下一代智慧發(fā)射場(chǎng)發(fā)展研究

劉 陽(yáng)，辛騰達(dá)，同 江

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

0 引言

航天發(fā)射場(chǎng)是我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施和重要支撐，隨著新型智能化航天器、運(yùn)載火箭的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)航天發(fā)射場(chǎng)的保障能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。世界各航天大國(guó)均圍繞降成本、升效率、保安全的目標(biāo)，在自動(dòng)化、信息化和智能化等方面開展了廣泛研究。目前，我國(guó)基本形成了“沿海內(nèi)陸相結(jié)合、高低緯度相結(jié)合、各種射向范圍相結(jié)合”的航天發(fā)射場(chǎng)布局，能夠較好滿足我國(guó)航天發(fā)射需求。但在高密度航天發(fā)射常態(tài)化形勢(shì)下，工位限制、自動(dòng)化程度低和參試人員多等問題越發(fā)凸顯，發(fā)射場(chǎng)亟須長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃下一代智慧發(fā)射場(chǎng)建設(shè)。

1 國(guó)內(nèi)外航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)展情況

1.1 俄羅斯發(fā)射場(chǎng)發(fā)展情況

受國(guó)土緯度位置限制，俄羅斯一直沒有建造理想的大型航天發(fā)射場(chǎng)，唯一一個(gè)緯度位置相對(duì)較低的拜科努爾發(fā)射場(chǎng)由于蘇聯(lián)解體只能租用。為了降低對(duì)位于哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)的依賴，俄羅斯聯(lián)邦政府和航天局最終于2007年選定在遠(yuǎn)東地區(qū)的阿穆爾州分3個(gè)階段實(shí)施東方航天發(fā)射場(chǎng)建設(shè)，如圖1所示。2017年，俄羅斯批準(zhǔn)了《2017—2025年發(fā)展聯(lián)邦目標(biāo)計(jì)劃》，旨在俄羅斯疆域內(nèi)建立完善的航天基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1 東方航天發(fā)射場(chǎng)

俄羅斯發(fā)射場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下：

1)發(fā)射場(chǎng)技術(shù)先進(jìn)，自動(dòng)化程度較高。如天頂號(hào)運(yùn)載火箭的發(fā)射與地面支持系統(tǒng)雖建成于1985年，但整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較為先進(jìn)的自動(dòng)化。發(fā)射區(qū)的安裝運(yùn)輸車、垂直度監(jiān)測(cè)裝置、發(fā)射臺(tái)基座、箭地連接裝置、空調(diào)系統(tǒng)、噴水降噪系統(tǒng)等均可采用自動(dòng)控制或遠(yuǎn)程控制的方式來(lái)完成，甚至發(fā)射臺(tái)在射后還可以自動(dòng)歸位，以便進(jìn)行下次發(fā)射，確保了發(fā)射操作運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、高效、安全和精確[1]。

2)廣泛采用“三平”測(cè)發(fā)模式。從20世紀(jì)60年代起，蘇聯(lián)率先采用了水平整體組裝、水平整體測(cè)試、水平整體運(yùn)輸和起豎的新模式。目前俄羅斯現(xiàn)役的主力運(yùn)載火箭仍采用“三平”測(cè)發(fā)模式，發(fā)射流程較為簡(jiǎn)化。

3)管理多元化，對(duì)外交流頻繁。目前拜科努爾發(fā)射場(chǎng)是俄羅斯與其他航天大國(guó)廣泛開展國(guó)際交流合作的重要平臺(tái)。東方發(fā)射場(chǎng)在建設(shè)運(yùn)營(yíng)中引入了多元化機(jī)制，廣泛吸引商業(yè)機(jī)構(gòu)投資，建設(shè)集航天配套產(chǎn)業(yè)、發(fā)射服務(wù)和航天科普等功能在內(nèi)的航天產(chǎn)業(yè)基地。

1.2 歐洲發(fā)射場(chǎng)發(fā)展情況

歐洲的航天發(fā)射場(chǎng)主要是圭亞那航天中心，位于南美洲北部、法屬圭亞那大西洋海岸的庫(kù)魯?shù)貐^(qū)。目前，ELA-3主要用于阿里安5火箭的發(fā)射，ELS主要用于發(fā)射聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭，ELA-1經(jīng)改造后現(xiàn)用于發(fā)射織女號(hào)小型運(yùn)載火箭，新建的ELA-4用于阿里安6火箭的發(fā)射[2-3],如圖2所示。

圖2 ELA-4主要設(shè)施

歐洲發(fā)射場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下：

1)測(cè)發(fā)模式和技術(shù)水平較為先進(jìn)。圭亞那航天中心因地制宜，采取了多種測(cè)發(fā)模式完成火箭的測(cè)試發(fā)射。如阿里安5火箭采用了“三垂”測(cè)發(fā)模式，聯(lián)盟號(hào)火箭采用了改進(jìn)的“三平”測(cè)發(fā)模式，而織女號(hào)火箭則采用了“一平兩垂”測(cè)發(fā)模式。同時(shí)，該中心也采用了大量自動(dòng)化技術(shù)，如阿里安6火箭采用的箭地自動(dòng)對(duì)接分離、低溫機(jī)械臂、遠(yuǎn)程操控等技術(shù)，確保了發(fā)射操作的簡(jiǎn)單可靠。

2)完全商業(yè)化運(yùn)作。圭亞那航天中心大力發(fā)展商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，通過(guò)簡(jiǎn)化流程、提高能力、降低成本，不斷增強(qiáng)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3 美國(guó)發(fā)射場(chǎng)發(fā)展情況

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)2020年完成肯尼迪航天中心LC-48發(fā)射工位建設(shè)。該工位簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施，使用戶節(jié)省大量費(fèi)用，并可供多個(gè)商業(yè)航天機(jī)構(gòu)在此開展發(fā)射試驗(yàn)。美國(guó)SpaceX公司星艦試驗(yàn)基地位于美國(guó)德克薩斯州卡梅倫縣的博卡奇卡海灘，發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)設(shè)施主要包括推進(jìn)劑加注貯存區(qū)、測(cè)試發(fā)射區(qū)、返回著陸區(qū)、避雷塔、防爆墻等[3]。發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)采取了較為緊湊、簡(jiǎn)潔的布局設(shè)計(jì)，發(fā)射區(qū)無(wú)導(dǎo)流槽，試驗(yàn)設(shè)施間隔較小，大多為露天設(shè)置，如圖3所示。

圖3 星艦試驗(yàn)基地

美國(guó)發(fā)射場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下[4-5]：

1)技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度較高。美國(guó)的航天發(fā)射場(chǎng)在發(fā)射技術(shù)的研究與應(yīng)用方面始終走在世界前列，如大規(guī)模液氫加注技術(shù)、牽制釋放技術(shù)、低溫加注自動(dòng)對(duì)接分離技術(shù)、噴水降噪技術(shù)等在美國(guó)航天發(fā)射場(chǎng)均有應(yīng)用，其自動(dòng)化、信息化水平較高，綜合發(fā)射能力較強(qiáng)。

2)測(cè)試發(fā)射模式多樣化。由于美國(guó)運(yùn)載火箭型譜較為復(fù)雜，各型號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射場(chǎng)采用了不同的測(cè)試發(fā)射模式，既有水平分級(jí)運(yùn)輸(“一平兩垂”)的發(fā)射模式，也有水平整體運(yùn)輸(“三平”)和垂直整體運(yùn)輸(“三垂”)的測(cè)發(fā)模式。其中“三垂”測(cè)發(fā)模式為肯尼迪航天中心首創(chuàng)。

3)高度重視發(fā)射安全性。美國(guó)非常重視航天發(fā)射的安全性，專門制定了《東西靶場(chǎng)安全規(guī)范》，對(duì)發(fā)射活動(dòng)中的安全性問題的識(shí)別分析、規(guī)避以及處置進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定?，F(xiàn)有的發(fā)射場(chǎng)大量采用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了射前操作的無(wú)人值守，進(jìn)一步提升了安全性。

1.4 我國(guó)發(fā)射場(chǎng)建設(shè)情況

經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，我國(guó)已初步形成了布局相對(duì)合理、設(shè)施基本完善、功能較為齊全的發(fā)射場(chǎng)格局，具備了一定的航天發(fā)射規(guī)模和能力，基本滿足我國(guó)對(duì)航天發(fā)射的需求。

但發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)狀與我國(guó)日益增長(zhǎng)的發(fā)射任務(wù)需求相比，主要存在以下不足[6]：

1)發(fā)射場(chǎng)兼容適應(yīng)能力弱。由于各型火箭技術(shù)狀態(tài)差異大，每個(gè)發(fā)射場(chǎng)只能滿足固定一型或幾型火箭測(cè)試發(fā)射，測(cè)發(fā)控、地面保障等設(shè)備不通用，不同型號(hào)和工位的箭地接口不兼容，地面設(shè)備通用化、系列化、組合化水平整體較低，面對(duì)新型號(hào)、新任務(wù)，無(wú)法快速重構(gòu)形成發(fā)射能力。

2)測(cè)發(fā)周期及射后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。受產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)及成熟度影響，火箭、衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試發(fā)射流程復(fù)雜，測(cè)試發(fā)射周期較長(zhǎng)，重復(fù)測(cè)試次數(shù)較多，發(fā)射區(qū)占位時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)射區(qū)設(shè)施復(fù)雜，射后損傷設(shè)備多,狀態(tài)恢復(fù)較慢。

3)自動(dòng)化、智能化水平較低。測(cè)試發(fā)射還處于人員密集型的工作模式，大量工作還需要手動(dòng)操作和人員現(xiàn)場(chǎng)值守，自動(dòng)化程度不高，測(cè)試發(fā)射效率較低，操作安全風(fēng)險(xiǎn)較高。發(fā)射場(chǎng)盡管逐步建立了各級(jí)指揮控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等信息化應(yīng)用，但發(fā)射任務(wù)中的智能化應(yīng)用，如智能運(yùn)維、智能決策、故障診斷等能力較弱。

1.5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)國(guó)外主要航天大國(guó)和組織發(fā)射場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和后續(xù)建設(shè)規(guī)劃來(lái)看，未來(lái)航天發(fā)射場(chǎng)的主要發(fā)展方向可簡(jiǎn)要概括如下：

1)測(cè)發(fā)模式向整體化方向發(fā)展。航天發(fā)射模式向整體運(yùn)輸發(fā)展，不論是美國(guó)、歐洲采用的“三垂”模式，還是俄羅斯采用的“三平”模式，兩類模式都增強(qiáng)了測(cè)試、運(yùn)輸?shù)恼w性，減少狀態(tài)變化和重復(fù)測(cè)試，提高發(fā)射可靠性。

2)測(cè)發(fā)設(shè)備向智能化和一體化方向發(fā)展。隨著火箭和航天器采用整體總裝、測(cè)試、運(yùn)輸?shù)臏y(cè)發(fā)模式，以及先進(jìn)總線、虛擬儀器和云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，火箭、航天器測(cè)發(fā)設(shè)備自動(dòng)化和集成化程度不斷提高，推動(dòng)測(cè)發(fā)設(shè)備向智能化和一體化方向發(fā)展。

3)管理保障向標(biāo)準(zhǔn)化和集約化方向發(fā)展。為保證發(fā)射場(chǎng)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，各國(guó)都在不斷建立和完善發(fā)射場(chǎng)管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加快標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)步伐。加強(qiáng)設(shè)備通用化、系列化、組合化建設(shè)，提高互聯(lián)、互通、互操作性，向集約化發(fā)射場(chǎng)邁進(jìn)。

未來(lái)一段時(shí)期，航天工程新技術(shù)、新設(shè)備、新模式研發(fā)應(yīng)用明顯加快，載人航天、深空探測(cè)、星座組網(wǎng)等重大航天任務(wù)將全面展開實(shí)施，商業(yè)航天發(fā)射井噴式發(fā)展。新的任務(wù)形勢(shì)呈現(xiàn)出技術(shù)新、要求高、保障難的特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)發(fā)射場(chǎng)的綜合能力和水平提出了更高要求。為不斷適應(yīng)新形勢(shì)、新任務(wù)、新技術(shù)，提升發(fā)射安全性，提高發(fā)射效率，降低發(fā)射成本，亟須逐步推進(jìn)下一代智慧航天發(fā)射場(chǎng)的發(fā)展。

2 智慧發(fā)射場(chǎng)發(fā)展構(gòu)想

2.1 總體架構(gòu)

智慧發(fā)射場(chǎng)是由物理環(huán)境、數(shù)智環(huán)境、運(yùn)行平臺(tái)、組織管理4個(gè)部分形成互聯(lián)的體系，如圖4所示，具備數(shù)智環(huán)路、物理環(huán)路、聯(lián)合環(huán)路3類運(yùn)行模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化等手段，實(shí)現(xiàn)物理發(fā)射場(chǎng)與數(shù)智發(fā)射場(chǎng)的高效聯(lián)動(dòng)[7]。從信息化進(jìn)一步向數(shù)字化、智能化、數(shù)智化乃至智慧化的深度和廣度拓展進(jìn)化。

圖4 智慧發(fā)射場(chǎng)總體架構(gòu)

2.2 發(fā)展原則

智慧發(fā)射場(chǎng)的基本原則是“能力牽引、統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點(diǎn)、創(chuàng)新發(fā)展”。

2.2.1 能力牽引

轉(zhuǎn)變單一依靠任務(wù)牽引的發(fā)展模式，發(fā)展形成任務(wù)和能力的雙牽引機(jī)制；跟蹤世界航天技術(shù)發(fā)展前沿，重點(diǎn)圍繞航天重大專項(xiàng)工程任務(wù)需要和發(fā)射能力體系的整體提升，突出抓好一批戰(zhàn)略性、前瞻性和基礎(chǔ)性的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

2.2.2 統(tǒng)籌規(guī)劃

進(jìn)一步加強(qiáng)發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)與測(cè)發(fā)技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌考慮當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)、需求與可能、研究與應(yīng)用的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)發(fā)展與火箭等航天力量發(fā)展同步，與任務(wù)需求協(xié)調(diào)，力爭(zhēng)“跟蹤探索、跟上預(yù)研、同步研制、超前發(fā)展”。

2.2.3 突出重點(diǎn)

緊緊圍繞解決制約發(fā)射能力整體提升的短線問題和關(guān)系發(fā)射場(chǎng)智慧化發(fā)展的重大問題，統(tǒng)籌開展設(shè)施設(shè)備、技術(shù)理論智慧化研究，重視新型發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)研究和體系建設(shè)。

2.2.4 創(chuàng)新發(fā)展

大力開展原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，努力突破核心理論,掌握關(guān)鍵技術(shù)，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，協(xié)調(diào)推進(jìn)航天發(fā)射體制機(jī)制、組織協(xié)同、設(shè)備管理等創(chuàng)新發(fā)展，為發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)全面創(chuàng)新發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)組成與功能

智慧發(fā)射場(chǎng)主要由智慧技術(shù)區(qū)、智慧發(fā)射區(qū)、智慧回收系統(tǒng)、智慧指揮系統(tǒng)、智慧評(píng)估系統(tǒng)與數(shù)智環(huán)境平臺(tái)組成[8-9]，如圖5所示。

圖5 智慧發(fā)射場(chǎng)基本組成

2.3.1 智慧技術(shù)區(qū)

智慧技術(shù)區(qū)主要包括：

(1)自動(dòng)化產(chǎn)品裝卸、組裝

產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)裝卸、組裝完全由自動(dòng)化設(shè)施設(shè)備進(jìn)行操作，組裝完畢后自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)至測(cè)試區(qū)域，在產(chǎn)品裝卸、組裝的過(guò)程中僅需要1～2人進(jìn)行監(jiān)控即可完成。

(2)一體化智能測(cè)試

設(shè)置通用化測(cè)試接口、測(cè)試設(shè)備，適應(yīng)各型火箭自主測(cè)試需求。以故障自診斷為基礎(chǔ)，通過(guò)自主測(cè)試、自主評(píng)估、自主判斷等手段，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析、評(píng)估，具備地面射前一鍵化測(cè)試能力。

(3)模塊化區(qū)域分配

為有效提高測(cè)試發(fā)射效率，根據(jù)火箭、航天器的測(cè)試需求自主分配不同功能的工作區(qū)域，充分整合火箭、航天器測(cè)試需求，提供自動(dòng)化、智能化測(cè)試設(shè)備。充分利用測(cè)試場(chǎng)地，實(shí)現(xiàn)從裝卸、組裝、測(cè)試、技術(shù)區(qū)加注、轉(zhuǎn)運(yùn)的智能化流水線式保障模式。

2.3.2 智慧發(fā)射區(qū)

智慧發(fā)射區(qū)主要包括：

(1)智慧發(fā)射工位

與現(xiàn)有發(fā)射工位不同，智慧發(fā)射工位進(jìn)行模塊化、簡(jiǎn)易化設(shè)置，預(yù)留與智慧技術(shù)區(qū)一致的通用化測(cè)試、加注接口。利用無(wú)線傳感技術(shù)，火箭也可實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)發(fā)控。同一發(fā)射工位可完全適用不同構(gòu)型的火箭，采用新材料、新技術(shù)等手段，簡(jiǎn)化發(fā)射工位設(shè)施。

(2)智慧加注供氣

智慧加注供氣可根據(jù)自主測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自主對(duì)接、加注、泄回等操作，加注接口可設(shè)置為可移動(dòng)、多自由度的柔性裝置，以滿足不同型號(hào)火箭的加注供氣需求。加注過(guò)程中具備自主監(jiān)測(cè)及應(yīng)急處置模式，在故障情況下可充分保障安全。

(3)智慧保障設(shè)施

對(duì)推進(jìn)劑、特種氣體、供水、電、空調(diào)等保障設(shè)施設(shè)備進(jìn)行智能化管理，根據(jù)火箭、航天器的保障需求，實(shí)現(xiàn)一鍵輸入，自主分配保障資源的目標(biāo)。設(shè)置智能傳感器，監(jiān)測(cè)發(fā)射區(qū)設(shè)施設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，減少發(fā)射區(qū)設(shè)施設(shè)備不必要的射后檢修與恢復(fù)。

2.3.3 智慧指揮系統(tǒng)

區(qū)別于以往的航天指揮系統(tǒng)，指揮人員在任務(wù)鏈最高層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制，這個(gè)控制是指令控制，而不是具體操作。依據(jù)事先的規(guī)劃指令和緊急情況下的應(yīng)變指令，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。根據(jù)任務(wù)需求及環(huán)境的感知，對(duì)飛行軌跡、航落區(qū)、應(yīng)急安控等工作進(jìn)行決策，達(dá)到飛行任務(wù)最優(yōu)。

2.3.4 智慧回收系統(tǒng)

目前火箭飛行控制不具備飛行任務(wù)自主規(guī)劃、自主返回和自主診斷能力，殘骸落區(qū)由規(guī)劃的飛行彈道決定。隨著火箭自主飛行控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在飛行過(guò)程中的自主故障檢測(cè)、故障定位和故障隔離，飛行任務(wù)自主調(diào)整，提高飛行可靠性，一次性火箭殘骸通過(guò)柵格舵、降落傘等精確控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)火箭殘骸的自主控制?？芍貜?fù)火箭實(shí)現(xiàn)火箭各子級(jí)的精確返回控制，返回后進(jìn)行箭上設(shè)備自主健康狀態(tài)評(píng)估，科學(xué)統(tǒng)籌可重復(fù)火箭返回需求，建設(shè)陸上、海上智慧化回收系統(tǒng)。

2.3.5 智慧評(píng)估系統(tǒng)

通過(guò)發(fā)射場(chǎng)布設(shè)傳感器，實(shí)時(shí)感知設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)信息、環(huán)境信息等，形成大數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、管理體系。各智慧系統(tǒng)感知和處理所獲取的數(shù)據(jù)，利用知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)對(duì)任務(wù)、設(shè)施設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。參試人員可通過(guò)發(fā)射場(chǎng)三維全景虛擬系統(tǒng)感知發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)智慧評(píng)估系統(tǒng)給出的檢修周期、剩余壽命，定期更換或維修，提高維修保障效率。

2.3.6 數(shù)智環(huán)境平臺(tái)

遵循網(wǎng)絡(luò)信息化體系“四化五層”環(huán)境平臺(tái)架構(gòu)，構(gòu)建“以系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為目標(biāo)，以任務(wù)應(yīng)用為牽引，以模型數(shù)據(jù)為核心，以科技手段為支撐，以基礎(chǔ)條件為保障”的布局合理、自主可控、高效順暢的數(shù)智環(huán)境平臺(tái)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示，能可靠支撐智慧發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)。

圖6 智慧發(fā)射場(chǎng)數(shù)智環(huán)境平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3 智慧發(fā)射場(chǎng)發(fā)展主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超大流量低溫自動(dòng)加注技術(shù)

大型運(yùn)載火箭低溫加注規(guī)模大、技術(shù)難、要求高，嚴(yán)重制約發(fā)射場(chǎng)智慧化發(fā)展[10]。亟須開展高熱力學(xué)效力液化流程設(shè)計(jì)技術(shù)、大規(guī)模低溫推進(jìn)劑精確加注與多模式控制技術(shù)、超大型液氫(液氧)增壓技術(shù)及低溫液體流動(dòng)特性變化規(guī)律與自主推進(jìn)劑加注技術(shù)[11]等研究，實(shí)現(xiàn)發(fā)射區(qū)加注發(fā)射無(wú)人值守。

3.2 箭地一體化發(fā)射設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)

開展箭地一體化測(cè)試發(fā)射總體研究、箭地接口指標(biāo)可視化管理技術(shù)、箭地一體化測(cè)試設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)、箭地氣液電接口一體化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)等研究，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)發(fā)射區(qū)設(shè)施設(shè)備一體化、智能化，箭地接口統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫落，解決箭地接口種類眾多、脫落形式多樣的問題，有效提高測(cè)試發(fā)射效率。

3.3 航天發(fā)射智能化保障技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能控制技術(shù)的不斷成熟，開展基于智能控制的地面保障機(jī)器人集群研究，突破低溫推進(jìn)劑泄漏智能識(shí)別、巡檢，發(fā)射場(chǎng)智能操作機(jī)械臂研制，基于云服務(wù)器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互等技術(shù)，大量減少場(chǎng)區(qū)保障人員，提高人因可靠性，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、加注、供氣等勤務(wù)保障工作滿足航天發(fā)射智能化保障要求。

3.4 智能化快速測(cè)發(fā)控技術(shù)

開展緊湊型測(cè)控功能優(yōu)化配置技術(shù)、總線竊聽信息監(jiān)控技術(shù)、模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的地面實(shí)時(shí)測(cè)試信息處理與故障定位技術(shù)等研究。實(shí)現(xiàn)智能人機(jī)界面設(shè)計(jì)、全過(guò)程數(shù)據(jù)處理與閉環(huán)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判讀、狀態(tài)檢測(cè)與故障定位能力，實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)發(fā)控、快速、智能數(shù)據(jù)判讀、全自動(dòng)測(cè)發(fā)流程，推動(dòng)測(cè)試發(fā)射由信息化向智慧化發(fā)展[12-13]。

3.5 天地協(xié)同高性能人工智能計(jì)算技術(shù)

發(fā)射場(chǎng)云端，研制基于國(guó)產(chǎn)芯片的分區(qū)多態(tài)架構(gòu)的專用服務(wù)器，可處理全系統(tǒng)的人工智能流程；研制高性能人工智能計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建關(guān)鍵模型、編程框架、核心架構(gòu)、處理芯片的自主生態(tài)，智能軟件與智能硬件的協(xié)同模式。運(yùn)載火箭端，研制基于國(guó)產(chǎn)芯片和智能加速卡的智能計(jì)算系統(tǒng)，支持感知、學(xué)習(xí)、決策、推理4類智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制環(huán)路的有效加速[14]。

3.6 3殘骸落區(qū)自主可控技術(shù)

開展火箭殘骸自主可控降落技術(shù)、無(wú)動(dòng)力氣動(dòng)控制技術(shù)、天基/地基測(cè)量觀測(cè)技術(shù)、故障模式自主航跡規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)等研究[15]，形成殘骸精準(zhǔn)控制能力、落點(diǎn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)能力，推動(dòng)航天發(fā)射向高安全、高智慧化發(fā)展。

3.7 數(shù)字化發(fā)射場(chǎng)技術(shù)

通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR等技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字發(fā)射場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)火箭、航天器與發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)接口、操作、測(cè)發(fā)流程的快速設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)，甚至替代部分實(shí)物合練，節(jié)省任務(wù)周期和費(fèi)用，提高發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)效率。

4 智慧發(fā)射場(chǎng)發(fā)展目標(biāo)與途徑

4.1 發(fā)展目標(biāo)

以建設(shè)測(cè)試簡(jiǎn)易化、設(shè)施模塊化、保障智能化、發(fā)射集成化的智慧發(fā)射場(chǎng)為發(fā)展目標(biāo)[15-16]，不斷提升發(fā)射安全,降低發(fā)射成本,提高發(fā)射效率，長(zhǎng)遠(yuǎn)推進(jìn)世界一流先進(jìn)航天發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)。

4.1.1 測(cè)試簡(jiǎn)易化

建立火箭全程在線健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)火箭出廠后運(yùn)輸、進(jìn)場(chǎng)、裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射全程健康狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)火箭無(wú)故障不測(cè)試；對(duì)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)型，建立通用火箭測(cè)發(fā)控平臺(tái)，推進(jìn)衛(wèi)星測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)化；實(shí)現(xiàn)技術(shù)區(qū)只進(jìn)行加裝火工品、充氣、姿控和衛(wèi)星加注等，發(fā)射區(qū)進(jìn)行地面箭地接口連接、火箭加注、發(fā)射，達(dá)到測(cè)試操作流程的極簡(jiǎn)化。

4.1.2 設(shè)施模塊化

簡(jiǎn)化發(fā)射設(shè)施，推進(jìn)無(wú)塔發(fā)射，并通過(guò)模塊化裝配構(gòu)筑物等措施，實(shí)現(xiàn)技術(shù)區(qū)廠房設(shè)施的組合化、彈性化構(gòu)建，通過(guò)輕量化導(dǎo)流模塊、地形自適應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)射車等手段，實(shí)現(xiàn)發(fā)射區(qū)設(shè)施的重組重構(gòu)。

4.1.3 保障智能化

通過(guò)智能綜合態(tài)勢(shì)感知、智能運(yùn)輸對(duì)接系統(tǒng)、加注機(jī)器人等研制，實(shí)現(xiàn)火箭對(duì)接、裝配、組裝、測(cè)試、加注等自動(dòng)化；綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立智慧發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)發(fā)射區(qū)無(wú)人值守，發(fā)射任務(wù)和設(shè)施設(shè)備的智能化管控與運(yùn)維等[17]。

4.1.4 發(fā)射集成化

全面實(shí)現(xiàn)一個(gè)工位、一套系統(tǒng)、一體測(cè)發(fā)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)智能技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)箭地接口更加優(yōu)化、規(guī)范，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加先進(jìn)，通用化程度不斷提高。通過(guò)發(fā)射一體化、集成化設(shè)計(jì)，研制集起豎、轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射臺(tái)功能一體的集成化設(shè)備和快速大流量并行自動(dòng)加注系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)火箭快速發(fā)射。

4.2 發(fā)展途徑

智慧發(fā)射場(chǎng)遵循“能力牽引、統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點(diǎn)、創(chuàng)新發(fā)展”等原則，利用“航天發(fā)射場(chǎng)+智慧”“智慧航天發(fā)射場(chǎng)+”及“數(shù)智孿生發(fā)射+”等模式，全面提升發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)的信息化和智能化水平，有效提高航天測(cè)試發(fā)射效率。

1)“航天發(fā)射場(chǎng)+智慧”模式。在現(xiàn)有發(fā)射場(chǎng)基礎(chǔ)上，保證滿足現(xiàn)有發(fā)射任務(wù)需求的前提下，通過(guò)充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新材料為代表的新技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備逐步進(jìn)行智能化改造建設(shè)，著力提升發(fā)射綜合能力與智慧化水平。

2)“智慧航天發(fā)射場(chǎng)+”模式。加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制定智慧發(fā)射場(chǎng)建設(shè)策略與路線圖，以技術(shù)路線圖規(guī)劃未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的智慧發(fā)射場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。在總體規(guī)劃論證階段，即對(duì)發(fā)射場(chǎng)布局、發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行智慧化規(guī)劃、設(shè)計(jì)與構(gòu)建，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

3)“數(shù)智孿生發(fā)射+”模式。重大航天工程建設(shè)數(shù)智孿生航天發(fā)射，在論證階段完成重大工程運(yùn)載火箭、航天器的全流程全鏈路的系統(tǒng)接口匹配地面驗(yàn)證與飛行數(shù)智驗(yàn)證，強(qiáng)化航天工程的一體化設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工程早期與中期效果評(píng)估。以重大航天工程運(yùn)載火箭及航天器的智慧化發(fā)展為牽引，推動(dòng)發(fā)射場(chǎng)的智慧化建設(shè)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外主要航天發(fā)射場(chǎng)的現(xiàn)狀與特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)狀和不足及未來(lái)發(fā)射場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行概述分析。針對(duì)目前面臨的實(shí)際形勢(shì)，從發(fā)展構(gòu)想、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展目標(biāo)與途徑等方面，對(duì)下一代智慧發(fā)射場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行了探究。由于高密度航天發(fā)射任務(wù)實(shí)施及各型號(hào)火箭專用設(shè)備限制等因素的制約，智慧發(fā)射場(chǎng)的規(guī)劃建設(shè)仍存在諸多問題。后續(xù)，將進(jìn)一步細(xì)化梳理論證總體布局、關(guān)鍵技術(shù)、建設(shè)規(guī)劃，制定清晰的發(fā)展路線圖，逐步推進(jìn)下一代智慧發(fā)射場(chǎng)的創(chuàng)新發(fā)展。