空間站工程載人火箭測(cè)試發(fā)射流程優(yōu)化分析與研究

容 易，宋 晶，馬建偉，趙 剛

（1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076； 3. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076）

0 引 言

中國空間站將于2022年前后建成，投入使用后可以進(jìn)行較大規(guī)模的空間實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，這是中國航天“三步走”戰(zhàn)略最重要的目標(biāo)。CZ-2F運(yùn)載火箭是中國目前唯一的載人運(yùn)載火箭，采用“三垂”（垂直總裝、垂直測(cè)試、船箭塔組合體垂直運(yùn)輸）和“遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射”的測(cè)試發(fā)射模式，全箭可靠性高于0.97，航天員安全可靠性為0.997，是航天員進(jìn)出中國空間站的唯一運(yùn)載器。

測(cè)試發(fā)射流程是指規(guī)定運(yùn)載火箭和飛船等航天產(chǎn)品進(jìn)入發(fā)射場參加發(fā)射的物流方向（或工藝路線）、關(guān)鍵的技術(shù)狀態(tài)、主要的工作項(xiàng)目及場所、各系統(tǒng)之間及單個(gè)項(xiàng)目之間的相互關(guān)系和先后次序、時(shí)間安排及質(zhì)量安全控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、大系統(tǒng)之間的聯(lián)合操作、發(fā)射區(qū)的最后工作項(xiàng)目和發(fā)射程序，以及安全可靠性保證措施的技術(shù)方案，是組織實(shí)施航天發(fā)射任務(wù)的基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 CZ-2F火箭測(cè)試發(fā)射流程

CZ-2F火箭的測(cè)試發(fā)射流程設(shè)計(jì)使用始于20世紀(jì)90年代，應(yīng)用型發(fā)射測(cè)試流程根據(jù)每次任務(wù)的技術(shù)狀態(tài)變化和新增任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過多次無人飛行和載人飛行，測(cè)試發(fā)射流程的正確性、有效性、適用性得到了充分考核和驗(yàn)證，保證了歷次發(fā)射任務(wù)的順利實(shí)施，為突破和掌握天地往返和空間出艙載人航天基本技術(shù)作出了重大貢獻(xiàn)?？臻g實(shí)驗(yàn)室階段，根據(jù)空間交會(huì)對(duì)接和空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)要求的一些變化，CZ-2F火箭的測(cè)試發(fā)射流程得到了進(jìn)一步改進(jìn)。

進(jìn)入空間站階段，CZ-2F火箭又面臨新的挑戰(zhàn)。一是發(fā)射頻率增加。按照空間站長期有人照料的目標(biāo)，每年需用CZ-2F火箭發(fā)射兩艘神舟飛船，半年執(zhí)行一次飛行任務(wù)，將航天員送入空間站，實(shí)現(xiàn)乘員輪換。二是新增應(yīng)急救援需求。當(dāng)飛船出現(xiàn)故障不能返回時(shí)，應(yīng)急發(fā)射一艘飛船，對(duì)航天員進(jìn)行緊急救援。因此，需按照“發(fā)射一發(fā)備份一發(fā)”及“滾動(dòng)備份”的發(fā)射模式，即第1次發(fā)射任務(wù)有兩發(fā)火箭同時(shí)進(jìn)場，其中一發(fā)主份火箭用于執(zhí)行發(fā)射飛船任務(wù)，另一發(fā)火箭總裝測(cè)試完成后封存，用于執(zhí)行可能的應(yīng)急救援發(fā)射任務(wù)。后續(xù)任務(wù)只需新進(jìn)場一發(fā)火箭，原先執(zhí)行應(yīng)急救援發(fā)射任務(wù)的火箭執(zhí)行正常發(fā)射任務(wù)，新進(jìn)場的火箭執(zhí)行新的應(yīng)急救援發(fā)射任務(wù)，以此往復(fù)。

2 CZ-2F火箭測(cè)試發(fā)射流程優(yōu)化

CZ-2F單發(fā)火箭現(xiàn)行發(fā)射場測(cè)發(fā)流程以火箭工作線為主線，可分為技術(shù)區(qū)測(cè)試階段、船箭塔組合體垂直轉(zhuǎn)運(yùn)及發(fā)射區(qū)測(cè)試階段，如表1所示。

表1 CZ-2F單發(fā)火箭現(xiàn)行發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程Tab.1 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at the Current Launch Site

按照運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射流程設(shè)計(jì)的原則，對(duì)CZ-2F單發(fā)火箭現(xiàn)行發(fā)射場測(cè)發(fā)流程進(jìn)行優(yōu)化，主要集中在技術(shù)區(qū)工作，具體有如下4個(gè)方面。

a）簡化發(fā)射場單元測(cè)試，只保留慣組、天線、電池、火工品發(fā)射場單元測(cè)試；

b）除慣組、速率陀螺、一級(jí)伺服機(jī)構(gòu)、天線、電池和部分火工品外，其余電氣系統(tǒng)單機(jī)均裝箭運(yùn)輸。箭上大部分儀器隨箭運(yùn)輸已經(jīng)過CZ-2C、CZ-3A系列運(yùn)載火箭的多次考核，從實(shí)際發(fā)射結(jié)果看，未出現(xiàn)因隨箭運(yùn)輸導(dǎo)致的單機(jī)和系統(tǒng)問題。因此，儀器安裝、產(chǎn)品交接及分系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)備減少1天；

c）第5次總檢查與第1次總檢查狀態(tài)相同，且僅間隔2天，其保留的意義已不大，所以擬取消技術(shù)區(qū)第5次總檢查。因此，火箭系統(tǒng)總檢查減少1天；

d）部分工作內(nèi)容時(shí)間優(yōu)化，例如：箭體吊裝和氣密性檢查各減少0.5天，火箭火工品測(cè)試、安裝，發(fā)射區(qū)等效器測(cè)試減少2天，船箭塔對(duì)接、狀態(tài)準(zhǔn)備減少 1天等。

經(jīng)過優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)發(fā)流程以火箭工作線為主線，主要對(duì)技術(shù)區(qū)測(cè)試工作進(jìn)行優(yōu)化，整流罩線和逃逸塔線不占主流程時(shí)間，共可減少6天的時(shí)間，如表2所示。

表2 優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程Tab.2 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at Launch Site after Optimizing

3 兩發(fā)CZ-2F火箭流程優(yōu)化

空間站階段第1次任務(wù)，按照“發(fā)射一發(fā)備份一發(fā)”的模式，根據(jù)發(fā)射場條件，先后有兩發(fā)火箭進(jìn)場。按照純串行的方式開展工作?？臻g站第1次任務(wù)完成后，后續(xù)任務(wù)按照“滾動(dòng)備份”的發(fā)射模式，每次任務(wù)只需進(jìn)場一發(fā)火箭。新進(jìn)場的火箭測(cè)試完畢后，執(zhí)行新的應(yīng)急待命任務(wù)。已經(jīng)在場的火箭測(cè)試完畢后執(zhí)行正常發(fā)射任務(wù)。

3.1 兩發(fā)CZ-2F火箭測(cè)試發(fā)射流程的兩種模式

新進(jìn)場的火箭與應(yīng)急轉(zhuǎn)正常發(fā)射任務(wù)火箭的測(cè)發(fā)流程的“串行”和“并行”模式。

3.1.1 “串行”模式

兩發(fā)CZ-2F“串行”測(cè)試發(fā)射流程的工作模式如圖1所示。

圖1 兩發(fā)CZ-2F火箭“串行”測(cè)試發(fā)射流程Fig.1 Serial Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

執(zhí)行新的應(yīng)急待命任務(wù)的火箭進(jìn)場后，先進(jìn)行箭體恢復(fù)及交接、箭體吊裝、分系統(tǒng)測(cè)試及匹配、總檢查等工作，安裝部分火工品及應(yīng)急待命狀態(tài)設(shè)置。繼而進(jìn)行執(zhí)行新的應(yīng)急待命任務(wù)的火箭封存及兩發(fā)火箭電纜測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為保證應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺L期豎立停放后的測(cè)試覆蓋性，需進(jìn)行動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試（包括：對(duì)接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測(cè)試等）。由于在前次任務(wù)中應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺呀?jīng)完成了一輪完整的電氣系統(tǒng)測(cè)試，因此，轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭只開展各系統(tǒng)功能檢查、匹配測(cè)試（減少一次大匹配測(cè)試）、總檢查（減少一次總檢查）及安裝剩余火工品等工作。最后船箭塔組合體對(duì)接、垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，完成發(fā)射區(qū)測(cè)試后，加注、發(fā)射。

與優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程相比，兩發(fā)CZ-2F火箭“串行”測(cè)試發(fā)射流程的工作量變化情況為：新進(jìn)場火箭測(cè)試完成后，進(jìn)行應(yīng)急待命封存、兩發(fā)火箭電纜測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，增加1天；應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺郎y(cè)試前進(jìn)行狀態(tài)檢查及恢復(fù)，增加1天；應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺齽?dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試（包括：對(duì)接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測(cè)試等工作），增加3天；應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺飨到y(tǒng)功能檢查、匹配測(cè)試，增加2天；應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺倷z查，增加3天。共計(jì)增加10天。

整流罩線工作線與主線工作同時(shí)開展，按照先測(cè)試轉(zhuǎn)正常任務(wù)的整流罩，完成測(cè)試后進(jìn)合罩桁架，以豎直狀態(tài)在加注扣罩間停放，等待扣罩。然后在整流罩準(zhǔn)備廳完成新進(jìn)場整流罩測(cè)試工作后，兩個(gè)半罩，開口向下，以水平狀態(tài)封存于整流罩準(zhǔn)備廳。整流罩線工作時(shí)間不占主線流程。

逃逸塔線工作與主線工作同時(shí)開展，按照先測(cè)試轉(zhuǎn)正常任務(wù)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)，并完成逃逸塔總裝。之后開展新進(jìn)場固體發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試工作，測(cè)試完畢后，逃逸固體發(fā)動(dòng)機(jī)水平散態(tài)存放，封存于固體發(fā)動(dòng)機(jī)廠房。逃逸塔線工作時(shí)間不占主線流程。

3.1.2 “并行”模式

兩發(fā)CZ-2F“并行”測(cè)試發(fā)射流程的工作模式見圖2。

圖2 兩發(fā)CZ-2F火箭“并行”測(cè)試發(fā)射流程Fig.2 Parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新進(jìn)場火箭卸車時(shí)，并行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭的狀態(tài)檢查及恢復(fù)工作；新進(jìn)場火箭箭體恢復(fù)及交接，并行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試（包括：對(duì)接七管連接器，蓄壓器充氣，貯箱保壓和活門性能測(cè)試等）；新進(jìn)場火箭吊裝、氣密性檢查及儀器安裝、分系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)備期間，并行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭的各系統(tǒng)功能檢查、匹配、總檢查等工作；之后進(jìn)行兩發(fā)火箭電纜測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換；新進(jìn)場火箭分系統(tǒng)測(cè)試及匹配期間，進(jìn)行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭剩余火工品安裝、船箭塔對(duì)接準(zhǔn)備工作；隨后進(jìn)行新進(jìn)場火箭總檢查、安裝部分火工品、應(yīng)急待命狀態(tài)設(shè)置及封存。最后轉(zhuǎn)正常任務(wù)船箭塔組合體對(duì)接、垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，完成發(fā)射區(qū)測(cè)試后，加注、發(fā)射。

與優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程相比，兩發(fā)CZ-2F火箭“并行”測(cè)試發(fā)射流程的工作量變化情況為：應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺郎y(cè)試完畢后，進(jìn)行兩發(fā)火箭電纜測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，增加1天；新進(jìn)場火箭分系統(tǒng)測(cè)試及匹配期間，進(jìn)行了轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭剩余火工品安裝、船箭塔對(duì)接準(zhǔn)備工作，減少3天；新進(jìn)場火箭測(cè)試完成后，進(jìn)行應(yīng)急待命封存，增加1天。共計(jì)減少1天。

整流罩線工作線與主線工作同時(shí)開展，其工作順序與“串行”測(cè)試發(fā)射流程整流罩線的工作順序相同。但是，在“并行”測(cè)試發(fā)射流程中，火箭線的工作已不是短線，所以在優(yōu)化火箭線（主線）流程的同時(shí)，還需兼顧整流罩線流程的優(yōu)化；

逃逸塔線工作與主線工作同時(shí)開展，與“串行”測(cè)試發(fā)射流程相同，逃逸塔線工作時(shí)間不占主線流程。

3.1.3 “串行”和“并行”模式比較

a）與優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程相比，兩發(fā)火箭按照“串行”模式，測(cè)試發(fā)射流程增加了10天，所需投入的人力資源較少。按照“并行”模式，測(cè)試發(fā)射流程減少了1天。但“并行”測(cè)試發(fā)射流程所需投入的人力資源較多，且并行工作主要集中在流程前半段，造成“前緊后松”的工作局面。

b）受一定的客觀條件所限，要保證“并行”測(cè)試發(fā)射流程的實(shí)施，需進(jìn)行發(fā)射場基礎(chǔ)設(shè)施改造。例如：受用電功率的限制，現(xiàn)階段新進(jìn)場火箭吊裝和轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭各系統(tǒng)功能檢查、匹配測(cè)試無法同時(shí)開展。

c）“串行”測(cè)試發(fā)射流程，火箭線的工作是短線，用時(shí)較長，整流罩和逃逸塔均不占主線流程；“并行”測(cè)試發(fā)射流程，整流罩線的工作是短線，用時(shí)較長，所以在優(yōu)化火箭線（主線）流程的同時(shí)，還需兼顧整流罩線流程的優(yōu)化；

3.2 “串并行”相結(jié)合的模式

根據(jù)以上分析，可以考慮將兩發(fā)CZ-2F火箭測(cè)試發(fā)射流程的“串行”和“并行”模式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，采用“串并行”相結(jié)合的模式，進(jìn)一步提高兩發(fā)CZ-2F火箭的測(cè)試發(fā)射效率。即在“串行”模式中，只并行部分工作項(xiàng)目。“串并行”測(cè)試發(fā)射流程如圖3所示。

圖3 兩發(fā)CZ-2F火箭“串并行”測(cè)試發(fā)射流程Fig.3 Serial-parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新進(jìn)場火箭卸車時(shí)，并行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭的狀態(tài)檢查及恢復(fù)工作，可減少1天；新進(jìn)場火箭箭體恢復(fù)及交接期間，并行動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試（包括：對(duì)接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測(cè)試等），可節(jié)省3天；新進(jìn)場火箭火工品安裝、應(yīng)急待命狀態(tài)設(shè)置、封存期間，并行轉(zhuǎn)正常任務(wù)火箭的匹配檢查、總檢查工作，可節(jié)省3天。與“串行”模式相比，可以節(jié)省7天時(shí)間，與“并行”模式相比，僅多4天。

由于“串并行”模式是在“串行”模式的基礎(chǔ)上只并行了部分工作項(xiàng)目，所以可以實(shí)現(xiàn)用較小的人力資源投入，在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)，完成兩發(fā)火箭的測(cè)試。

與此同時(shí)，采用“串并行”相結(jié)合的模式，整流罩線工作線和逃逸塔工作線均不是短線，工作時(shí)間均不占火箭線（主線）流程，火箭線（主線）、整流罩線工作線和逃逸塔工作線進(jìn)度可以保證相對(duì)一致，可以進(jìn)一步提高發(fā)射場工作效率。建議空間站后續(xù)任務(wù)兩發(fā)火箭的測(cè)試發(fā)射流程采用“串并行”相結(jié)合的模式。

4 結(jié) 論

本文首先介紹了CZ-2F單發(fā)火箭在發(fā)射場發(fā)射測(cè)試流程優(yōu)化的具體項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，按照單發(fā)火箭測(cè)發(fā)流程優(yōu)化的方法，根據(jù)空間站工程階段CZ-2F火箭“發(fā)射一發(fā)備份一發(fā)”及“滾動(dòng)備份”的發(fā)射模式，設(shè)計(jì)了“串行”和“并行”兩種測(cè)試發(fā)射流程。與優(yōu)化后的CZ-2F單發(fā)火箭發(fā)射場測(cè)試發(fā)射流程相比，按照“串行”模式，工作時(shí)間增加了10天；按照“并行模式”，工作時(shí)間可以減少1天。

在“串行”和“并行”測(cè)試發(fā)射流程的基礎(chǔ)上，將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了“串并行”測(cè)試發(fā)射流程。由于是在“串行”模式的基礎(chǔ)上只并行了部分工作項(xiàng)目，“串并行”模式可比“串行”模式節(jié)省7天時(shí)間，比“并行”模式僅多4天。這樣不僅可以保證人力資源的高效利用，還可以兼顧整流罩線和逃逸塔線的工作，進(jìn)一步提高了發(fā)射場工作效率。建議空間站后續(xù)任務(wù)兩發(fā)火箭的測(cè)試發(fā)射流程采用“串并行”相結(jié)合的模式。

空間站后續(xù)任務(wù)“串行”、“并行”以及“串并行”3種測(cè)試發(fā)射流程的優(yōu)化工作，主要是在前期單發(fā)火箭流程優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)工作項(xiàng)目進(jìn)行的統(tǒng)籌安排。后續(xù)流程的進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)在保證測(cè)試覆蓋性的同時(shí)，對(duì)具體工作項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，例如：減少慣組在發(fā)射場的標(biāo)定次數(shù)、減少應(yīng)急轉(zhuǎn)正?；鸺姆窒到y(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目及總檢查次數(shù)等。