料儲存艙和衛(wèi)星組裝調(diào)試艙以下的艙室設(shè)置為前、后減搖水艙（2）、（8），進一步提高船舶穩(wěn)性。將主船體尾部艙室設(shè)置為主機艙（9），用以布置主機和其他相關(guān)機械設(shè)備。在主船體后部，主機艙以上設(shè)置上層建筑（17），用于工作人員的居住和生活，并將其中一層設(shè)置為火箭發(fā)射指揮控制室（13），用以指揮控制完成火箭發(fā)射任務(wù)。將主甲板的尾部設(shè)置為直升機甲板（19），用于直升機的起降。在艏樓甲板和尾部直升機甲板周邊的系泊設(shè)備平臺（20）位置布置船舶常用的錨泊設(shè)備和系泊設(shè)備。

具體工作原理和過程為：海上衛(wèi)星發(fā)射船在港口內(nèi)接收將要發(fā)射的火箭和衛(wèi)星，通過主甲板艙口（15）吊裝進主船體（10）內(nèi)，并分別放置在火箭組裝調(diào)試艙（6）和衛(wèi)星組裝調(diào)試艙（7）。然后離開港口，前往預(yù)定的發(fā)射地點，并在航行過程中完成火箭與衛(wèi)星的組裝調(diào)試與星箭結(jié)合，為之后的發(fā)射任務(wù)做好準備。在到達預(yù)定的發(fā)射位置后，調(diào)整船體姿態(tài)，向壓載艙（5）注水，增加船體吃水，保持船體穩(wěn)定并向火箭發(fā)射臺（11）下的水池（12）內(nèi)注水。檢測火箭與衛(wèi)星的狀態(tài)，等待合適的發(fā)射窗口。在發(fā)射窗口到來的時機，啟動前、后減搖水艙（2）、（8），進一步提高船體穩(wěn)性。打開主甲板艙口（15），將完成組裝的火箭提升至主甲板（16）以上，然后將其轉(zhuǎn)運至火箭發(fā)射臺（11）。用于提升火箭的機械設(shè)備在完成任務(wù)后退回到主船體（10）內(nèi)，同時關(guān)閉主甲板艙口（15），甲板上的所有人員撤離。由技術(shù)人員在火箭發(fā)射指揮控制室（13）內(nèi)操作完成火箭的發(fā)射任務(wù)，并操縱雷達完成對火箭的跟蹤測控任務(wù)。完成發(fā)射任務(wù)后，關(guān)閉減搖水艙，排出多余壓載水，釋放火箭發(fā)射臺下水池內(nèi)的水，駕駛船舶返回港口，等待下一次發(fā)射任務(wù)。

4 改善平臺穩(wěn)性

在執(zhí)行海上火箭發(fā)射任務(wù)時，對船舶靜止狀態(tài)下的穩(wěn)性有較高的要求，所以船上須設(shè)置減搖水艙。依據(jù)控制方式減搖水艙可分為被動式減搖水艙、可控被動式減搖水船和主動式減搖水艙。被動式減搖水艙由于結(jié)構(gòu)形式固定，減搖頻帶較窄，減搖能力相對較差；主動式減搖水艙由于消耗能量較多，目前應(yīng)用很少；可控被動式減搖水艙通過一定的控制，拓寬了可減搖的頻帶，同時耗能極小，因此被廣泛應(yīng)用［4］。

目前國際上可控被動式減搖水艙主要有兩種形式，第一種是采用氣閥開關(guān)控制空氣連通道，調(diào)節(jié)水艙固有周期的氣閥式可控被動式水艙。對復(fù)雜海況有較強的適應(yīng)性，但同時也存在控制難度大、可靠性差，使用維護成本高，管道設(shè)備多，占用空間多等缺點。第二種是通過變化擋板開啟角度改變水連通道的連通面積，拓展減搖周期的范圍的可變周期減搖水艙?？梢酝ㄟ^控制不同位置和數(shù)量的擋板開關(guān)來調(diào)節(jié)減搖水艙的工作狀態(tài)，使其適應(yīng)不同的航行環(huán)境，達到最佳的減搖效果［5］。具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、成本低、自搖周期適應(yīng)性范圍廣的優(yōu)點，但同時也存在著對復(fù)雜海況應(yīng)對能力差的缺點。結(jié)合實際情況，在執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)的過程中，必然要選擇合適的氣象條件，海況不會特別惡劣。所以對減搖水艙的性能不敏感，而對建造成本和技術(shù)難度更為敏感，故決定采用第二種減搖水艙設(shè)計方案。

在設(shè)計減搖水艙時，為保證減搖水艙的減搖效果，一般要求減搖水艙滿足以下幾點要求［6］：

1）要求可控被動式減搖水艙固有周期、船的橫搖周期以及船舶所在服務(wù)海域搖擺的最小周期盡量接近；

2）艙內(nèi)水的重量在排水量的5%以內(nèi)；

3）水艙內(nèi)自由液面帶來的穩(wěn)性損失一般限制在使初穩(wěn)性高減小25%的范圍內(nèi)［7］；

4）為使水艙內(nèi)的水不沖擊艙頂及不產(chǎn)生嚴重的噪聲，水的移動在高度方向應(yīng)不受限制，為此，水艙的高度不小于艙內(nèi)水深的1.7倍［8］；

5）減搖水艙盡可能寬，而且盡量高。為避免在隨浪中出現(xiàn)過大的艏搖運動，減搖水艙在船上的縱向位置不應(yīng)過于遠離船舶重心。

結(jié)合本船的實際情況，充分利用雙層殼體之間的空間，分別設(shè)置前、后減搖水艙，可充分滿足上述要求?？勺冎芷跍p搖水艙基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。水艙邊艙用擋板隔開，分成Tank A和Tank B兩個部分，對應(yīng)設(shè)置兩個空氣連通道，用兩個閥F1和F2控制其開關(guān)。在底部連通道設(shè)置3個旋轉(zhuǎn)擋板D1，D2和D3。

圖2 可變周期減搖水艙實物簡圖

可以通過控制F1和F2兩個氣閥和水艙擋板D1，D2和D3的轉(zhuǎn)動，改變水艙的固有周期。根據(jù)船舶的橫搖角、橫搖角速度等信息以及水艙內(nèi)液體的流動狀態(tài)，利用葉片的角度調(diào)整水艙內(nèi)液體振蕩參數(shù)，使液體的流動適應(yīng)船舶橫搖周期的變化，達到有效減搖的目的［9］。

可變周期減搖水艙可以工作在表1所示的不同狀態(tài)下。

表1 可變周期減搖水艙的4種工作狀態(tài)

可變周期減搖水艙周期計算公式為［10］

式中，g為重力加速度，g=9.81m s2。

式中，A0為邊艙截面積，；Bc為水艙邊艙內(nèi)壁間距；Dc為連通道高度；Lc為連通道寬度；Lt為兩邊艙長度；Bt為水艙總寬度；h為靜水面深度；θ為邊艙傾斜角度。具體如圖3所示。

圖3 可變周期減搖水艙結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)以上公式計算得出的水艙周期如表2所示。

表2 估算公式計算所得水艙周期

參考已有的實驗與仿真數(shù)據(jù)，可變周期減搖水艙可以在5.5s～18s的周期范圍內(nèi)有效減搖，大大超出了被動式減搖水艙的工作頻帶，而且不產(chǎn)生增搖效果。諧搖處的減搖效果50%左右，平均減搖效果不小于30%［11］。這樣的效果完全能夠滿足火箭發(fā)射過程中對船舶穩(wěn)性的要求。

5 校核結(jié)構(gòu)強度

火箭發(fā)射過程中會對船體產(chǎn)生較大沖擊力，必須校核船體的結(jié)構(gòu)強度能否滿足要求［12］。根據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范》，設(shè)計船體在火箭發(fā)射臺位置的典型強肋骨剖面，材質(zhì)選為AH36。根據(jù)馬艷麗等人的研究成果，當(dāng)發(fā)射平臺距離發(fā)動機噴口1.7m時，發(fā)射平臺壁面中心點的壓力為2.7atm。此種工況與本文設(shè)計方案的數(shù)據(jù)非常接近，故以此為參考。出于保守考慮，在計算時將發(fā)射平臺中心壁面中心點的壓力取為3atm。同時按照規(guī)范要求，在船體內(nèi)底板施加13000N/m2的甲板載荷，以此為輸入條件，建模計算船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖4 火箭發(fā)射臺位置受力分析圖

計算結(jié)果如圖4所示，船體最大應(yīng)力為218MPa。經(jīng)校核，此種設(shè)計方案符合強度要求。

6 結(jié)語

本文結(jié)合以往海上衛(wèi)星發(fā)射平臺取得的經(jīng)驗教訓(xùn)，總結(jié)了在海上執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)存在的技術(shù)與商業(yè)風(fēng)險，并提出了今后一段時間進行海上衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的探索過程中應(yīng)當(dāng)遵循的原則，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

以上述原則為基礎(chǔ)，提出了一種海上衛(wèi)星發(fā)射船的總體設(shè)計方案。并對該設(shè)計方案在靜止狀態(tài)下的穩(wěn)性，以及在受到火箭發(fā)射的沖擊載荷時的強度進行校核。證明此種設(shè)計方案在滿足強度要求的同時，能夠與減搖水艙充分配合，達到減搖的效果。初步驗證了該設(shè)計方案的可行性。