大中型液體運(yùn)載火箭水平起豎與發(fā)射技術(shù)

劉聰聰，荊慧強(qiáng)，賈永濤，樊 蕾，范 虹

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》中提到計(jì)劃在2030 年前后中國(guó)將發(fā)射近450 顆衛(wèi)星，其中SSO 軌道衛(wèi)星約占50%，1 t 至4.5 t衛(wèi)星則占SSO軌道衛(wèi)星的66%。

針對(duì)中低軌航天器發(fā)射任務(wù)，開(kāi)展了CZ-8 運(yùn)載火箭的研制工作，其SSO運(yùn)載能力4.5 t，擬采用“三平”測(cè)發(fā)模式（箭體水平總裝、水平測(cè)試、水平轉(zhuǎn)運(yùn)），并針對(duì)目前航天發(fā)射任務(wù)高密度化的趨勢(shì)，提出了快速智能測(cè)發(fā)的新要求［1-4］。

大中型火箭水平起豎與發(fā)射技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大中型液體運(yùn)載火箭“三平”測(cè)發(fā)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要完成大中型帶助推火箭水平總裝、水平運(yùn)輸、在發(fā)射工位準(zhǔn)確對(duì)接及平穩(wěn)起豎，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)加注與發(fā)射流程中供氣的智能控制，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射。地面發(fā)射支持系統(tǒng)是火箭系統(tǒng)的分系統(tǒng)之一，本文重點(diǎn)介紹地面發(fā)射支持系統(tǒng)所采取的相關(guān)新技術(shù)。

1 地面發(fā)射支持系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

目前，各國(guó)的火箭測(cè)試發(fā)射模式已由三級(jí)（分級(jí)組裝、分級(jí)測(cè)試、分級(jí)運(yùn)輸）轉(zhuǎn)為三垂（整體垂直組裝、整體垂直測(cè)試、整體垂直運(yùn)輸）、三平（整體水平組裝、整體水平測(cè)試、整體水平運(yùn)輸），發(fā)射控制則由近距離發(fā)射控制模式向遠(yuǎn)距離高度自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射模式發(fā)展，測(cè)控也在逐步向天基過(guò)渡，地面發(fā)射支持系統(tǒng)的健康管理成為趨勢(shì)。

各國(guó)在早期發(fā)射火箭時(shí)，普遍采用的是分級(jí)水平測(cè)試、分級(jí)水平運(yùn)輸和分級(jí)起豎的模式。美國(guó)在20世紀(jì)50年代進(jìn)行了改進(jìn)，取消了技術(shù)廠房測(cè)試，箭體在技術(shù)廠房經(jīng)外觀檢查和狀態(tài)恢復(fù)后，分級(jí)水平運(yùn)往發(fā)射陣地，在發(fā)射臺(tái)上起豎、組裝、測(cè)試和發(fā)射，這也是目前CZ-3A系列采用的模式，稱(chēng)為“一平兩垂”（水平運(yùn)輸、垂直組裝、垂直測(cè)試）。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試狀態(tài)和發(fā)射狀態(tài)一致，對(duì)于地面發(fā)射支持系統(tǒng)來(lái)講技術(shù)成熟，可靠性高，發(fā)射臺(tái)不需要具有行走功能。但是也存在發(fā)射陣地環(huán)境條件較差、操作不如技術(shù)廠房等不足。另外，由于火箭的主要測(cè)試和操作在發(fā)射陣地開(kāi)展，發(fā)射陣地設(shè)備較多，發(fā)射工位占用時(shí)間長(zhǎng)。

美國(guó)在使用土星V火箭發(fā)射阿波羅飛船時(shí)采用了“三垂”的測(cè)發(fā)模式，后來(lái)歐洲阿里安發(fā)射場(chǎng)、日本吉信發(fā)射場(chǎng)也采用這種模式，在中國(guó)目前主要為CZ-2F、CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭所采用，其特點(diǎn)為在垂直廠房?jī)?nèi)將火箭垂直組裝至活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后整體垂直運(yùn)往發(fā)射陣地。其優(yōu)點(diǎn)為火箭的組裝和測(cè)試在技術(shù)廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，環(huán)境條件好，同時(shí)減少了發(fā)射陣地的占用時(shí)間，可以提高發(fā)射工位使用效率，發(fā)射陣地的設(shè)備也較少；其缺點(diǎn)為發(fā)射支持系統(tǒng)產(chǎn)品較為復(fù)雜，特別是發(fā)射平臺(tái)，需具有行走功能，且部分設(shè)備設(shè)置在發(fā)射平臺(tái)內(nèi)，工作條件和維修條件不夠好?！叭埂睖y(cè)試發(fā)射模式對(duì)于地面發(fā)射支持系統(tǒng)來(lái)講具有同樣成熟的技術(shù)。

“三平”測(cè)試發(fā)射模式最早為蘇聯(lián)在發(fā)射東方號(hào)、上升號(hào)和聯(lián)盟號(hào)飛船時(shí)所采用，至今在俄羅斯仍然被廣泛應(yīng)用。其特點(diǎn)是在技術(shù)廠房?jī)?nèi)將火箭水平整體組裝至轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車(chē)上并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后整體水平運(yùn)輸至發(fā)射陣地，然后整體起豎至發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行發(fā)射。蘇聯(lián)的聯(lián)盟號(hào)、質(zhì)子號(hào)、能源號(hào)和天頂號(hào)，美國(guó)的德?tīng)査?、法爾肯9 等火箭采用的就是這種模式，中國(guó)的CZ-6 也是采用這種模式。其優(yōu)點(diǎn)與“三垂”的測(cè)發(fā)模式類(lèi)似，但是地面設(shè)備和發(fā)射場(chǎng)所需要的建造費(fèi)用更低，不需要研制建造造價(jià)高昂的垂直組裝廠房和活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，但是也存在測(cè)試狀態(tài)與發(fā)射狀態(tài)不一致、對(duì)箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高等不足。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)射模式進(jìn)行分析和整理，目前采用“三垂”測(cè)發(fā)模式的火箭主要有：CZ-7、CZ-5、CZ-2F、美國(guó)土星V、法國(guó)阿里安5、日本H-2A 等；采用“三平”測(cè)發(fā)模式的火箭有：CZ-6、天頂號(hào)、聯(lián)盟號(hào)、安加拉、質(zhì)子號(hào)、德?tīng)査馰、法爾肯9等。采用“一平兩垂”測(cè)發(fā)模式的火箭有：CZ-2C、CZ-3A、CZ-4B 等。對(duì)3 種發(fā)射模式進(jìn)行對(duì)比，項(xiàng)目及結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 不同測(cè)試模式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表Tab.1 Comparison table of different test modes

綜上所述，無(wú)論是“三平”還是“三垂”，世界各國(guó)的火箭測(cè)發(fā)模式都從分級(jí)向整體轉(zhuǎn)變，整體組裝、整體測(cè)試和整體運(yùn)輸已經(jīng)成為了趨勢(shì)［1-10］。

基于“三平”測(cè)發(fā)模式的液體型號(hào)火箭，目前中國(guó)僅有CZ-6 火箭。CZ-6 火箭無(wú)助推器，全箭尺寸規(guī)模相對(duì)較小，對(duì)于大中型捆綁型火箭的“三平”測(cè)發(fā)技術(shù)，還需要開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)工作。結(jié)合CZ-8 型號(hào)研制需求，地面發(fā)射支持系統(tǒng)針對(duì)大中型液體運(yùn)載火箭水平起豎與發(fā)射技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研制工作，本文主要從箭體水平組裝技術(shù)、整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)、智能供配氣技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行闡述。其中箭體水平組裝技術(shù)、整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)重點(diǎn)解決以CZ-8 火箭為代表的大中型火箭水平起豎技術(shù)問(wèn)題，智能供配氣技術(shù)主要滿足CZ-8火箭快速測(cè)發(fā)需求。

2 大中型液體運(yùn)載火箭水平起豎技術(shù)

箭體水平組裝技術(shù)與整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)配合使用，適用于“三平”測(cè)發(fā)模式。其主要優(yōu)點(diǎn)為：降低對(duì)發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)要求，縮短發(fā)射工位占用時(shí)間。但其對(duì)地面發(fā)射支持系統(tǒng)的要求增加，新增加了箭體水平組裝、整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎與發(fā)射臺(tái)對(duì)接的需求。

2.1 箭體水平組裝技術(shù)

箭體水平組裝的核心為箭體在水平狀態(tài)下的自由度調(diào)整能力，可分為支架車(chē)水平組裝和吊具組裝兩個(gè)方案。

a） 支架車(chē)水平組裝方案。

箭體水平狀態(tài)停放在支架車(chē)上，支架車(chē)具備橫向、縱向、垂向、整體滾轉(zhuǎn)4 個(gè)自由度的調(diào)節(jié)功能。通過(guò)對(duì)支架車(chē)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體姿態(tài)的調(diào)節(jié)，適應(yīng)箭體水平組裝。支架車(chē)高度調(diào)節(jié)可采用升降機(jī)的結(jié)構(gòu)形式；通過(guò)車(chē)的整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后調(diào)節(jié)；可采用直線導(dǎo)軌與頂桿的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)左右調(diào)節(jié)；整體滾轉(zhuǎn)可采用弧形導(dǎo)軌與頂桿的結(jié)構(gòu)形式，該方式僅能適應(yīng)箭體在小范圍內(nèi)的滾轉(zhuǎn)，一般不宜超過(guò)5°。

支架車(chē)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。每級(jí)箭體使用支架車(chē)，每個(gè)支架車(chē)具備4個(gè)自由度調(diào)整能力，兩個(gè)支架車(chē)組合后能夠具備箭體模塊六自由度調(diào)整能力。當(dāng)箭體需要大角度調(diào)整時(shí)，則需對(duì)支架車(chē)進(jìn)行改進(jìn)，新增加滾轉(zhuǎn)環(huán)，用于固定箭體，滾轉(zhuǎn)環(huán)與支架車(chē)一起配合使用，實(shí)現(xiàn)箭體大角度調(diào)整，滾轉(zhuǎn)環(huán)的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2，該方式可實(shí)現(xiàn)箭體360°滾轉(zhuǎn)。箭體在方位調(diào)整過(guò)程中最關(guān)鍵的操作項(xiàng)目為保持動(dòng)作的一致性，需保證箭體兩個(gè)支架車(chē)調(diào)節(jié)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，避免滾轉(zhuǎn)調(diào)整過(guò)程中因?yàn)橹Ъ苘?chē)動(dòng)作不一致對(duì)箭體產(chǎn)生附加力。

圖1 水平組裝支架車(chē)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of horizontal assembly bracket car

圖2 大角度滾轉(zhuǎn)環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of large angle rolling ring

b）吊具組裝方案。

采用可自由調(diào)整的吊具，通過(guò)吊車(chē)移動(dòng)及吊具狀態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體方位的調(diào)整，以滿足箭體水平組裝對(duì)接的需求。吊具采用雙鉤吊具，吊裝狀態(tài)示意見(jiàn)圖3。通過(guò)雙吊車(chē)的移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、垂向、垂直擺動(dòng)4個(gè)自由度的調(diào)節(jié)功能。在單側(cè)吊帶上設(shè)置一套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要功能為對(duì)吊帶的長(zhǎng)度進(jìn)行帶載調(diào)節(jié)，可選擇手動(dòng)或電動(dòng)形式，通過(guò)吊帶調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)箭體模塊滾轉(zhuǎn)，通過(guò)人工可實(shí)現(xiàn)箭體模塊的橫向小幅度擺動(dòng)。

圖3 雙三角架吊具吊裝示意Fig.3 Schematic of spreader

2.2 整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)

整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接設(shè)備的主要功能是完成水平組裝后火箭由技術(shù)區(qū)至發(fā)射區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，并在發(fā)射區(qū)通過(guò)起豎的形式完成火箭與發(fā)射平臺(tái)的對(duì)接工作。與傳統(tǒng)的分級(jí)吊裝后在垂直狀態(tài)與發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行組裝相比，特點(diǎn)為：傳統(tǒng)的吊裝方案，吊具是柔性的，箭體與發(fā)射平臺(tái)對(duì)接過(guò)程中有一定的自由度調(diào)整能力；起豎設(shè)備通常為剛性連接狀態(tài)，一旦開(kāi)始起豎箭體，則難以對(duì)火箭方位進(jìn)行調(diào)整，或者說(shuō)調(diào)整方案可實(shí)現(xiàn)性較差，且存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)最核心的技術(shù)是火箭起豎對(duì)接調(diào)整及定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火箭與發(fā)射平臺(tái)的精確對(duì)接，并需對(duì)對(duì)接精度指標(biāo)進(jìn)行合理分配，保證各單機(jī)設(shè)備的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接設(shè)備按照運(yùn)輸方式可分為軌道運(yùn)輸和公路運(yùn)輸兩類(lèi)，按照起豎結(jié)構(gòu)可分為整體式和分體式兩類(lèi)。上述類(lèi)型各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文主要針對(duì)公路運(yùn)輸分體式起豎技術(shù)進(jìn)行介紹。

整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接設(shè)備由轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、起豎托架、地面起豎裝置3大部分組成，如圖4所示。

圖4 整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接設(shè)備示意Fig.4 Schematic of overall transfer erection and docking equipment

轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的主要功能為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸及停車(chē)定位；起豎托架主要用于支撐固定箭體，保證箭體在水平運(yùn)輸及起豎工況下的安全性和穩(wěn)定性；地面起豎裝置固定在發(fā)射區(qū)，主要提供起豎力，并保證起豎后與發(fā)射平臺(tái)的對(duì)接精度。

參與起豎的設(shè)備較多，影響起豎后火箭與發(fā)射平臺(tái)對(duì)接精度的因素較多，需要充分考慮各影響因素，并進(jìn)行科學(xué)合理分配，保證方案的合理性和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)地面發(fā)射支持系統(tǒng)依據(jù)型號(hào)的特點(diǎn)對(duì)對(duì)接精度影響因素進(jìn)行了識(shí)別及初步精度分配，具體見(jiàn)表2。在精度分配過(guò)程中，充分考慮了整體的經(jīng)濟(jì)性，避免單一設(shè)備精度指標(biāo)要求過(guò)高。

表2 運(yùn)輸起豎對(duì)接精度分析Tab.2 Accuracy analysis of transportation erection and docking

整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接設(shè)備在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

a）起豎工況決定了起豎托架必然會(huì)產(chǎn)生一定的變形，在對(duì)起豎托架進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，要關(guān)注起豎托架的變形與箭體之間的協(xié)調(diào)性，箭地連接宜采用具有回轉(zhuǎn)自由度的結(jié)構(gòu)形式，避免起豎托架的變形施加在箭體結(jié)構(gòu)上。

b）起豎托架與地面起豎設(shè)備之間的對(duì)接精度由運(yùn)輸車(chē)的停車(chē)調(diào)整精度來(lái)保證，可在運(yùn)輸車(chē)上設(shè)置方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)運(yùn)輸車(chē)粗定位與方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精確調(diào)整組合的形式，保證起豎托架與地面起豎設(shè)備之間的對(duì)接精度，通過(guò)調(diào)節(jié)精度的合理分配，可降低總研制成本。

c）起豎托架方位自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：可通過(guò)激光雷達(dá)感知系統(tǒng)感知起豎托架與地面起豎設(shè)備之間的相對(duì)位置關(guān)系，并通過(guò)PLC 對(duì)方位調(diào)節(jié)執(zhí)行元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

d）起豎托架與地面起豎設(shè)備之間的對(duì)接鎖緊適宜配套自動(dòng)鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)。動(dòng)作元件可采用液壓油缸或電動(dòng)缸，其中液壓油缸用于需要施加主動(dòng)力的工況，電動(dòng)缸用于被動(dòng)保持位置的工況。可采用杠桿形式作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起豎托架與地面起豎裝置之間的自動(dòng)鎖緊和解鎖。

e）起豎過(guò)程平穩(wěn)性控制。起豎過(guò)程中，起豎產(chǎn)品的合成質(zhì)心圍繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，前半程起豎油缸承受壓力，后半程當(dāng)質(zhì)心超過(guò)回轉(zhuǎn)中心后承受拉力。需要重點(diǎn)識(shí)別該項(xiàng)變化并加以控制。

針對(duì)起豎托架剛度，開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)分析工作。由于箭體本身結(jié)構(gòu)尺寸要求及起豎設(shè)備展長(zhǎng)比不足等條件限制，托架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)徑比值較大且懸臂較長(zhǎng)，起豎工況下，末端變形量大，對(duì)箭體的影響較大，需要開(kāi)展托架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，在控制自重的情況下，進(jìn)一步提高剛度。

通過(guò)托架承載模型簡(jiǎn)化，確定托架變形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，最后根據(jù)參數(shù)優(yōu)化，控制托架變形，簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖5，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式（3）。

圖5 托架承載簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified model of bracket bearing

根據(jù)簡(jiǎn)化模型可得位置C處的變形量，即：

其中：

式中qm為質(zhì)量引起的載荷；qP為外部作用力引起的載荷。且由于：

因此：

從上式中可以看到，托架剛度主要取決與托架結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量及外部載荷。其中外部載荷由箭體決定，可視為常量。因此提高托架剛度，減小托架變形，可以通過(guò)減輕質(zhì)量、增大托架寬度或高度值來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中影響權(quán)重較大的是托架的高度值。

通過(guò)采取減輕質(zhì)量、增加寬度兩個(gè)措施，進(jìn)一步提升起豎托架剛度。采用ANSYS 軟件對(duì)起豎工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6至圖8，主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖6 初始桁架結(jié)構(gòu)Fig.6 Ⅰnitial truss structure

圖7 桁架結(jié)構(gòu)+減重Fig.7 Ⅰnitial truss structure and weight loss status

圖8 桁架結(jié)構(gòu)+減重+增寬Fig.8 Ⅰnitial truss structure, weight loss status and widening state

表3 起豎托架剛度優(yōu)化對(duì)比Tab.3 Comparison of rigidity optimization of erecting bracket

通過(guò)減重及增加結(jié)構(gòu)寬度進(jìn)行變形對(duì)比，其中質(zhì)量減少7 t，變形量減少11.53 mm，則變形量與質(zhì)量變化量的比值η= 1.65；增加結(jié)構(gòu)寬度40 mm 的同時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量自然增加7.8 t，變形量減少27.41 mm。根據(jù)η= 1.65 可知，質(zhì)量增加7.8 t，則變形量增加13.1 mm，故寬度a對(duì)變形的影響達(dá)14.31 mm。通過(guò)上述改進(jìn)措施，可將起豎托架變形量由108.21 mm減少至69.27 mm。

3 智能供配氣技術(shù)

3.1 智能供配氣總體方案

與傳統(tǒng)的供氣系統(tǒng)相比，智能供氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)工作、故障診斷及處理。系統(tǒng)的重點(diǎn)在于供氣壓力、流量、溫度調(diào)控可通過(guò)遠(yuǎn)程方式、實(shí)時(shí)自動(dòng)控制完成。系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件為智能減壓閥，智能減壓閥可通過(guò)通信接口與后端進(jìn)行通信，接收后端發(fā)出的指令對(duì)減壓閥出口壓力進(jìn)行調(diào)整，并將減壓閥相關(guān)的參數(shù)傳遞給后端，可實(shí)現(xiàn)供氣壓力的遠(yuǎn)距離智能控制。

智能供氣系統(tǒng)包括氣路及機(jī)械、電控部分。其中，氣路及機(jī)械部分主要完成氣體狀態(tài)控制和輸送的執(zhí)行功能；電控部分含軟、硬件兩部分，主要完成設(shè)備供電，傳感器信號(hào)采集，各類(lèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、決策、反饋、控制、通信等功能。電控部分采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、控制采集模塊、負(fù)載驅(qū)動(dòng)模塊等。

智能供氣系統(tǒng)功能組成見(jiàn)圖9。圖9 中實(shí)線方框?yàn)橛布K，虛線方框?yàn)檐浖K。硬件系統(tǒng)主要包括氣體控制閥、中央控制器、繼電器、傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)等模塊。軟件系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供氣、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、健康管理等子功能。氣路部分可按照功能劃為氣源控制模塊、壓力調(diào)節(jié)模塊和供氣狀態(tài)控制模塊3個(gè)模塊。功能模塊劃分示意見(jiàn)圖10。電路原理劃分為電源模塊、中央控制器、采集模塊、通信模塊、輸出模塊和人機(jī)交互模塊，電路原理如圖11所示［16］。

圖9 自動(dòng)供氣系統(tǒng)Fig.9 Automatic air supply system

圖10 氣路原理功能Fig.10 Function of gas circuit principle

圖11 電路原理Fig.11 Circuit principle

智能供氣系統(tǒng)具備故障診斷及處理功能?？扇鞒瘫O(jiān)測(cè)供氣參數(shù)變化，并進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)判讀，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷，進(jìn)行初步故障定位。對(duì)供氣系統(tǒng)可能造成故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等進(jìn)行分析，形成故障樹(shù)，確定故障原因的各種可能組合方式。同時(shí)，從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與管控角度，根據(jù)故障樹(shù)分析結(jié)果，將專(zhuān)家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于供氣系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域，融合供配氣專(zhuān)業(yè)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，建立對(duì)應(yīng)的故障應(yīng)對(duì)策略和故障處理建議等，形成完整的供氣系統(tǒng)故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，并結(jié)合仿真、試驗(yàn)工作，將測(cè)量結(jié)果和理論研究、仿真研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，修正供氣系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)方案。

3.2 智能減壓閥

與傳統(tǒng)供氣系統(tǒng)相比，智能供氣系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是應(yīng)用智能減壓閥，實(shí)現(xiàn)了壓力的遠(yuǎn)程調(diào)控。智能減壓閥是實(shí)現(xiàn)供氣系統(tǒng)智能化的核心元件。在智能減壓閥研制領(lǐng)域，國(guó)外在低壓小流量工況中實(shí)現(xiàn)了一體化、小型化、集成化和自動(dòng)化。在高壓大流量領(lǐng)域產(chǎn)品較少，僅TESCOM 的產(chǎn)品采用低壓氣控方式，組成了高壓大流量減壓系統(tǒng)，而非傳統(tǒng)的單個(gè)減壓閥，其系統(tǒng)復(fù)雜且尺寸大，難以直接應(yīng)用。中國(guó)的智能減壓閥研究起步較晚，在智能化和自動(dòng)化程度、覆蓋的壓力及流量范圍、產(chǎn)品化水平等很多方面都顯著落后于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，還未形成成熟的工業(yè)產(chǎn)品。

地面發(fā)射支持系統(tǒng)開(kāi)展了高壓大流量智能減壓閥的研究，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、集成化，其組成原理見(jiàn)圖12。智能減壓閥采用基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能化控制策略，以模糊優(yōu)化的高頻PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓力的高精度控制，同時(shí)減壓閥的主閥部分也針對(duì)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了力平衡系統(tǒng)和流道結(jié)構(gòu)、參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)智能減壓閥對(duì)出口壓力的高精度控制?？刂茊卧挠布硪?jiàn)圖13。

圖12 智能減壓閥模塊組成原理Fig.12 Schematic diagram of intelligent pressure reducing valve module

圖13 智能減壓閥控制單元硬件原理Fig.13 Hardware principle of intelligent pressure reducing valve control unit

智能減壓閥的控制原理見(jiàn)圖14。設(shè)計(jì)中的被控氣體壓力由于其自身的非線性、時(shí)滯性等因素，很難用常規(guī)的數(shù)學(xué)工具建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用模糊控制技術(shù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，不需要建立數(shù)學(xué)模型，控制依據(jù)是基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及大量試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，歸納出一套完整的控制規(guī)則，根據(jù)這些控制規(guī)則和模糊控制器的輸入進(jìn)行模糊推理，得到精確的控制量，對(duì)減壓閥出口壓力進(jìn)行高精度控制。

圖14 智能減壓閥控制原理Fig.14 Control principle of intelligent pressure reducing valve

從理論上講，模糊控制器所選用的控制維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也越高。但維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律過(guò)于復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)也就更困難。根據(jù)智能減壓閥的特點(diǎn)及精度要求，其控制單元在模糊控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用單輸入、雙輸出結(jié)構(gòu)，以減壓閥出口壓力的誤差e為輸入，以進(jìn)氣電磁閥u1 和排氣電磁閥u2 開(kāi)合的時(shí)間為輸出，即控制進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥開(kāi)合的脈沖占空比為輸出。將采樣得出的壓力偏差e(t)模糊化為相應(yīng)的等級(jí)E，然后根據(jù)已獲得的模糊控制表，推算出模糊控制輸出量u1(t)，u2(t)。K時(shí)刻的壓力為y(K)，設(shè)定壓力值為r，則此時(shí)的偏差e(K) =r-y(K)［7］。

使用AMESim軟件搭建智能減壓閥模型，開(kāi)展仿真分析，在多種工況下對(duì)壓力調(diào)控策略的正確性和控制參數(shù)的合理性等進(jìn)行全面虛擬驗(yàn)證。智能減壓閥典型仿真曲線見(jiàn)圖15。

圖15 智能減壓閥典型仿真曲線Fig.15 Simulation model and typical simulation curve of intelligent pressure reducing valve

仿真結(jié)果表明：

a）入口壓力35 MPa，出口壓力由0 調(diào)整為25 MPa，這種減壓閥常見(jiàn)工況下，調(diào)壓所需時(shí)間為50 s左右，與傳統(tǒng)減壓閥人工調(diào)壓時(shí)間相當(dāng)；

b）出口壓力穩(wěn)定在25 MPa，調(diào)壓精度要高于傳統(tǒng)的人工調(diào)壓；

c）調(diào)壓過(guò)程可分為兩個(gè)階段，在遠(yuǎn)離目標(biāo)值時(shí)，調(diào)壓電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)，壓力上升快（1～24 s），保證調(diào)壓時(shí)間；在接近目標(biāo)壓力時(shí)，控制電磁閥開(kāi)始進(jìn)入高頻通、斷操作，此時(shí)減壓閥出口壓力上升速率變緩（24～50 s），可保證最終的調(diào)壓精度。

3.3 供配氣設(shè)備故障診斷技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)供配氣設(shè)備的自動(dòng)化故障診斷，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全面有效的檢測(cè)是基礎(chǔ)。因發(fā)射過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人，因此系統(tǒng)所有的故障模式都是從后端上位機(jī)表現(xiàn)出來(lái)，某一故障模式的故障原因的判斷依據(jù)是否能通過(guò)后端現(xiàn)有信號(hào)獲取，即是否能實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和定位。以表4 為例，給出了供氣設(shè)備的部分動(dòng)作或功能，以及與之對(duì)應(yīng)的故障模式、故障原因和判斷依據(jù)。

表4 故障原因和判斷依據(jù)示例Tab.4 Example of failure cause and judgment basis

射前流程中的實(shí)時(shí)故障診斷是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)人值守的重要前提和基礎(chǔ)，而其關(guān)鍵是能夠?qū)崟r(shí)提供用于發(fā)現(xiàn)和判斷故障的正確判據(jù)，保證各個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的參數(shù)和信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)不漏判、不誤判。供氣設(shè)備實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)原理見(jiàn)圖16。圖16 中右側(cè)為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障診斷所需的專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)與動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)之間以TCP/ⅠP 通信的方式完成信號(hào)傳遞。

圖16 供氣設(shè)備實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)原理Fig.16 Principle of real time fault diagnosis system for gas supply equipment

供氣系統(tǒng)由位于后端的上位機(jī)和位于前端的測(cè)控機(jī)柜，配氣臺(tái)內(nèi)的減壓閥、電磁閥、傳感器等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)射前過(guò)程的控制和參數(shù)采集、狀態(tài)記錄存儲(chǔ)。動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)給前端設(shè)備發(fā)出工序或單點(diǎn)控制指令，同時(shí)接收前端設(shè)備返回的各個(gè)實(shí)測(cè)反饋信號(hào)。實(shí)時(shí)專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)中主要包括數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件、專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)軟件。下位機(jī)中主要包括通信接口模型，實(shí)現(xiàn)前端設(shè)備信息的獲取。實(shí)時(shí)專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)的工作原理是在射前過(guò)程中實(shí)時(shí)采集射前流程測(cè)控系統(tǒng)的工序指令、單點(diǎn)控制指令和系統(tǒng)初始參數(shù)等外部輸入條件，通過(guò)在專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)下位機(jī)預(yù)先建立的低溫動(dòng)力系統(tǒng)供氣設(shè)備實(shí)時(shí)反饋信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。然后在專(zhuān)家?guī)觳樵?xún)系統(tǒng)上位機(jī)中將理論值作為判據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的判斷條件與實(shí)測(cè)反饋信號(hào)進(jìn)行比較、查詢(xún)、匹配，出現(xiàn)異常時(shí)給出故障報(bào)警，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)已建立的故障樹(shù)和推理規(guī)則給出故障原因定位及解決措施建議。供氣設(shè)備專(zhuān)家?guī)炷Ｐ突诠庀到y(tǒng)故障模式庫(kù)建立，同時(shí)結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)供氣設(shè)備的FMEA、FTA以及其它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過(guò)預(yù)設(shè)的推理規(guī)則可對(duì)異常原因進(jìn)行分析、隔離并給出處理建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合CZ-8 型號(hào)的任務(wù)需求，對(duì)大中型液體運(yùn)載火箭水平起豎與發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了分析，從箭體水平組裝技術(shù)、整體轉(zhuǎn)運(yùn)起豎對(duì)接技術(shù)、智能供配氣技術(shù)3方面進(jìn)行了論述，提出了技術(shù)途徑，可進(jìn)一步滿足火箭快速智能測(cè)發(fā)的需求，同時(shí)也為后續(xù)地面發(fā)射支持系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)發(fā)展提供思路。