張綠云 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

1 引言

美國重型運(yùn)載火箭包括土星-5（Saturn-5）火箭、航天飛機(jī)和在研的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS），其大直徑結(jié)構(gòu)包括土星-5火箭的一、二、三子級(jí)，航天飛機(jī)的外貯箱和四段式固體助推器，以及SLS的芯級(jí)和五段式固體助推器。在完成生產(chǎn)和試驗(yàn)后，所有部件都要運(yùn)到肯尼迪航天中心進(jìn)行總裝和發(fā)射。

美國重型運(yùn)載火箭最主要的生產(chǎn)、試驗(yàn)和發(fā)射區(qū)位于沿?；蜓睾拥貐^(qū)，非常便于利用水運(yùn)的方式進(jìn)行大直徑結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸，因此水上運(yùn)輸是其采用的最主要的運(yùn)輸方案，而將公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和飛機(jī)空運(yùn)作為補(bǔ)充方案。

美國重型運(yùn)載火箭生產(chǎn)和試車地點(diǎn)分布情況

2 水上運(yùn)輸

水上運(yùn)輸方案對(duì)于大直徑結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸非常有利：一方面是因?yàn)榇斑\(yùn)輸能力比較強(qiáng)，而且便于根據(jù)需求對(duì)船舶進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)；另一方面則是與水路相比，公路和鐵路等方式的通行條件更好，對(duì)于大直徑結(jié)構(gòu)造成的限制比較少。

采用水上運(yùn)輸方案的大直徑結(jié)構(gòu)包括土星-5火箭的一子級(jí)和二子級(jí)、航天飛機(jī)的外貯箱以及SLS火箭的芯級(jí)。

土星-5火箭的一子級(jí)

土星-5一子級(jí)的運(yùn)輸路線為米丘德-斯坦尼斯航天中心-肯尼迪航天中心，從米丘德到斯坦尼斯航天中心為內(nèi)河運(yùn)輸，采用敞開式的駁船運(yùn)輸；從斯坦尼斯航天中心到肯尼迪航天中心屬于外海運(yùn)輸，為避免海上空氣的侵蝕，采用封閉式的駁船運(yùn)輸。

一子級(jí)在米丘德完成制造后，首先利用專用運(yùn)輸車從廠房轉(zhuǎn)運(yùn)至港口，之后通過吊裝的方式對(duì)一子級(jí)進(jìn)行裝船，然后經(jīng)過內(nèi)河運(yùn)輸至密斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心會(huì)采用起吊方式，直接將火箭級(jí)段從駁船上吊裝至試驗(yàn)臺(tái)。為了方便操作，斯坦尼斯航天中心修建了多條通往試驗(yàn)臺(tái)的河道。

土星-5火箭的二子級(jí)

土星-5火箭二子級(jí)的制造地點(diǎn)位于加利福尼亞州北西爾灘，試驗(yàn)地點(diǎn)同樣在斯坦尼斯航天中心（早期樣機(jī)的試驗(yàn)地點(diǎn)在加利福尼亞州的圣蘇珊娜基地實(shí)驗(yàn)室）。完成試驗(yàn)后，運(yùn)往肯尼迪航天中心進(jìn)行總裝和發(fā)射。

圣蘇珊娜基地實(shí)驗(yàn)室與西爾灘工廠中間僅相隔了一個(gè)洛杉磯，最初美國曾考慮直接通過公路進(jìn)行運(yùn)輸，但是由于二子級(jí)直徑太大，通過公路進(jìn)行長途運(yùn)輸存在一定的風(fēng)險(xiǎn)（包括振動(dòng)、環(huán)境、天氣以及道路障礙等造成的影響），最后采取了公路運(yùn)輸和水上運(yùn)輸?shù)慕M合方式，縮短了公路運(yùn)輸?shù)木嚯x。

二子級(jí)在西爾灘工廠完成生產(chǎn)制造后，通過卡車經(jīng)短途運(yùn)輸?shù)竭_(dá)港口，距離大約幾千米，有寬闊的四車道公路。然后，通過封閉式駁船從加利福尼亞州經(jīng)巴拿馬運(yùn)河運(yùn)至米丘德。隨后，二子級(jí)改由敞開式駁船運(yùn)輸?shù)剿固鼓崴购教熘行?，并通過起吊方式豎立在試驗(yàn)臺(tái)上。二子級(jí)完成試車后，通過封閉式駁船運(yùn)往肯尼迪航天中心。

航天飛機(jī)的外貯箱

航天飛機(jī)外貯箱主要包括液氧貯箱、液氫貯箱和箱間段，長約47m、直徑約8.4m。外貯箱在米丘德組裝廠完成組裝后，安裝在輪式地面運(yùn)輸平臺(tái)上，之后通過牽引車運(yùn)抵1.6km之外的碼頭。

外貯箱到達(dá)碼頭之后，由工作人員將其與運(yùn)輸平臺(tái)一同裝載至?？吭诖a頭的“飛馬座”（Pegasus）駁船（長約68.6m）內(nèi)，并通過液壓卡鎖將其牢牢固定在駁船上，防止運(yùn)輸過程中出現(xiàn)滑動(dòng)與震動(dòng)。運(yùn)輸過程中，“飛馬座”駁船由一艘輪船進(jìn)行牽引，總航行距離達(dá)到1600多千米，總航行時(shí)間為4～5天。

SLS火箭的芯級(jí)

SLS火箭的芯級(jí)在米丘德進(jìn)行生產(chǎn)和裝配，之后運(yùn)往斯坦尼斯航天中心進(jìn)行試驗(yàn)，最后運(yùn)往肯尼迪航天中心進(jìn)行總裝發(fā)射。目前，SLS芯級(jí)還沒有完成制造，根據(jù)NASA公布的流程文件，其運(yùn)輸流程可以分為6個(gè)主要環(huán)節(jié)。

（1）芯級(jí)準(zhǔn)備

相關(guān)工作包括：①將芯級(jí)水平固定在多功能運(yùn)輸系統(tǒng)上；②鎖閉芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；③安裝并檢查保護(hù)設(shè)施；④安裝并檢查測(cè)量、環(huán)境控制以及監(jiān)測(cè)設(shè)施；⑤將相關(guān)設(shè)備打包封裝。

芯級(jí)的運(yùn)輸車稱為多功能運(yùn)輸系統(tǒng)，分為多功能承載設(shè)備和模塊化自驅(qū)運(yùn)輸設(shè)備兩部分。多功能運(yùn)輸系統(tǒng)分為前后兩部分，由于有了驅(qū)動(dòng)單元，所以不再需要牽引車輛。多功能承載設(shè)備結(jié)構(gòu)下方為自驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備提供余隙，同時(shí)提供與駁船甲板連接的接口。模塊化自驅(qū)運(yùn)輸設(shè)備為動(dòng)力模塊，由2個(gè)或多個(gè)協(xié)同模塊組成，可將芯級(jí)和多功能運(yùn)輸系統(tǒng)從底部托起，完成其從裝配廠房至碼頭之間、港口至試驗(yàn)設(shè)施之間、廠房?jī)?nèi)、碼頭至總裝大樓之間的地面轉(zhuǎn)運(yùn)。

（2）地面轉(zhuǎn)運(yùn)

在芯級(jí)開始轉(zhuǎn)運(yùn)前，首先要檢查多功能運(yùn)輸系統(tǒng)，并啟動(dòng)測(cè)量、環(huán)境控制以及監(jiān)測(cè)等設(shè)備。然后，芯級(jí)通過多功能運(yùn)輸系統(tǒng)以極低的速度完成轉(zhuǎn)運(yùn)。

（3）裝船與卸船

芯級(jí)裝船與卸船通過滾裝/滾卸方式完成。在執(zhí)行滾裝/滾卸之前，將“飛馬座”駁船?？吭诖a頭安全位置，提供安全、合適的連接位置。芯級(jí)滾裝/滾卸依靠多功能運(yùn)輸系統(tǒng)，芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)指向駁船尾部，檢測(cè)等專用設(shè)備放置在駁船指示位置，并通過基座、松緊螺絲扣等系緊設(shè)備完成產(chǎn)品的固定。

“飛馬座”駁船是美國為滿足航天飛機(jī)外貯箱運(yùn)輸需求而專門設(shè)計(jì)和制造的，為了適應(yīng)SLS芯級(jí)，美國在2014-2015年對(duì)“飛馬座”駁船進(jìn)行了升級(jí)，增加了長度和高度。改進(jìn)后的“飛馬座”駁船長94.4m、寬15.24m；載貨甲板長73.2m、寬10.9m、高12.8m。封閉式主甲板可以有效防止設(shè)備受到海水侵害和天氣的影響，但不提供環(huán)境控制。

主甲板用于安放芯級(jí)及其支撐系統(tǒng)（便于轉(zhuǎn)運(yùn)及與甲板的連接），以及其他硬件設(shè)施。主甲板內(nèi)配備有受控照明設(shè)施，并安裝了6臺(tái)攝像機(jī)，可完整和連續(xù)地監(jiān)視、記錄貨物區(qū)域。為保護(hù)芯級(jí)，在主甲板上還安裝了一列D形環(huán)、開有槽溝的孔眼和支承耳。此外，駁船還留有足夠空間，用于固定結(jié)構(gòu)和維護(hù)設(shè)備的存儲(chǔ)。

“飛馬座”駁船通過拖船進(jìn)行移動(dòng)，其動(dòng)力由2臺(tái)200kW的發(fā)電機(jī)（或岸電）提供。到達(dá)碼頭后，駁船將通過船尾的前緣結(jié)構(gòu)與碼頭壁凹處對(duì)接（壓艙）。

（4）水路運(yùn)輸

水路運(yùn)輸分為4個(gè)階段。

第一階段從米丘德的碼頭至斯坦尼斯航天中心試驗(yàn)區(qū)碼頭的內(nèi)河航道運(yùn)輸，總距離為64.4km。此段運(yùn)輸路線中，駁船由2艘拖船進(jìn)行牽引。

在斯坦尼斯航天中心試驗(yàn)區(qū)完成產(chǎn)品卸船之后，“飛馬座”駁船離開試驗(yàn)區(qū)停泊在距離2.4km處的碼頭，其目的是為了在芯級(jí)試驗(yàn)過程中，保護(hù)駁船免受損傷。芯級(jí)完成試驗(yàn)之后，駁船將返回試驗(yàn)區(qū)，完成芯級(jí)裝船。

第二階段從斯坦尼斯航天中心試驗(yàn)區(qū)至密西西比河海灣港口，總距離為99.8km。本段運(yùn)輸過程中，駁船首先由2艘拖船進(jìn)行牽引，在海灣近岸內(nèi)航道與海灣港口海峽交叉位置（離岸9.9km），改由一艘海洋拖船進(jìn)行牽引。

第三階段從密西西比河海灣港經(jīng)由墨西哥海灣到達(dá)弗羅里達(dá)州卡納維拉爾港口的海上航行。運(yùn)輸過程中，駁船由一艘海洋拖船進(jìn)行牽引，運(yùn)輸總距離約為1313km。

第四階段是從卡納維拉爾港口至垂直裝配大樓附近的肯尼迪航天中心碼頭的內(nèi)河航道運(yùn)輸，總距離為29.3km，駁船由一艘內(nèi)河船提供牽引，且位于駁船正前方的一艘輔助拖船將用于提升駁船的控制與機(jī)動(dòng)能力。

（5）芯級(jí)處理

芯級(jí)移動(dòng)工作包括采用吊車和起豎裝置完成芯級(jí)的升降，通過垂直裝配大樓內(nèi)的起吊設(shè)備完成芯級(jí)的垂直起豎等。

（6）芯級(jí)檢查

運(yùn)送和接收機(jī)構(gòu)的代表負(fù)責(zé)從“飛馬座”駁船各個(gè)角度完成芯級(jí)狀態(tài)和文件的檢查。首先，通過目測(cè)對(duì)芯級(jí)的可視區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)；其次，將硬件轉(zhuǎn)移至垂直裝配大樓之后，再次對(duì)芯級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)肉眼檢測(cè)的局限性進(jìn)行彌補(bǔ)；最后，對(duì)于未能通過檢測(cè)的硬件，需要將其運(yùn)回米丘德重新進(jìn)行處理。

3 公路運(yùn)輸

重型運(yùn)載火箭的大直徑結(jié)構(gòu)采取公路進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，會(huì)在尺寸、質(zhì)量等方面受到限制，所以公路運(yùn)輸都是作為一種接駁和補(bǔ)充的運(yùn)輸方案，運(yùn)輸距離比較短。

土星-5火箭的一、二、三子級(jí)，以及航天飛機(jī)外貯箱、SLS芯級(jí)，在采用水上運(yùn)輸、飛機(jī)空運(yùn)的過程中，都以公路運(yùn)輸作為補(bǔ)充方案，完成制造地、試驗(yàn)地、發(fā)射場(chǎng)地與港口及空運(yùn)站之間的運(yùn)輸。由于運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸都非常大，因此也都采用了專門定制的專用運(yùn)輸車輛。

馬歇爾航天飛行中心1963年為土星-5火箭一子級(jí)設(shè)計(jì)了專用運(yùn)輸車。一子級(jí)運(yùn)輸車采用模塊化概念，由多個(gè)基礎(chǔ)模塊拼接而成，每個(gè)基礎(chǔ)模塊有2個(gè)可獨(dú)立操控的車輪，共12個(gè)模塊、24個(gè)車輪。整個(gè)運(yùn)輸車分為前后2段，分別承載一子級(jí)的前端和尾端?；A(chǔ)模塊都有獨(dú)立的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)連接，保持轉(zhuǎn)向角度一致。而且，基礎(chǔ)模塊的正反轉(zhuǎn)向角度都可以達(dá)到90°，因此運(yùn)輸車可以橫向移動(dòng)。運(yùn)輸車的牽引裝置為M-26坦克牽引車，質(zhì)量55t，動(dòng)力為179kW，裝有27t的壓載水，與運(yùn)輸車的質(zhì)量相平衡。牽引車和運(yùn)輸車的總長度約70m，速度為8km/h。

另外，美國空間探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭也采用了公路運(yùn)輸?shù)姆绞?。該火箭的特征是通過捆綁形式實(shí)現(xiàn)更大運(yùn)載能力，芯一級(jí)和2枚助推器基本相同，所以主體結(jié)構(gòu)的直徑都和芯級(jí)相同，為3.7m，便于采用公路運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

4 鐵路運(yùn)輸

固體助推器在出廠時(shí)已經(jīng)完成了裝藥，對(duì)于運(yùn)輸條件的要求比較苛刻，運(yùn)輸過程的操作不慎就有可能造成重大事故。因此，采用受自然環(huán)境影響較小的鐵路運(yùn)輸方式，為其提供較為穩(wěn)定的運(yùn)輸環(huán)境。此外，美國航天飛機(jī)四段式固體助推器和SLS重型運(yùn)載火箭五段式固體助推器的直徑均為3.7m，相比于重型火箭芯級(jí)直徑（一般為10米級(jí)）要小很多，也為鐵路運(yùn)輸提供了可能性。

固體助推器均由軌道-ATK公司負(fù)責(zé)研制與生產(chǎn)，各組成部分在猶他州普羅蒙特里的工廠進(jìn)行組裝，并在附近的場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，之后通過專用火車轉(zhuǎn)運(yùn)至肯尼迪航天中心。由于固體助推器總裝之后的長度很大（航天飛機(jī)固體助推器長45m，SLS重型火箭的固體助推器長54m），需要采取分段式運(yùn)輸方式，各分段放置在軌道車支架上，由蛤殼式保護(hù)蓋通過鉸鏈從上方進(jìn)行包裹，在整個(gè)運(yùn)輸過程中對(duì)其加以保護(hù)。

軌道車由1輛機(jī)車進(jìn)行牽引，鐵路運(yùn)輸歷時(shí)7天，全程大約為3900km，最大運(yùn)行速度為40km/h，但通常情況下都低于這個(gè)速度，為16～24km/h。因?yàn)檫\(yùn)輸途中需要通過吊橋，為了順利通過吊橋，在各分段之間加裝空的間隔段，以分散質(zhì)量，保證不會(huì)超過橋梁的承載能力。

美國為重型火箭建設(shè)的專用鐵路設(shè)施主要包括肯尼迪航天中心內(nèi)部的軌道系統(tǒng)，全長大約21km，由專門的人員負(fù)責(zé)維護(hù)。

肯尼迪航天中心軌道系統(tǒng)的建設(shè)開始于1963年，正值“阿波羅”（Applo）項(xiàng)目地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期。當(dāng)時(shí)的軌道可承載質(zhì)量為50～70t的貨運(yùn)車。但在航天飛機(jī)項(xiàng)目開始之后，受到鹽霧、濕氣等的影響，木質(zhì)枕木、鐵軌等都受到了一定程度的損壞。之后，由佛羅里達(dá)州東海岸鐵路公司（FEC）對(duì)鐵道系統(tǒng)進(jìn)行翻新，采用焊接接頭而非螺栓結(jié)合，并采用混凝土枕木代替木質(zhì)枕木，可大大減少維修量，并可將枕木的使用期延長至50～60年。1983年，NASA從東海岸鐵路公司獲得該段鐵路系統(tǒng)的管理和使用權(quán)。

5 飛機(jī)空運(yùn)

飛機(jī)空運(yùn)的方案能夠大幅縮短運(yùn)輸時(shí)間，提高運(yùn)輸效率，但是受限于飛機(jī)的尺寸和運(yùn)載能力，飛機(jī)空運(yùn)所能運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸有限。美國只有土星-5火箭的三子級(jí)采用了飛機(jī)空運(yùn)的方案。首先，三子級(jí)直徑為6.6m，比一子級(jí)和二子級(jí)的10m直徑小很多。其次，三子級(jí)既作為土星-5火箭的三子級(jí)，也用作土星-1B火箭的二子級(jí)，所以發(fā)射數(shù)量更多，對(duì)運(yùn)輸效率的要求更高。所以，美國為三子級(jí)選擇了飛機(jī)空運(yùn)的方案。

火箭三子級(jí)在亨廷頓海灘進(jìn)行總裝，試驗(yàn)地點(diǎn)位于薩克拉門托。完成試驗(yàn)后，再通過“超級(jí)古柏”飛機(jī)空運(yùn)至肯尼迪航天中心，進(jìn)行土星-5火箭的總裝和發(fā)射。由于從薩克拉門托運(yùn)往肯尼迪航天中心的距離比較長，中間有可能會(huì)停留3～4次，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的惡劣天氣。

“超級(jí)古柏”飛機(jī)是將三架B-377飛機(jī)的駕駛艙、機(jī)身前部和機(jī)翼進(jìn)行組合改裝而成，采用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。該飛機(jī)的最大載重為23814kg，滿載條件下的最大航程為907km，7.6km高度的巡航速度為750km/h，貨倉容積為1104m3。在運(yùn)送三子級(jí)時(shí)，從飛機(jī)前部裝載火箭級(jí)段，將整個(gè)機(jī)身前部搭建在鉸鏈上，而鉸鏈位于機(jī)翼前緣。為了能夠把三子級(jí)裝載到飛機(jī)上，采用了專門的貨物起重拖車，該拖車?yán)眉舻妒缴翟聿僮?，可以抬高三子?jí)將其搬運(yùn)到飛機(jī)的貨艙里。在空運(yùn)過程中，采用輕型遮蓋物遮蓋三子級(jí)頂部和尾部的暴露區(qū)域。此外，“超級(jí)古柏”飛機(jī)內(nèi)部裝有測(cè)量?jī)x器，在飛行中監(jiān)測(cè)三子級(jí)的壓力、濕度、溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)。

6 小結(jié)

美國重型運(yùn)載火箭大直徑結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)、試驗(yàn)以及火箭發(fā)射地點(diǎn)基本都設(shè)在海岸或河岸，因此，美國主要倚重其強(qiáng)大的水上運(yùn)輸能力，利用改裝駁船來實(shí)現(xiàn)大直徑結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、試驗(yàn)和發(fā)射地點(diǎn)之間的遠(yuǎn)程運(yùn)輸。除此之外，再輔以公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和飛機(jī)空運(yùn)等作為補(bǔ)充運(yùn)輸方案，滿足大直徑結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、試驗(yàn)、發(fā)射場(chǎng)地與港口及空運(yùn)站之間的接駁需求，以及其他某些特定的要求，如運(yùn)輸過程中產(chǎn)品的穩(wěn)定性和安全性以及運(yùn)輸效率等。此外，美國重型運(yùn)載火箭的運(yùn)輸能力具有比較好的延續(xù)性和繼承性，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)輸方案都得以延續(xù)和保留，可以為新一代重型運(yùn)載火箭的運(yùn)輸所用，整體的利用率也比較高。