肖士利,何 巍,秦旭東
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)
運(yùn)載火箭的測試發(fā)射模式(以下簡稱測發(fā)模式)是指火箭在發(fā)射場技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)、總裝、測試過程中的技術(shù)物理狀態(tài),通過轉(zhuǎn)運(yùn)、總裝、測試這3個(gè)狀態(tài)基本上能反映火箭的技術(shù)狀態(tài)、測發(fā)流程、地面設(shè)施設(shè)備和發(fā)射場總體布局的特點(diǎn)。測發(fā)模式一經(jīng)確定,就決定了火箭在發(fā)射場的測發(fā)流程和發(fā)射場設(shè)施設(shè)備的總體方案與基本規(guī)模。
目前,各國運(yùn)載火箭常用的測發(fā)模式主要有3種:一平兩垂(火箭水平轉(zhuǎn)運(yùn)、垂直總裝、垂直測試)、三垂(火箭垂直轉(zhuǎn)運(yùn)、垂直總裝、垂直測試)和三平(火箭水平轉(zhuǎn)運(yùn)、水平總裝、水平測試),3種測發(fā)模式各有優(yōu)缺點(diǎn),在國內(nèi)外火箭中均有應(yīng)用。由于測發(fā)模式對火箭和發(fā)射場總體方案起著重要作用,未來我國運(yùn)載火箭在不同的發(fā)射場采用何種測發(fā)模式才能發(fā)揮出最大效能是一個(gè)值得研究的問題。本文提出了一種測發(fā)模式定量分析方法,開展了我國小型、中型、大型及重型運(yùn)載火箭在不同發(fā)射場最優(yōu)測發(fā)模式分析,為我國下一代運(yùn)載火箭測發(fā)模式發(fā)展思路提供重要參考。
該模式在發(fā)射場技術(shù)區(qū)建設(shè)水平準(zhǔn)備廠房,發(fā)射區(qū)建設(shè)固定發(fā)射臺、地下設(shè)備間、勤務(wù)塔和臍帶塔?;鸺鞑慷卧诩夹g(shù)區(qū)水平準(zhǔn)備廠房完成狀態(tài)檢查后,通過公路運(yùn)輸車將各級運(yùn)往發(fā)射區(qū),用勤務(wù)塔上的吊車將各級火箭、整流罩/有效載荷或其組合體垂直吊裝對接在發(fā)射臺上,經(jīng)過測試后進(jìn)行加注發(fā)射,如圖1所示。
圖1 一平兩垂測發(fā)模式Fig.1 One-level and two-vertical test and launch mode
該模式的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)區(qū)設(shè)施簡單,在發(fā)射區(qū)測試過程連貫,無需狀態(tài)轉(zhuǎn)換。對發(fā)射臺要求較低,火箭運(yùn)輸條件低,操作簡單。但該模式對發(fā)射區(qū)設(shè)施要求高,需要修建功能完整、全封閉式的塔架用于火箭吊裝和測試,而且火箭在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間長,每兩次發(fā)射時(shí)間間隔長。發(fā)射區(qū)塔架一般可采取兩種不同的組合形式,一是固定勤務(wù)塔和臍帶塔方式,二是固定臍帶塔和活動勤務(wù)塔方式。我國的CZ-2C、CZ-3A系列以及CZ-4系列火箭采用這種模式。
該模式在發(fā)射場技術(shù)區(qū)垂直總裝測試廠房內(nèi),將各級箭體、整流罩/有效載荷組合體垂直組裝在活動發(fā)射平臺上,完成各項(xiàng)測試后,通過活動發(fā)射平臺將火箭垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū),在發(fā)射區(qū)經(jīng)綜合測試后進(jìn)入發(fā)射準(zhǔn)備階段,如圖2所示。
圖2 三垂測發(fā)模式Fig.2 Three-vertical test and launch mode
該模式的優(yōu)點(diǎn)是測試環(huán)境好,技術(shù)區(qū)及發(fā)射區(qū)測試可采用同一套前端測試設(shè)備,且在運(yùn)輸時(shí)測試狀態(tài)不斷開,確保技術(shù)區(qū)的測試狀態(tài)及測試結(jié)果有效,有效降低火箭在發(fā)射區(qū)的工作時(shí)間,便于連續(xù)發(fā)射。但該模式對地面設(shè)施設(shè)備要求高,除了在技術(shù)區(qū)建設(shè)高大的垂直總裝廠房外,部分火箭還需要在發(fā)射區(qū)建設(shè)勤務(wù)塔,同時(shí)對活動發(fā)射平臺要求高,整個(gè)地面設(shè)施設(shè)備規(guī)模較大,造價(jià)較高。美國的土星5號、航天飛機(jī)、SLS、宇宙神5,歐洲的阿里安5,日本的H-2A,中國的CZ-2F、CZ-5、CZ-7等火箭均采用這種模式。
該模式在發(fā)射場技術(shù)區(qū)水平準(zhǔn)備廠房內(nèi)完成箭體水平組裝和有效載荷水平對接,完成各項(xiàng)測試后,由轉(zhuǎn)運(yùn)車將火箭水平轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū),在發(fā)射區(qū)開展火箭整體起豎、箭地連接、加注和發(fā)射,如圖3所示。
圖3 三平測發(fā)模式Fig.3 Three-level test and launch mode
該模式的優(yōu)點(diǎn)是可以避免在技術(shù)區(qū)建設(shè)高大的垂直總裝測試廠房且發(fā)射區(qū)地面設(shè)施較為簡單,對運(yùn)輸?shù)缆芬筝^低,轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)所用的運(yùn)輸車輛與三垂模式相比,較經(jīng)濟(jì)。美國的獵鷹9、蘇聯(lián)/俄羅斯的能源號、聯(lián)盟號、質(zhì)子號和天頂號,我國的CZ-6和CZ-11等火箭采用這種模式。
火箭和有效載荷在水平狀態(tài)下組裝和測試,須解決測試狀態(tài)和發(fā)射狀態(tài)不一致的問題。對于這種方式,如果有效載荷不允許水平運(yùn)輸,可以將整流罩/有效載荷組合體運(yùn)輸至發(fā)射區(qū)與火箭垂直對接,但須在發(fā)射區(qū)額外配套勤務(wù)塔吊車和操作平臺,進(jìn)而增加了發(fā)射區(qū)建設(shè)規(guī)模。比如按照三平模式來設(shè)計(jì)的德爾它4H和在庫魯發(fā)射場發(fā)射的聯(lián)盟號火箭,因有效載荷不能適應(yīng)水平對接、轉(zhuǎn)運(yùn)及測試,火箭基礎(chǔ)級(一二級、助推器)采用水平組裝和水平測試,整流罩/有效載荷組合體采用垂直組裝的方式與基礎(chǔ)級對接,這種模式可認(rèn)為是三平模式的過渡狀態(tài),或稱為“兩平一垂”測發(fā)模式,即火箭水平轉(zhuǎn)運(yùn)和水平測試,整流罩/有效載荷組合體垂直對接。
俄羅斯火箭一直以來都采用三平模式,歐洲火箭主要采用三垂模式,美國火箭早期以三垂模式為主,隨著獵鷹9火箭的發(fā)展,目前三垂模式和三平模式均有應(yīng)用。我國火箭也采用了多種測發(fā)模式,早期火箭以一平兩垂模式為主,三垂模式為輔,新一代運(yùn)載火箭以三垂模式為主,三平模式為輔。
國外火箭發(fā)射場設(shè)施較為簡單,基本都采用簡易勤務(wù)塔模式,部分火箭直接取消了勤務(wù)塔,火箭在發(fā)射區(qū)都是露天測試及加注,這對火箭的可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和使用維護(hù)性能提出了很高的要求。我國大中型火箭在發(fā)射區(qū)都采用了全封閉式的勤務(wù)塔方案,為火箭在發(fā)射區(qū)的操作、測試、檢查提供良好的環(huán)境保障條件,對地面設(shè)施的保障能力提出了很高的要求,發(fā)射場整體建設(shè)規(guī)模較大。
測發(fā)模式論證需結(jié)合我國實(shí)際情況,應(yīng)具備較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性、較高的可靠性和安全性、較好的經(jīng)濟(jì)性,從這4個(gè)指標(biāo)中可以細(xì)化出13項(xiàng)影響因素,如圖4所示。
任務(wù)適應(yīng)性可通過快速發(fā)射能力、連續(xù)發(fā)射能力、通用發(fā)射能力、逆流程處置能力、有效載荷適應(yīng)能力等5個(gè)方面來分析。
1)快速發(fā)射能力反映火箭在發(fā)射場的測發(fā)周期;
2)連續(xù)發(fā)射能力反映火箭在同一個(gè)工位連續(xù)兩次發(fā)射的時(shí)間間隔和火箭在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間;
3)通用發(fā)射能力反映不同構(gòu)型火箭在同一個(gè)發(fā)射工位的適應(yīng)能力;
4)逆流程處置能力表征火箭在故障情況下,應(yīng)急處理的處置能力;
5)有效載荷適應(yīng)能力反映有效載荷水平或者垂直總裝、測試、轉(zhuǎn)運(yùn)的適應(yīng)能力。
圖4 測發(fā)模式影響因素Fig.4 The influencing factors of test and launch mode
通過優(yōu)化發(fā)射場測發(fā)流程,縮短火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間和每次發(fā)射后恢復(fù)時(shí)間,具備快速發(fā)射能力和連續(xù)發(fā)射能力,滿足不同的任務(wù)需求;同一發(fā)射工位盡可能適應(yīng)不同構(gòu)型火箭發(fā)射能力;火箭出現(xiàn)重大故障時(shí),應(yīng)具備較好的逆流程處置能力;有效載荷能夠適應(yīng)水平和垂直總裝測試狀態(tài)。
環(huán)境適應(yīng)性通過火箭在發(fā)射場總裝、測試、轉(zhuǎn)運(yùn)這3個(gè)狀態(tài)來反映,這3個(gè)狀態(tài)對應(yīng)3種不同的環(huán)境,分別是總裝環(huán)境、測試環(huán)境和轉(zhuǎn)場環(huán)境。
1)總裝環(huán)境適應(yīng)性表征火箭在發(fā)射場總裝過程的環(huán)境適應(yīng)性,一般受自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境影響,其中火箭吊裝可分為室內(nèi)吊裝和室外吊裝;
2)測試環(huán)境適應(yīng)性反映火箭在各種天氣情況下的測試發(fā)射保障難度;
3)轉(zhuǎn)場環(huán)境適應(yīng)性反映火箭在轉(zhuǎn)場過程中的自然環(huán)境適應(yīng)性和力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。
火箭在發(fā)射場應(yīng)具備較強(qiáng)的自然環(huán)境適應(yīng)能力和運(yùn)輸環(huán)境適應(yīng)能力。
可靠性和安全性主要通過火箭測發(fā)狀態(tài)改變程度、技術(shù)基礎(chǔ)來反映。
1)測發(fā)狀態(tài)改變程度反映火箭測試和發(fā)射時(shí)狀態(tài)改變程度;
2)技術(shù)基礎(chǔ)反映該模式在發(fā)射場總裝、測試和發(fā)射的成熟度和可靠度。
火箭和有效載荷測試狀態(tài)和發(fā)射狀態(tài)基本保持一致,減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換;發(fā)射場技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)盡量使用同一套前端地面設(shè)備,與箭體連接測試完成后狀態(tài)不再變化;采用技術(shù)基礎(chǔ)好和成熟度高的技術(shù),其可靠性和安全性相對較高。
火箭在發(fā)射場的主要設(shè)施設(shè)備包括火箭地面測發(fā)控設(shè)備、發(fā)射臺和發(fā)射場設(shè)施等,以上設(shè)施設(shè)備可以反映建設(shè)規(guī)模,體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。
1)火箭測發(fā)控設(shè)備主要通過配套數(shù)量、箭體總裝設(shè)備規(guī)模等反映;
2)發(fā)射臺一般包括固定發(fā)射臺或活動發(fā)射臺;
3)發(fā)射場設(shè)施主要包括技術(shù)區(qū)測試廠房、轉(zhuǎn)運(yùn)軌道和發(fā)射區(qū)勤務(wù)塔等。
測發(fā)模式論證時(shí)應(yīng)盡量降低火箭地面測發(fā)控設(shè)備、發(fā)射臺和發(fā)射場建設(shè)規(guī)模,降低成本,提高使用維護(hù)性能。
運(yùn)載火箭3種測發(fā)模式對比分析如表1所示。
按運(yùn)載能力劃分,可把我國運(yùn)載火箭大致分為小型、中型、大型、重型等,其中小型火箭直徑一般小于3.35 m,中型火箭直徑一般為3.35 m,大型火箭直徑一般為5 m,重型火箭直徑一般為10 m級。
我國目前有4個(gè)發(fā)射場,其中1個(gè)沿海發(fā)射場,為文昌發(fā)射場,其他3個(gè)為內(nèi)陸發(fā)射場,分別是西昌發(fā)射場、酒泉發(fā)射場和太原發(fā)射場。
測發(fā)模式定量分析法按照以下步驟進(jìn)行分析。
1)梳理出測發(fā)模式影響因素,共4大類13項(xiàng),見圖4。
2)對測發(fā)模式影響因素綜合分析,分別對火箭在4個(gè)發(fā)射場采用不同測發(fā)模式的影響因素進(jìn)行評分,評分采用5分制。根據(jù)表1的分析結(jié)果,每項(xiàng)影響因素按照1~5分進(jìn)行評分,1分表示差,2分表示較差,3分表示一般,4分表示較好,5分表示好。
表1 3種測發(fā)模式對比分析
3)對測發(fā)模式影響因素進(jìn)行權(quán)重評分,即影響因子。影響因子按照重要程度分為重要影響因素和一般影響因素兩類,其中重要影響因素是指對測發(fā)模式影響較大的的因素,影響因子為10%;一般影響因素是指對測發(fā)模式影響較小的的因素,影響因子為5%,詳見表2。影響因子設(shè)置原則如下:
①在任務(wù)適應(yīng)性中,快速發(fā)射能力和連續(xù)發(fā)射能力表征火箭在發(fā)射場的測發(fā)周期和發(fā)射工位時(shí)間,決定了火箭的最大年發(fā)射量,是影響發(fā)射能力的重要因素;有效載荷適應(yīng)能力決定了全箭是否能夠水平或垂直總裝測試,是發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性的重要影響因素;而通用發(fā)射能力和逆流程處置能力則不會顯著影響火箭的最大年發(fā)射量和有效載荷發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性,是一般影響因素。
②在環(huán)境適應(yīng)性中,火箭在發(fā)射場的總裝時(shí)間和轉(zhuǎn)場時(shí)間較短,一般不超過1天,且總裝時(shí)間和轉(zhuǎn)場時(shí)間可根據(jù)天氣好壞進(jìn)行選擇。而火箭測試一直貫穿整個(gè)發(fā)射場,時(shí)間需要數(shù)周或數(shù)月,更易受自然環(huán)境的影響。因此,測試環(huán)境是重要影響因素。
③在可靠性和安全性中,測發(fā)狀態(tài)改變程度和技術(shù)基礎(chǔ)均會較大程度地影響發(fā)射可靠性,均為重要影響因素。
④在經(jīng)濟(jì)性中,發(fā)射場測試廠房、勤務(wù)塔及轉(zhuǎn)運(yùn)軌道等設(shè)施的造價(jià)比發(fā)射臺、火箭測發(fā)控設(shè)備造價(jià)更高,是重要影響因素。
需要特別說明的是,對于執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)的火箭,某些因素會成為決定性因素。比如,CZ-2F載人火箭在空間站運(yùn)營階段有應(yīng)急救援發(fā)射任務(wù)需求,對火箭的連續(xù)快速發(fā)射能力和發(fā)射可靠性提出了很高的要求,其任務(wù)適應(yīng)性、可靠性和安全性應(yīng)給出更高的影響因子,降低經(jīng)濟(jì)性影響因子。因此,CZ-2F火箭在發(fā)射場立項(xiàng)論證時(shí),提出了三垂測發(fā)模式,垂直總裝測試廠房有兩個(gè)測試工位以及配套了兩個(gè)活動發(fā)射平臺和兩套地面設(shè)備,可同時(shí)存放兩發(fā)火箭。
表2 影響因素及其影響因子
4)分別計(jì)算得出小、中、大、重型火箭在4個(gè)發(fā)射場3種測發(fā)模式的綜合評分,綜合評分越高者為優(yōu)。計(jì)算公式見式(1),其中S
為綜合評分結(jié)果,A
分別表示13個(gè)影響因素評分,B
為該影響因素對應(yīng)的影響因子評分。(1)
表3給出了中型火箭在文昌發(fā)射場采用三垂模式的評分方法和計(jì)算結(jié)果,影響因素評分A
根據(jù)表1分析結(jié)果給出,影響因子評分B
根據(jù)表2分析結(jié)果給出,可得出綜合評分結(jié)果為3.75。小型、中型、大型、重型火箭在不同發(fā)射場采用不同測發(fā)模式綜合評分見表4,可得出以下結(jié)論:
表3 中型火箭在文昌發(fā)射場采用三垂測發(fā)模式綜合評分
1)在我國現(xiàn)有技術(shù)水平下,小型火箭在4個(gè)發(fā)射場優(yōu)選三平模式,大型火箭和重型火箭在文昌發(fā)射場優(yōu)選三垂模式,中型火箭在文昌發(fā)射場優(yōu)選三垂模式,在內(nèi)陸發(fā)射場優(yōu)選一平兩垂模式。
2)一平兩垂模式在內(nèi)陸發(fā)射場具有明顯的優(yōu)勢,除連續(xù)發(fā)射能力評分相對較低之外,在其他方面評分高,沒有明顯的短板,綜合評分高。若要實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射,可進(jìn)一步簡化技術(shù)區(qū)工作,優(yōu)化發(fā)射流程或建多個(gè)發(fā)射工位。實(shí)踐證明,一平兩垂模式發(fā)射工位建設(shè)周期較短,總投資較低,是比較經(jīng)濟(jì)適用的測發(fā)模式,具有典型的中國特色。一平兩垂模式在文昌發(fā)射場得分較低,主要原因是文昌發(fā)射場高溫、高濕、高鹽霧、淺層風(fēng)以及臺風(fēng)等環(huán)境因素導(dǎo)致總裝測試環(huán)境差。
3)三垂模式在文昌發(fā)射場具有明顯的優(yōu)勢,主要得益于連續(xù)發(fā)射能力和有效載荷適應(yīng)能力強(qiáng)、總裝測試環(huán)境好、測發(fā)狀態(tài)改變較少以及技術(shù)基礎(chǔ)好,評分較低的因素包括轉(zhuǎn)場環(huán)境差、對活動發(fā)射平臺和發(fā)射場要求高,工程建設(shè)規(guī)模大,經(jīng)濟(jì)性較差。
4)三平模式在小型火箭中評分較高,在中大型火箭中評分較低,主要原因在于有效載荷適應(yīng)能力差、測發(fā)狀態(tài)改變較多以及技術(shù)基礎(chǔ)較差等。但三平模式在技術(shù)區(qū)不需要高大的垂直總裝測試廠房,發(fā)射場配套設(shè)施簡單,且三平模式在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間較短,與三垂模式相當(dāng),具備快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射能力,兼具三垂模式和一平兩垂的優(yōu)點(diǎn)。
表4 不同類型火箭在四個(gè)發(fā)射場測發(fā)模式綜合評分
當(dāng)前我國小型火箭CZ-6和CZ-11均采用三平模式,大型火箭CZ-5和重型火箭采用三垂模式,中型火箭(包括CZ-3A系列和CZ-7系列火箭等)測發(fā)模式主要為一平兩垂模式和三垂模式。鑒于三平測發(fā)模式的優(yōu)點(diǎn),分析各個(gè)發(fā)射場三平模式制約因素,如果后續(xù)我國突破了有效載荷水平對接及測試、全箭水平測試與垂直測試差異性、火箭水平組裝及運(yùn)輸起豎等關(guān)鍵技術(shù),中型火箭在各個(gè)發(fā)射場測發(fā)模式綜合評分見表5,可以看出:
1)文昌發(fā)射場優(yōu)選三平模式;
2)酒泉發(fā)射場采用三平模式略優(yōu);
3)西昌發(fā)射場和太原發(fā)射場采用一平兩垂模式略優(yōu);
4)在3個(gè)內(nèi)陸發(fā)射場中,一平兩垂模式和三平模式評分非常接近,基本相當(dāng),不同發(fā)射場評分差異的原因是發(fā)射場地質(zhì)條件不同。
表5 中型火箭在四個(gè)發(fā)射場測發(fā)模式綜合評分
通過以上測發(fā)模式定量分析結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)外運(yùn)載火箭測發(fā)模式發(fā)展趨勢和我國現(xiàn)有發(fā)射場環(huán)境地質(zhì)條件及建設(shè)條件,應(yīng)根據(jù)火箭的需求來選擇不同類型的測發(fā)模式,未來我國火箭測發(fā)模式發(fā)展思路如下:
1)小型運(yùn)載火箭在各發(fā)射場優(yōu)選三平模式,發(fā)射區(qū)采用無勤務(wù)塔模式,提高火箭的使用維護(hù)性能。
2)中型運(yùn)載火箭是我國未來的主力火箭,為滿足高密度發(fā)射和快速測試發(fā)射的需求,在掌握三平測發(fā)技術(shù)前提下,文昌發(fā)射場優(yōu)選三平模式,同時(shí)根據(jù)衛(wèi)星的適應(yīng)情況,也可采用兩平一垂模式。酒泉、西昌和太原等內(nèi)陸發(fā)射場采用一平兩垂模式和三平模式均可,可根據(jù)發(fā)射場現(xiàn)有條件進(jìn)行選擇,提高工位利用率。因此,未來中型運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)具備一平兩垂、三垂以及三平測發(fā)模式能力,核心是同時(shí)具備垂直總裝測試和水平總裝測試能力,根據(jù)需要在不同的發(fā)射工位采用合適的測發(fā)模式進(jìn)行發(fā)射,大幅提高火箭發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性。
3)大型、重型運(yùn)載火箭在文昌發(fā)射場優(yōu)選三垂模式,可利用現(xiàn)有發(fā)射場設(shè)施,但需開展三垂模式優(yōu)化工作,重點(diǎn)優(yōu)化方向是簡化發(fā)射區(qū),采用簡易勤務(wù)塔或爭取實(shí)現(xiàn)取消勤務(wù)塔,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場后快速發(fā)射,降低發(fā)射區(qū)建設(shè)規(guī)模,縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。
本文提出一種運(yùn)載火箭測發(fā)模式定量分析方法,對我國運(yùn)載火箭后續(xù)測發(fā)模式發(fā)展思路進(jìn)行了研究,完成了我國小型、中型、大型及重型運(yùn)載火箭在各發(fā)射場最優(yōu)測發(fā)模式分析。鑒于三平模式的優(yōu)勢,建議我國開展中型捆綁火箭完全三平模式關(guān)鍵技術(shù)研究,盡早實(shí)現(xiàn)型號應(yīng)用。未來小型運(yùn)載火箭優(yōu)選三平模式,中型運(yùn)載火箭應(yīng)同時(shí)具備一平兩垂、三垂以及三平測發(fā)模式能力以滿足不同任務(wù)需求,大型和重型運(yùn)載火箭采用三垂模式和簡易勤務(wù)塔或無勤務(wù)塔方案以提高火箭使用性能。