肖士利，謝志豐，潘忠文，陳秀平，趙心欣

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

以長征五號火箭為代表的新一代運載火箭首飛成功，實現(xiàn)了液氫大流量加注發(fā)射無人值守，代表著我國運載火箭無人值守加注發(fā)射方面取得了長足的進步[1]。但與國外先進技術(shù)相比，我國火箭在發(fā)射場的加注及發(fā)射準備過程中自動化程度仍然偏低，尤其在火箭發(fā)射前的加注、狀態(tài)準備等諸多環(huán)節(jié)仍需大量的人工參與，系統(tǒng)安全風險仍然存在。美國、前蘇聯(lián)、巴西等國家都曾發(fā)生過火箭在塔架爆炸而導致大量人員傷亡的災難性事故，教訓慘痛。2016年9月，獵鷹9火箭在加注后的靜態(tài)測試中發(fā)生爆炸，所幸由于其采用了諸多自動化技術(shù)，實現(xiàn)了發(fā)射前端的無人值守，未造成人員傷亡。

無人值守加注發(fā)射技術(shù)可以大幅提升運載火箭的自動化測試發(fā)射水平，有效改變火箭發(fā)射場射前操作項目多、保障人員多的現(xiàn)狀，從而提高火箭發(fā)射可靠性和參與人員安全性，對我國航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

1 國內(nèi)外火箭發(fā)射場射前無人值守情況

隨著自動化、遠程監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展，各國對火箭發(fā)射現(xiàn)場的人員安全性更加重視，加大了對無人值守加注及測試發(fā)射技術(shù)的研究力度，并逐步實現(xiàn)了發(fā)射前端的無人值守。宇宙神5在射前14 h運往發(fā)射區(qū)，從射前7.5 h芯級推進劑加注開始至點火發(fā)射，基本實現(xiàn)了無人值守；德爾它4火箭從射前5.5 h的推進劑加注開始也是無人值守的[2]；獵鷹9火箭從射前40 min開始超過冷推進劑加注，實現(xiàn)了發(fā)射前端從加注開始的無人值守[3]。阿里安5火箭射前9 h才從技術(shù)區(qū)總裝廠房轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)，從射前6 h開始進入倒計時程序，此時人員撤離發(fā)射前端[4]。

旋風號是國際上首個采用全自動射前準備與發(fā)射技術(shù)的火箭，火箭在發(fā)射區(qū)完成總裝測試后，就不再需要人直接操作，后續(xù)自動按程序執(zhí)行[5]。天頂號是繼旋風號后第二個采用全自動發(fā)射的火箭，也是自動化智能化程度最高的火箭之一，火箭在離開水平總裝測試廠房后，通常在28 h內(nèi)實現(xiàn)了無人值守加注發(fā)射[6]。

國外火箭通過減少射前操作項目、優(yōu)化射前流程、射前狀態(tài)參數(shù)遠程監(jiān)控、連接器自動對接及脫落(如圖1所示)、組合式連接器(如圖2所示)、連接器零秒脫落(如圖3所示)等技術(shù)基本實現(xiàn)了加注發(fā)射全過程無人值守。為縮短加注時間，不同推進劑同時大流量自動加注，提高加注速度；將箭地接口組合化，大幅減少了箭地連接器數(shù)量和操作人數(shù)，提高了脫落可靠性。同時，大量應用連接器零秒脫落技術(shù)，提高了射前流程可逆性。

圖1 連接器自動對接機構(gòu)Fig.1 Connector automatic docking mechanism

圖2 戰(zhàn)神火箭組合式連接器Fig.2 Combinatorial connector of Ares I

圖3 零秒脫落連接器Fig.3 Zero second separation connector

通過分析國內(nèi)外火箭射前流程，無人值守加注發(fā)射制約因素主要包括箭上及地面參數(shù)監(jiān)測及狀態(tài)確認、箭上及地面設備測試和狀態(tài)轉(zhuǎn)換、箭地連接器對接和脫落等。國內(nèi)一些科研院所對箭地連接器自動對接技術(shù)開展了研究和演示驗證工作，中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心和上海航天技術(shù)研究院依托在飛常規(guī)推進劑型號，開展了加注連接器的自動對接和脫落系統(tǒng)原理樣機研制，但尚未進入真正的工程應用[7-9]。北京航天發(fā)射技術(shù)研究所依托新一代運載火箭開展了加注連接器自動對接脫落系統(tǒng)原理樣機的研制，但相關(guān)技術(shù)距離型號應用尚有一定距離[10]。

2 無人值守關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人值守加注發(fā)射總體技術(shù)

為實現(xiàn)發(fā)射前端無人值守加注發(fā)射，在保障安全性、測試覆蓋性、系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性的基礎上，需從全流程、全工況開展無人值守的總體方案以及射前流程設計。同時開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵產(chǎn)品演示驗證等，以確保關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品功能性能指標、可靠性要求達到飛行試驗實際應用的水平。

無人值守總體設計的關(guān)鍵在于推動火箭研制理念轉(zhuǎn)變，在設計之初應明確火箭無人值守加注發(fā)射的目標。從過去的“有人值守”設計模式轉(zhuǎn)變到“無人值守”設計模式；從過去的“確保產(chǎn)品安全”到“確保人員和產(chǎn)品都安全”并重模式轉(zhuǎn)變。在實際操作中，應分步實施、穩(wěn)步推進，以流程優(yōu)化為主，通過箭上、地面適應性改進，逐步實現(xiàn)減少發(fā)射前端工作總?cè)舜魏凸ぷ鲿r間，以及實現(xiàn)部分工作時段無人值守兩個維度的目標。

除開展火箭電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)無人值守技術(shù)研究外，還要梳理發(fā)射場系統(tǒng)進入射前流程工作項目、涉及的地面設施設備及其制約因素，重點是加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、塔勤系統(tǒng)等，與火箭系統(tǒng)同步開展無人值守總體方案研究和射前流程優(yōu)化，總體方案如圖4所示。

2.2 火箭狀態(tài)遠程監(jiān)測及故障處理技術(shù)

火箭加注發(fā)射階段，有大量狀態(tài)參數(shù)的檢查確認需要人工介入，做到“眼見為實”。目前監(jiān)測的參數(shù)形式眾多，不僅有機械量、模擬量、數(shù)字量等，也有氣體壓力參數(shù)、推進劑泄漏情況、儀器儀表電信號等。通過全箭狀態(tài)遠程監(jiān)測技術(shù)研究[11]，可以完成發(fā)射前端信息的實時監(jiān)測，系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 無人值守總體方案Fig.4 Unattended overall scheme

目前火箭射前狀態(tài)參數(shù)大部分通過有線通信網(wǎng)絡測量，比如整流罩空調(diào)環(huán)境監(jiān)測、箱壓監(jiān)測等，發(fā)射前還需對各類電纜及傳感器進行人工撤收。通過在發(fā)射前端增加非接觸式、無線通信網(wǎng)絡及其相應的傳感器，完成無人值守所需的監(jiān)測參數(shù)及音頻視頻信息的采集、匯總、入網(wǎng)；同時在后端建設實時監(jiān)測及分析平臺，從數(shù)據(jù)、流程、設備等多維度提高全箭無人值守的全面性和實時性。由于無線通信技術(shù)存在“開放性”、“電磁輻射”等特性，對網(wǎng)絡信息安全、電磁干擾、電磁兼容以及在易燃易爆環(huán)境下的使用安全方面也提出了更高的要求。因此，有必要對地面測發(fā)控系統(tǒng)網(wǎng)絡、無線通信網(wǎng)絡的融合可靠性改進技術(shù)開展專項攻關(guān)，并在魯棒性、安全性、自愈性等方面進行摸底試驗考核。

火箭在中止發(fā)射和緊急關(guān)機工況下，通過梳理各種故障模式，研究各種故障模式下所需采取的應急處置措施，并評估各種方案下操作、狀態(tài)檢查實施無人值守的可行性及技術(shù)難度，火箭狀態(tài)遠程故障處理技術(shù)可借鑒文獻[12]中提到的多種方法。在中止發(fā)射工況下，整個箭地連接狀態(tài)基本保持不變，此時主要目標是進行故障快速定位、快速排故，并重新組織發(fā)射；在緊急關(guān)機工況下，基本可以確定終止發(fā)射，同時泄出推進劑，并開展火箭的逆流程工作。

2.3 連接器零秒脫落技術(shù)

火箭點火起飛后，箭體中部的箭地連接器才脫落，可以有效規(guī)避連接器二次對接風險，提高射前流程的可逆性，為實現(xiàn)射前無人值守提供有力的技術(shù)保障。連接器零秒脫落過程主要包括對脫落信號的快速響應、多點鎖緊狀態(tài)下的可靠解鎖、連接器快速回收、限位、防護等，同時還要考慮脫落安全性，主要難點包括箭地接口鎖緊密封技術(shù)、多點鎖緊同步性技術(shù)、箭上閥門大載荷承載技術(shù)等。

零秒連接器的脫落方案如圖6所示，吊索用來支撐低溫發(fā)泡軟管重量，在連接器零秒脫落后對連接器擺動軌跡進行限位，確保箭體安全起飛，牽引索用于箭體起飛時被動脫落連接器。

圖6 零秒連接器脫落方案Fig.6 Shedding scheme of zero second connector

零秒脫落連接器一般由連接器臍帶板、箭上臍帶板、連接器本體、鎖緊機構(gòu)和解鎖機構(gòu)等組成，連接器通過鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊功能，通過解鎖機構(gòu)進行解鎖。由于零秒連接器是在火箭點火后才脫落，因此對解鎖機構(gòu)的可靠性要求非常高，需設置多重解鎖措施，互為冗余，解鎖措施一般包括主動解鎖、被動解鎖和強制解鎖?；鸺o出點火脫落信號后，解鎖策略為首先主動解鎖，再被動解鎖實現(xiàn)正常脫落；當正常脫落失效時，最終強制解鎖，確?？煽糠蛛x。

火箭和臍帶塔之間的軟管懸掛長度越長，連接器受到的張力越大，此力對連接器的密封性能、對接載荷以及鎖緊可靠性會產(chǎn)生較大影響。因此，應控制火箭起飛漂移量，盡量降低火箭和臍帶塔之間的距離，以減小零秒連接器分離載荷。

2.4 箭地接口組合連接技術(shù)

將箭地電、氣、液接口組合化設計，可以大幅減少箭地連接器數(shù)量，優(yōu)化箭地接口形式和布局，進而可以減少對箭地連接器的射前操作，提高脫落可靠性和安全性。由于組合連接器箭地接口數(shù)量較多且多為插入式結(jié)構(gòu)，對定位精度要求非常高，箭地接口不對中，易導致低溫推進劑泄漏或者高壓氣體泄漏，影響密封可靠性。通過開展箭地接口組合連接技術(shù)研究，明確接口組合方式、結(jié)構(gòu)設計、面板接口布局設計、對中導向機構(gòu)設計、自動鎖緊和解鎖機構(gòu)設計等方案，如圖7所示。

圖7 組合式連接器設計方案Fig.7 Design scheme of combinatorial connector

組合連接器一般包含電、氣、液3種，或其中2種介質(zhì)，不同接口和管路在連接器面板上布局時，應考慮介質(zhì)之間隔離、面板受力均勻和走線方便等多種因素，盡量采用冗余密封方案，確保密封可靠。同一面板中應避免兩種不同組元的推進劑管路，從設計源頭上規(guī)避風險。

各種接口、管路和鎖緊機構(gòu)在面板中的布局應大致成對稱分布，不僅使箭地接口受力均勻，也有利于各種接口的密封，不至于產(chǎn)生對接面的偏心力，造成接口的“憋勁”，形成額外的應力，導致脫落時“卡死”。

連接器的對中導向方式有錐桿式、球錐式、定位銷和法蘭端面等，錐桿式導向機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，允許較大的初始對接誤差和工作可靠等優(yōu)點，錐桿式對中導向可使粗對準平穩(wěn)地向精確對中過渡，基本不會出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，因此組合連接器優(yōu)先采用錐桿式導向機構(gòu)[13]。

2.5 連接器自動對接技術(shù)

連接器自動對接機構(gòu)一般架設于懸臂形式的擺桿上，在風的影響下，箭體和擺桿會同時晃動，在動基座、動目標的復雜工況下實現(xiàn)自主決策自動對接成為難題。自動對接技術(shù)通過圖像識別、位移傳感器等多信息源的數(shù)據(jù)進行組合，在適應雨、雪、霧等氣象條件工況下，獲得加注后箭體在風載情況下的精確運動狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)完成對接裝置的高精度跟蹤運動控制，最終完成連接器的對接鎖緊。由于低溫加注后連接器會產(chǎn)生結(jié)霜、結(jié)冰問題，還需要攻克二次對接低溫密封、防結(jié)冰、多余物檢測等關(guān)鍵技術(shù)。連接器自動對接系統(tǒng)總體方案如圖8所示，其使用工況、特點、工作流程及功能需求如圖9所示。

圖8 連接器自動對接系統(tǒng)總體方案示意圖Fig.8 Overall scheme of connector automatic docking system

圖9 連接器自動對接系統(tǒng)工作流程及功能需求Fig.9 Workflow and functional requirements connector automatic docking system

連接器自動對接系統(tǒng)主要由連接器、箭上接口檢測定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、連接器位姿調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)等組成，連接器自動對接系統(tǒng)后端與地面推進劑加注及供配氣系統(tǒng)連接，前端通過箭地連接器與箭上接口進行連接。

箭上接口檢測定位系統(tǒng)實現(xiàn)連接器自動對接系統(tǒng)對箭上接口進行實時、準確的位姿檢測定位功能，獲得連接器自動對接系統(tǒng)與箭上接口的位姿偏差，為連接器自動對接系統(tǒng)位姿調(diào)整提供依據(jù)。

控制系統(tǒng)根據(jù)箭上接口檢測定位系統(tǒng)獲得的位姿偏差信息，解算出連接器自動對接系統(tǒng)的位姿調(diào)整控制量，為連接器的位姿調(diào)整提供控制量輸出，同時控制連接器自動對接系統(tǒng)對接、分離過程中鎖緊、解鎖、吹除等動作。

連接器位姿調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)輸出的位姿調(diào)整控制量，對連接器進行多自由度位姿調(diào)整，實現(xiàn)連接器與箭上接口實時保持位姿一致。

2.6 火工品自動短路保護與解保技術(shù)

考慮到安全性，火箭電氣系統(tǒng)一般在最后一次加電前才通過人工斷開火工品總短路保護插頭，是制約電氣系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守的主要因素。若需實現(xiàn)無人值守，需研制火工品自動短路保護線路，在電阻盒內(nèi)配備火工品短路保護功能，通過遠控方式實現(xiàn)火工品短路保護和解保，避免射前進行短路插頭的操作及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在地面測發(fā)控系統(tǒng)的控制下，可實現(xiàn)火工品可靠自動短路保護與解?？刂?，如圖10所示。

圖10 火工品自動短路保護電路Fig.10 Automatic short-circuit protection circuit of initiating explosive device

由于該線路對可靠性要求非常高，每一個火工品橋絲采取冗余電路設計，在一度故障的情況下確?？煽繑嚅_。同時，通過可靠性設計避免干擾信號誤觸發(fā)繼電器動作。

3 結(jié)束語

無人值守加注發(fā)射是航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，在目前提倡發(fā)射任務“減員增效、以人為本”的大背景下，減少發(fā)射任務的參與人員數(shù)量，特別是自加注開始實現(xiàn)無人值守加注發(fā)射，提高火箭發(fā)射安全性，是中國航天必須要走出和完成的重要一步。因此，通過借鑒國外火箭發(fā)射經(jīng)驗，結(jié)合我國航天現(xiàn)狀和實際應用需求，努力提高航天發(fā)射自動化水平，實現(xiàn)運載火箭加注發(fā)射無人值守，為我國航天強國建設提供重要支撐。