“織女星”的發(fā)射及持續(xù)改進(jìn)

文/松堂

織女星發(fā)射基地位于法屬圭亞那的庫魯航天中心，包括支持運(yùn)載火箭系統(tǒng)的存儲(chǔ)、集成、檢查和點(diǎn)火以及發(fā)射活動(dòng)、衛(wèi)星處理廠房和落區(qū)安全，火箭跟蹤和飛行數(shù)據(jù)采集站。值得一提的是，織女星火箭的發(fā)射臺(tái)是在上世紀(jì)80年代用于第一批阿里安火箭的發(fā)射臺(tái)原址重建的，并復(fù)用了現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。

▲ 集成完成的織女星c火箭

在庫魯基地的裝配

“織女星”的火箭本體、火箭整流罩和有效載荷適配器在歐洲制造并運(yùn)輸?shù)綆祠敽教熘行?，然后再轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星處理廠房與有效載荷和有效載荷集成廠房組件集成。

“織女星”分成四段運(yùn)往發(fā)射臺(tái)，第一段包括A1A，由0-1級(jí)間段、P80發(fā)動(dòng)機(jī)及其矢量推力控制單元。第二段包括A1B、A2、A3、A4。A1B也就是1-2級(jí)間段，A2包括西風(fēng)23發(fā)動(dòng)機(jī)及其矢量推力控制單元；A3是2-3級(jí)間段；A4包括3-4級(jí)間、上面級(jí)。第三段是上面級(jí)的燃料，需要在歐洲組裝和驗(yàn)收，然后運(yùn)往庫魯航天中心，存儲(chǔ)在專用設(shè)施中。第四段是整流罩和星箭適配器。

“織女星”發(fā)射活動(dòng)始于將A1A從集成大樓轉(zhuǎn)移到織女星發(fā)射區(qū)，放置在發(fā)射臺(tái)上。包括矢量推力控制性能測(cè)試在內(nèi)的A1A最終驗(yàn)收直接在移動(dòng)式塔架內(nèi)進(jìn)行。

通過移動(dòng)式塔架行車將A1B、A2、A3、A4集成到A1A上后，進(jìn)行火箭的整體電氣檢查，然后進(jìn)行A4流體系統(tǒng)的功能和泄漏檢查。這些過程的成功，標(biāo)志著火箭集成階段結(jié)束，火箭總體交付給發(fā)射運(yùn)營(yíng)部門。

然后，首先將有效載荷與火箭適配器集成，封裝在整流罩內(nèi)，用運(yùn)輸拖車轉(zhuǎn)移到“織女星”發(fā)射區(qū)，集成到火箭上。之后給AVUM上面級(jí)的燃料儲(chǔ)罐加注燃料，來源當(dāng)然是從歐洲運(yùn)來的地面儲(chǔ)罐。發(fā)射活動(dòng)的最后部分包括測(cè)試火箭與發(fā)射基地跟蹤系統(tǒng)的通信、信標(biāo)及飛行程序，最后點(diǎn)火升空。

首飛后的主要改進(jìn)

在首飛成功后，歐空局實(shí)施了研究和技術(shù)伴奏計(jì)劃（VERTA）和開發(fā)伴奏計(jì)劃（LEAP），以支持“織女星”走向商業(yè)市場(chǎng)。這些計(jì)劃的主要目的，是通過優(yōu)化歐洲的生產(chǎn)活動(dòng)和發(fā)射活動(dòng)，來改進(jìn)運(yùn)營(yíng)理念，提高效率并降低整個(gè)系統(tǒng)生命周期的成本。

▲ 上面級(jí)組合到位

第二項(xiàng)任務(wù)是開發(fā)雙星發(fā)射能力，火箭在整流罩內(nèi)攜帶一上一下兩個(gè)載荷。這就需要開發(fā)新的適配器，并且開發(fā)準(zhǔn)備和集成相關(guān)的操作流程（主要涉及衛(wèi)星處理廠房和特定的操作）、工具。此外，由于供應(yīng)商變更，要對(duì)新的飛行程序軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

單個(gè)有效載荷的發(fā)射活動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)周期從47個(gè)工作日減少到39個(gè)工作日，主要是通過優(yōu)化操作順序和不同技術(shù)團(tuán)隊(duì)的參與時(shí)間，以及最大限度地提高在歐洲的工作量比例，減少在發(fā)射場(chǎng)集成的時(shí)間。最重要的修改之一，是首先執(zhí)行所有組件的機(jī)械集成，然后執(zhí)行整個(gè)火箭電氣檢查序列，而最初每個(gè)級(jí)段的電氣驗(yàn)證是在相關(guān)組件集成后立即執(zhí)行的。

用于運(yùn)輸有效載荷集成廠房的拖車進(jìn)行了改裝，改裝了和歐洲版聯(lián)盟火箭相同的設(shè)備。新拖車上的有效載荷可以享受到空調(diào)，而在原來的“織女星”拖車上沒有，因?yàn)檫@種拖車原來是給“阿里安4”服務(wù)的。這樣，“織女星”團(tuán)隊(duì)就可以在白天的強(qiáng)烈日照下，把有效載荷從衛(wèi)星處理廠房轉(zhuǎn)移到發(fā)射場(chǎng)。從前這項(xiàng)工作只能在夜間進(jìn)行。這項(xiàng)改進(jìn)優(yōu)化了操作的整體周期，并在運(yùn)輸過程中為有效載荷提供了更好的環(huán)境.

▲ “西風(fēng)9”與二級(jí)火箭結(jié)合

▲ “西風(fēng)40”從港口前往發(fā)射中心

在法屬圭亞那開發(fā)并部署了一個(gè)專用移動(dòng)跟蹤站，位于發(fā)射臺(tái)的西北部或東南部，具體取決于運(yùn)載火箭的軌跡，為雷達(dá)、遙測(cè)和指揮射頻鏈路提供持續(xù)連接。該站擁有一個(gè)專用的2.4米遙測(cè)天線、一個(gè)C波段跟蹤雷達(dá)和一個(gè)中繼指揮站。庫魯航天中心有專用的冗余電信手段、供電庇護(hù)所和安全基礎(chǔ)設(shè)施可用性、安全性和安保要求。因此該移動(dòng)站由法國(guó)航天局國(guó)家空間研究中心在分包商和合作伙伴的支持下維護(hù)和運(yùn)營(yíng)。

發(fā)射場(chǎng)的操作規(guī)程根據(jù)織女星運(yùn)載火箭倒計(jì)時(shí)時(shí)間線進(jìn)行了微調(diào)。包括天氣預(yù)報(bào)要求、接口檢查和裝運(yùn)管理程序。

在庫魯主跟蹤站安裝了第三個(gè)專用寬瓣遙測(cè)天線，以便為近距離飛行提供額外的冗余。

激活了新的或以前很少使用的遙測(cè)近距離跟蹤站站點(diǎn)，并在一定程度上進(jìn)行了升級(jí)，以提供對(duì)“織女星”太陽同步軌道的全面覆蓋。其中包括百慕大、圣休伯特、薩斯卡通、濟(jì)州、勒克瑙和阿麗亞娜海軍基地。

為了“織女星C”的持續(xù)改進(jìn)

VERTA計(jì)劃在第6次“織女星”飛行后已經(jīng)結(jié)束，由商業(yè)公司來組織發(fā)射活動(dòng)。但LEAP計(jì)劃還在繼續(xù)實(shí)施，努力提高效率并降低成本。

LEAP的一項(xiàng)改進(jìn)包括修改發(fā)射場(chǎng)設(shè)備，以改善起飛時(shí)有效載荷上的聲學(xué)環(huán)境。在起飛階段，整流罩內(nèi)測(cè)得的聲級(jí)在一定頻率范圍內(nèi)高于設(shè)計(jì)值。在美國(guó)宇航局的幫助下，歐空局對(duì)發(fā)射環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)發(fā)射臺(tái)周圍的開口和噴射排氣管道是主要噪音來源，并且作了改進(jìn)。

此前通過手動(dòng)執(zhí)行的一些操作，改為完全或部分自動(dòng)化，以減少操作的時(shí)間并優(yōu)化人力資源的使用。此外，還對(duì)移動(dòng)塔架內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行了一些修改。

把推力矢量控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、上面級(jí)流體系統(tǒng)的測(cè)試完全自動(dòng)化，從而減少測(cè)試時(shí)間。

有一項(xiàng)重要的改進(jìn)，是考慮使用傳輸數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)?！翱椗恰钡囊徊糠诌b測(cè)站是固定的，主要用于測(cè)控赤道附近的飛行任務(wù)。但對(duì)于其他類型的任務(wù)，例如太陽同步軌道，必須使用昂貴的移動(dòng)遙測(cè)地面站，即使如此，也存在一批遙測(cè)盲區(qū)。為了消除盲區(qū)，往往要修改“織女星”的彈道，這種修改通常會(huì)導(dǎo)致性能損失，從而導(dǎo)致理論載荷能力的減少。所有這些原因，都促使人們把“織女星”的傳統(tǒng)遙測(cè)系統(tǒng)向TDRSS空間網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移。這項(xiàng)改進(jìn)主要考慮到空間網(wǎng)絡(luò)的特性，包括考慮赤道和極地任務(wù)的傾角范圍、空間網(wǎng)絡(luò)視場(chǎng)，傳輸數(shù)據(jù)速率、要使用的TDRSS服務(wù)的選擇、調(diào)制和編碼。

▲ “西風(fēng)40”抵達(dá)發(fā)射臺(tái)

▲ “西風(fēng)40”即將與一級(jí)火箭結(jié)合

“織女星c”與當(dāng)前織女星運(yùn)載火箭使用相同的發(fā)射臺(tái)。這意味著，為了允許兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過渡，地面系統(tǒng)一方面要進(jìn)行修改以符合新的運(yùn)載火箭配置，另一方面要保持兼容“織女星”，最大限度地減少同時(shí)進(jìn)行發(fā)射時(shí)的影響。

地面系統(tǒng)修改的主要困難在移動(dòng)塔架內(nèi)，要盡量利用現(xiàn)有塔架，避免完全重建。例如，改造用于運(yùn)輸?shù)谝患?jí)的發(fā)射臺(tái)元件，提高支撐能力；改進(jìn)用于提升第二級(jí)的移動(dòng)式起重機(jī)，提高應(yīng)對(duì)不同高度潛在危險(xiǎn)低壓元件的系統(tǒng)安全性，對(duì)控制臺(tái)進(jìn)行修改以應(yīng)對(duì)低壓航空電子設(shè)備的升級(jí)等。

▲整流罩與載荷結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)

▲一級(jí)火箭運(yùn)往發(fā)射臺(tái)