批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)快速測(cè)發(fā)模式保障能力研究

董蘇惠、陳曙輝、康位位、崔長(zhǎng)文 /63601 部隊(duì)

微小衛(wèi)星以其技術(shù)含量高、功能密集、成本低、性能好、研制周期短、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為目前最具批量生產(chǎn)潛力的實(shí)用型航天器。隨著技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)模式的創(chuàng)新，新的航天應(yīng)用業(yè)務(wù)正在逐漸形成，商業(yè)微小衛(wèi)星星座正在實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)型向應(yīng)用型的過(guò)渡，試圖在復(fù)雜的大型衛(wèi)星建立的傳統(tǒng)天基應(yīng)用市場(chǎng)上占據(jù)一席之地?？湛团cOneWeb公司計(jì)劃發(fā)射900 顆近地軌道衛(wèi)星，短時(shí)間內(nèi)快速建成一座大型數(shù)字大橋，為世界未來(lái)幾十億人群提供經(jīng)濟(jì)高效的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司計(jì)劃在未來(lái)5 年內(nèi)發(fā)射156 顆低軌通信衛(wèi)星用于建設(shè)全球衛(wèi)星無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；中歐航天科技集團(tuán)有限公司公布了近年數(shù)量龐大的小衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃。

衛(wèi)星大規(guī)模星座技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)發(fā)射場(chǎng)的保障能力提出了新挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)發(fā)射場(chǎng)組織保障模式以單星或多星為主，由于小子樣的生產(chǎn)方式，為了達(dá)到衛(wèi)星功能、壽命、可靠性等指標(biāo)要求，導(dǎo)致發(fā)射場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目多、周期長(zhǎng)、系統(tǒng)復(fù)雜，衛(wèi)星大規(guī)模進(jìn)場(chǎng)測(cè)試會(huì)造成發(fā)射場(chǎng)保障壓力呈幾何級(jí)增長(zhǎng)?？紤]經(jīng)濟(jì)及可靠性因素，大規(guī)模的衛(wèi)星星座一般經(jīng)過(guò)一次設(shè)計(jì)，批量生產(chǎn)，多輪迭代。因此批產(chǎn)衛(wèi)星狀態(tài)一致、繼承度高、成熟性好，有批量測(cè)試、快速部署要求。因此，對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射流程進(jìn)行梳理，探索適用于批量化生產(chǎn)模式的小微衛(wèi)星快速集成測(cè)試方案及發(fā)射場(chǎng)保障模式十分必要。

本文介紹了衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射一般流程，分析批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試特點(diǎn)，研究適用于微小衛(wèi)星批量化任務(wù)組織模式，在此基礎(chǔ)上提出了提升發(fā)射場(chǎng)保障能力的技術(shù)途徑，旨在提升批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)任務(wù)組織和保障能力，提高批產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)射場(chǎng)測(cè)試效率。

一、批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試特點(diǎn)

單顆衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試工作按時(shí)間順序分別在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)進(jìn)行，技術(shù)區(qū)工作主要包括卸車、衛(wèi)星及設(shè)備開(kāi)箱自檢、衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星精度測(cè)量、衛(wèi)星平臺(tái)電測(cè)試、衛(wèi)星有效載荷電測(cè)試、衛(wèi)星模飛、活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)、光照試驗(yàn)、衛(wèi)星加注和星箭對(duì)接，星箭轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)后進(jìn)行發(fā)射區(qū)測(cè)試和衛(wèi)星狀態(tài)設(shè)置，最后完成發(fā)射?？蒲行窃诎l(fā)射場(chǎng)測(cè)試周期為35 ～60 天，衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試流程項(xiàng)目多、耗時(shí)長(zhǎng)，主要有衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)階段經(jīng)常進(jìn)行全系統(tǒng)檢漏；發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行多次精測(cè)；發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)，衛(wèi)星試驗(yàn)狀態(tài)建立及總裝過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)；衛(wèi)星電測(cè)冗余項(xiàng)多4 個(gè)方面原因。

批產(chǎn)衛(wèi)星具有批量生產(chǎn)、狀態(tài)固化、技術(shù)成熟、成本低的特點(diǎn)，有批量測(cè)試、批量發(fā)射、快速組網(wǎng)的要求。產(chǎn)品出廠狀態(tài)、驗(yàn)收質(zhì)量、過(guò)程管理同時(shí)覆蓋多星，在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試階段根據(jù)技術(shù)成熟度及衛(wèi)星出廠狀態(tài)對(duì)發(fā)射流程進(jìn)行必要性梳理，縮短衛(wèi)星發(fā)射測(cè)試時(shí)間，提高部署效率。

批產(chǎn)衛(wèi)星在出廠前開(kāi)展的系統(tǒng)級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中，已經(jīng)驗(yàn)證了衛(wèi)星能夠承載的發(fā)射環(huán)境，結(jié)合產(chǎn)品多批次的在軌驗(yàn)證，對(duì)于檢漏、精測(cè)、活動(dòng)部件展開(kāi)等因考慮運(yùn)輸造成的安裝或泄露問(wèn)題而在發(fā)射場(chǎng)復(fù)測(cè)的項(xiàng)目可以取消。在衛(wèi)星電測(cè)方面，對(duì)于批產(chǎn)衛(wèi)星而言，衛(wèi)星型號(hào)一致，測(cè)試設(shè)備狀態(tài)相同，僅需經(jīng)過(guò)單次覆蓋測(cè)試，比較單批次的一致性和出廠前的一致性即可，優(yōu)化整星測(cè)試，需要簡(jiǎn)化單機(jī)、分系統(tǒng)測(cè)試。

1.批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試特點(diǎn)對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)工作流程包括衛(wèi)星卸車、測(cè)試準(zhǔn)備、技術(shù)區(qū)測(cè)試、加注、星箭聯(lián)合操作，發(fā)射區(qū)狀態(tài)檢查及實(shí)施發(fā)射。取消了科研衛(wèi)星流程中的全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星精度測(cè)量，以技術(shù)區(qū)單次覆蓋性測(cè)試優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)、載荷、模飛等多次冗余測(cè)試代替。取消活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)，發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查優(yōu)化為一次，流程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程

流程設(shè)計(jì)包含各子流程所需的發(fā)射場(chǎng)技術(shù)文件及所需保障條件，發(fā)射場(chǎng)主要承擔(dān)衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試發(fā)射過(guò)程中的吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、供電、供氣、空調(diào)、通信、加注等技術(shù)勤務(wù)保障。其保障能力對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星批量測(cè)試、批量部署有重要影響，由于影響保障能力因素多且復(fù)雜，很難判定批產(chǎn)衛(wèi)星保障能力制約條件，所以預(yù)先對(duì)各項(xiàng)子流程中的保障條件進(jìn)行梳理，分析保障瓶頸提供先驗(yàn)信息。以推進(jìn)劑加注為例，加注準(zhǔn)備包括管路清洗、注管路連接、轉(zhuǎn)注、預(yù)抽真空。在發(fā)射場(chǎng)推進(jìn)劑加注主要包括加貯箱加注、加注后靜置及貯箱壓力復(fù)測(cè)，其中，各項(xiàng)工作關(guān)鍵操作動(dòng)作及保障需求見(jiàn)表1。

表1 加注子流程保障需求

2.批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程建模

Arena 是一款由美國(guó)羅克韋爾公司在 SIMAN/CINEMA 仿真建模系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，用于離散事件系統(tǒng)仿真的仿真工具。Arena 具有通用的可視化仿真環(huán)境，兼具了仿真程序語(yǔ)言的柔性和仿真軟件的易用性優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療、日常生產(chǎn)作業(yè)、軍事、各類資源的配置、業(yè)務(wù)過(guò)程的規(guī)劃、系統(tǒng)性能和計(jì)劃結(jié)果的評(píng)價(jià)等建模與仿真研究中。使用Arena 仿真軟件對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程進(jìn)行仿真可以直觀地發(fā)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)測(cè)試中存在的問(wèn)題。

在批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)流程實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用Arena仿真軟件進(jìn)行建模，表2 中列出了仿真模型中定義的各實(shí)體在具體生產(chǎn)流程中所代表的流程及該流程所需的時(shí)間。以某型衛(wèi)星為例，衛(wèi)星重量約700kg，本體尺寸約為1.5m(X)×1.5m(Y)×1.3m(Z)，廠房保障條件如下，測(cè)試廳可容納6 顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試廳出箱用吊車1 部，最大保障10 顆星的供電功率。轉(zhuǎn)載間可容納2 顆星的卸車空間，卸車用吊車一部。加注廳可容納6顆星加注空間，加注設(shè)備1 套?？壅謴d可容納3 顆星的操作空間，扣罩廳吊車1 部。采用某型運(yùn)載可一箭3 星發(fā)射。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)每天工作時(shí)間為8 小時(shí)，待發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)100 顆，每天有兩顆衛(wèi)星進(jìn)廠，將100 顆衛(wèi)星全部發(fā)射作為流程結(jié)束，得到發(fā)射場(chǎng)流程邏輯仿真模型。

表2 仿真模型與實(shí)際流程對(duì)應(yīng)表

根據(jù)上述邏輯模型及輸入數(shù)據(jù)分析利用 Arena 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真運(yùn)行，輸出報(bào)告的基準(zhǔn)時(shí)間單位為小時(shí)，100 顆衛(wèi)星發(fā)射完畢需1756 個(gè)小時(shí)。等待時(shí)間較長(zhǎng)的流程分別為發(fā)射、發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查、星箭聯(lián)合操作、技術(shù)區(qū)測(cè)試。

二、優(yōu)化與分析

1.并行測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)仿真運(yùn)行，技術(shù)區(qū)等待時(shí)間65.48 小時(shí)，限制衛(wèi)星測(cè)試效率的資源約束為測(cè)試設(shè)備、人員、測(cè)試廳。若批產(chǎn)衛(wèi)星測(cè)試設(shè)備滿足自動(dòng)化、并行測(cè)試，即一套地面綜合測(cè)試設(shè)備，將不同衛(wèi)星連接到測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行并行測(cè)試，保證各測(cè)試任務(wù)的獨(dú)立性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程自動(dòng)執(zhí)行、衛(wèi)星測(cè)試信息的智能判讀，減少人員參與。取消設(shè)備、人員約束條件重新運(yùn)行該模型，結(jié)果如圖2 所示，總流程時(shí)間為1657 小時(shí)。結(jié)果顯示通過(guò)并行測(cè)試，衛(wèi)星發(fā)射總流程縮短近100 小時(shí)，且技術(shù)區(qū)測(cè)試流程衛(wèi)星沒(méi)有等待時(shí)間，表明測(cè)試廳及自動(dòng)化并行測(cè)試設(shè)備滿足批產(chǎn)衛(wèi)星批量測(cè)試要求。

2.進(jìn)廠速度

每次進(jìn)場(chǎng)2 顆星，考慮廠房吊車、測(cè)試廳、加注廳等閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了資源的利用率。擬提升進(jìn)廠速度，使得資源利用率提升，以減少批產(chǎn)衛(wèi)星整體流程時(shí)間。假設(shè)每日進(jìn)廠衛(wèi)星數(shù)量提升一倍，4 顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)廠，技術(shù)區(qū)及發(fā)射區(qū)采用并行測(cè)試技術(shù)，仿照該流程，總流程時(shí)間1652 小時(shí)，各子流程等待時(shí)間變化不大，提升效率并不明顯，星箭聯(lián)合操作、發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查以及發(fā)射仍是制約該流程的重要因素，在未提升發(fā)射場(chǎng)保障能力的前提下，盲目提升進(jìn)廠速度，會(huì)使發(fā)射場(chǎng)資源更加緊張，總流程時(shí)間不會(huì)縮短。

3.增加扣罩廳設(shè)施

星箭聯(lián)合操作需要近2 天時(shí)間，資源約束為扣罩廳吊車、運(yùn)載艙位、扣罩廳面積。若采用新建星箭對(duì)接廳、增加對(duì)接廳吊車的方式增加批產(chǎn)衛(wèi)星效率，模擬該流程，增加星箭對(duì)接廳面積及吊車個(gè)數(shù)，結(jié)果如圖2 所示，需要增加吊車至2 部，同時(shí)廠房面積能夠同時(shí)容納6 顆星并行的進(jìn)行星箭對(duì)接操作，才可將總流程縮短至1249 小時(shí)，節(jié)約總時(shí)間為507 小時(shí)。

圖2 星箭聯(lián)合操作效率提升

4. 增加發(fā)射艙位

根據(jù)系統(tǒng)仿真運(yùn)行，星箭聯(lián)合檢查、發(fā)射是重要制約因素，這2 項(xiàng)流程中占用資源主要為運(yùn)載艙位，采用增加發(fā)射工位或采用重型運(yùn)載器使得運(yùn)載艙位增加的方案，衛(wèi)星采用并行測(cè)試，每日2 顆衛(wèi)星進(jìn)廠，仿真結(jié)果如圖3 所示，僅通過(guò)增加運(yùn)載艙位可減少至總流程時(shí)間為1162 小時(shí)，且增加至4星同時(shí)發(fā)射，流程時(shí)間不再縮短。若增加艙位的同時(shí)優(yōu)化扣罩廳設(shè)施設(shè)備，面積使其容納6顆星并行操作，操作用吊車2 部，隨著運(yùn)載發(fā)射艙位的增加，總流程時(shí)間不斷減少，同時(shí)發(fā)射6顆衛(wèi)星，總流程時(shí)間為870 小時(shí)，節(jié)省約1/2 時(shí)間。

圖3 提升發(fā)射工位

根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)工作流程利用Arena 進(jìn)行建模，分析其測(cè)試發(fā)射現(xiàn)狀和發(fā)射場(chǎng)保障能力瓶頸。通過(guò)模型分析提出了通過(guò)同時(shí)采用并行測(cè)試、增加發(fā)射艙位至6 星、提高扣罩廳設(shè)施設(shè)備的流程優(yōu)化方案，可提升效率約50%。

本文對(duì)科研衛(wèi)星和批產(chǎn)衛(wèi)星的特點(diǎn)進(jìn)行梳理，針對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星批量生產(chǎn)、批量測(cè)試、批量發(fā)射、狀態(tài)一致的特點(diǎn)對(duì)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)工作流程利用Arena 進(jìn)行建模，分析其測(cè)試發(fā)射現(xiàn)狀和發(fā)射場(chǎng)保障能力瓶頸。通過(guò)模型分析提出了通過(guò)并行測(cè)試、增加發(fā)射工位、提高扣罩廳設(shè)施設(shè)備的流程優(yōu)化方案。將工業(yè)工程方法應(yīng)用到批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)工作中，為后續(xù)推動(dòng)發(fā)射場(chǎng)保障條件完善、提升批產(chǎn)衛(wèi)星任務(wù)實(shí)施效率提供基礎(chǔ)。