肖士利，郭 振，謝志豐，黃 輝

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

地面系統(tǒng)用于支持和保障火箭的發(fā)射與試驗(yàn)，是實(shí)施火箭發(fā)射準(zhǔn)備與發(fā)射以及其他技術(shù)準(zhǔn)備的系統(tǒng)[1]。從廣義上講，地面系統(tǒng)包括火箭發(fā)射支持系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)總裝測(cè)試廠房、勤務(wù)塔、臍帶塔、加注供氣系統(tǒng)以及測(cè)控通信系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備[2]。從狹義上講，地面系統(tǒng)特指火箭發(fā)射支持系統(tǒng)，屬于火箭分系統(tǒng)之一，主要設(shè)備包括發(fā)射臺(tái)、運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備、供配氣設(shè)備、定位定向設(shè)備和各類電氣液箭地連接器等，與火箭有機(jī)結(jié)合形成運(yùn)載火箭系統(tǒng)。

無論是廣義地面系統(tǒng)還是狹義地面系統(tǒng)，在論證時(shí)，首先要確定火箭的發(fā)射方式和測(cè)試發(fā)射模式(以下簡(jiǎn)稱測(cè)發(fā)模式)，其中發(fā)射方式包括陸上發(fā)射、海上發(fā)射和空中發(fā)射等，測(cè)發(fā)模式一般包括一平兩垂、三垂和三平[3]；其次，明確火箭從出廠到點(diǎn)火前的使用流程和運(yùn)輸方式，合理地確定自然環(huán)境條件，進(jìn)而提出發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)和發(fā)射支持系統(tǒng)總體方案和需求。地面系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)火箭的使用性能、發(fā)射能力、發(fā)射場(chǎng)配置、費(fèi)效比及發(fā)射場(chǎng)工作流程等有重要的影響。本文重點(diǎn)分析了火箭在發(fā)射場(chǎng)總裝、測(cè)試、運(yùn)輸和發(fā)射等環(huán)節(jié)中密切相關(guān)的地面系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備技術(shù)狀態(tài)，總結(jié)了地面系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，提出了我國運(yùn)載火箭地面系統(tǒng)發(fā)展思路和方向。

1 國外運(yùn)載火箭地面系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

獵鷹9火箭采用“水平總裝、水平測(cè)試和水平運(yùn)輸”三平測(cè)發(fā)模式和“活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(含臍帶塔)+無勤務(wù)塔”方案，臍帶塔用于支撐和連接箭上與地面之間的電纜、加注管路及各種連接器，水平轉(zhuǎn)運(yùn)車由發(fā)射臺(tái)、牽制釋放機(jī)構(gòu)、行走裝置和起豎裝置組成[4]，如圖1所示。發(fā)射區(qū)無勤務(wù)塔，對(duì)發(fā)射場(chǎng)保障要求低，可在美國卡納維拉爾角發(fā)射場(chǎng)、肯尼迪航天中心和范登堡空軍基地三大發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行發(fā)射，充分體現(xiàn)了簡(jiǎn)化流程、簡(jiǎn)化發(fā)射設(shè)備和設(shè)施、降低成本的特點(diǎn)。由于2016年9月,獵鷹9火箭在加注后的靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試中發(fā)生爆炸，目前火箭基礎(chǔ)級(jí)在發(fā)射區(qū)完成靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試后需返回技術(shù)區(qū)水平組裝星罩組合體，然后再次整體轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)進(jìn)行加注發(fā)射。從-40min開始進(jìn)行過冷推進(jìn)劑加注，臍帶塔與火箭僅有電氣液管路柔性連接，箭體起飛時(shí)箭地連接器才脫落，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端從加注開始的無人值守。

圖1 獵鷹9火箭地面系統(tǒng)Fig.1 The ground system of Falcon 9 launch vehicle

德爾它4H火箭采用“活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)+活動(dòng)勤務(wù)塔+固定臍帶塔”方案，基礎(chǔ)級(jí)(一二級(jí)和助推器)采用“水平總裝、水平測(cè)試和水平運(yùn)輸”三平測(cè)發(fā)模式，由于有效載荷不能適應(yīng)三平測(cè)發(fā)狀態(tài)，整流罩/有效載荷組合體在發(fā)射區(qū)采用垂直組裝的方式與基礎(chǔ)級(jí)對(duì)接，這種模式可認(rèn)為是三平模式的過渡狀態(tài)，或稱為“兩平一垂”測(cè)發(fā)模式，如圖2所示?；顒?dòng)勤務(wù)塔用于吊裝整流罩以及對(duì)火箭進(jìn)行發(fā)射前檢測(cè)，發(fā)射前活動(dòng)勤務(wù)塔移開，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)程序?；鸺龔纳淝?5.5h開始推進(jìn)劑加注，實(shí)現(xiàn)了射前無人值守。固定臍帶塔設(shè)置3層擺桿，一級(jí)氫加注口設(shè)置在箭體底部，所有的加泄和電連接器都是通過擺桿實(shí)現(xiàn)0s脫落[5]?；鸺诎l(fā)射場(chǎng)周期共24d，其中技術(shù)區(qū)16d，發(fā)射區(qū)8d，整流罩/有效載荷組合體在射前-4d與基礎(chǔ)級(jí)對(duì)接。

圖2 德爾它4H火箭地面系統(tǒng)Fig.2 The ground system of Delta 4H launch vehicle

宇宙神5火箭采用“垂直總裝、垂直測(cè)試和垂直運(yùn)輸”三垂測(cè)發(fā)模式和“活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(含臍帶塔)+無勤務(wù)塔”方案，發(fā)射區(qū)只有導(dǎo)流槽、加注供氣設(shè)施和避雷塔，極大地簡(jiǎn)化了發(fā)射區(qū)設(shè)施，充分體現(xiàn)了美國火箭地面系統(tǒng)簡(jiǎn)易發(fā)射的設(shè)計(jì)理念，如圖3所示?；鸺谏淝?14h運(yùn)往發(fā)射區(qū)，從-7.5h芯級(jí)推進(jìn)劑開始加注至點(diǎn)火發(fā)射，基本實(shí)現(xiàn)了無人值守[6]?；鸺ㄟ^臍帶塔上多個(gè)集成連接器與箭體相連，點(diǎn)火后箭地連接器才脫落，提高了射前流程可逆性。

圖3 宇宙神5火箭地面系統(tǒng)Fig.3 The ground system of Atlas V launch vehicle

空間發(fā)射系統(tǒng)SLS火箭采用“垂直總裝、垂直測(cè)試和垂直運(yùn)輸”三垂測(cè)發(fā)模式和“活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(含臍帶塔)+無勤務(wù)塔”方案，如圖4所示。除活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)外，SLS火箭使用的發(fā)射設(shè)施幾乎都曾用于土星5火箭和航天飛機(jī)的發(fā)射，通過對(duì)原有設(shè)施一定規(guī)模的改造和改裝，達(dá)到重復(fù)利用、降低成本的目的。

圖4 SLS火箭地面系統(tǒng)Fig.4 The ground system of SLS launch vehicle

1.2 俄羅斯

質(zhì)子號(hào)火箭采用“水平總裝、水平測(cè)試和水平運(yùn)輸”三平測(cè)發(fā)模式和“固定發(fā)射臺(tái)+活動(dòng)勤務(wù)塔”方案，水平轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車無發(fā)射臺(tái)，如圖5所示。當(dāng)火箭起豎到發(fā)射臺(tái)后，水平轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車離開火箭，然后活動(dòng)勤務(wù)塔移動(dòng)過來，環(huán)抱住火箭進(jìn)行測(cè)試和操作，射前-5h～6h活動(dòng)勤務(wù)塔移開火箭約340m，進(jìn)行發(fā)射[7]。

圖5 質(zhì)子號(hào)火箭地面系統(tǒng)Fig.5 The ground system of Proton launch vehicle

聯(lián)盟號(hào)火箭采用“水平總裝、水平測(cè)試和水平運(yùn)輸”三平測(cè)發(fā)模式和“固定發(fā)射臺(tái)(含臍帶塔)+后倒式勤務(wù)塔”方案，水平轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車無發(fā)射臺(tái),如圖6所示。當(dāng)火箭起豎到發(fā)射臺(tái)后，轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車離開火箭，然后分成兩半的后倒式勤務(wù)塔合攏，將火箭圍住。當(dāng)火箭測(cè)試加注結(jié)束以后，勤務(wù)塔向兩邊傾倒一定的角度，只留下臍帶塔矗立在火箭旁邊，火箭點(diǎn)火發(fā)射前，各種插頭脫落，臍帶塔后傾一定的角度，讓出火箭的橫向漂移安全區(qū)[8]?；鸺诎l(fā)射場(chǎng)需21d，其中發(fā)射區(qū)3d。

圖6 聯(lián)盟號(hào)火箭地面系統(tǒng)Fig.6 The ground system of Soyuz launch vehicle

1.3 歐洲

阿里安5火箭采用“垂直總裝、垂直測(cè)試和垂直運(yùn)輸”三垂測(cè)發(fā)模式和“活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(含臍帶塔)+簡(jiǎn)易勤務(wù)塔”方案，如圖7所示。簡(jiǎn)易勤務(wù)塔無回轉(zhuǎn)平臺(tái)，僅用于二子級(jí)低溫推進(jìn)劑加注?；鸺诎l(fā)射場(chǎng)需22d，發(fā)射前-9h從技術(shù)區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，-6h開始進(jìn)入倒計(jì)時(shí)程序，此時(shí)人員撤離發(fā)射前端[9]。箭上大量采用了氣、電液組合連接器，二子級(jí)加泄連接器在-4s由可伸縮的低溫加注機(jī)械臂完成脫落。在中止發(fā)射工況時(shí)，二子級(jí)推進(jìn)劑通過零秒脫落的緊急泄出連接器泄出，一子級(jí)推進(jìn)劑通過底部零秒組合連接器泄出。

圖7 阿里安5火箭地面系統(tǒng)Fig.7 The ground system of Ariane 5 vehicle

根據(jù)歐洲與俄羅斯的航天合作協(xié)議，在庫魯發(fā)射場(chǎng)建設(shè)了一個(gè)聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射工位，與俄羅斯傳統(tǒng)測(cè)發(fā)模式不同的是，聯(lián)盟號(hào)火箭在該發(fā)射場(chǎng)采用兩平一垂測(cè)發(fā)模式和“固定發(fā)射臺(tái)(含臍帶塔)+活動(dòng)勤務(wù)塔”方案，類似于德爾它4H火箭測(cè)發(fā)模式，如圖8所示。基礎(chǔ)級(jí)火箭和整流罩/有效載荷組合體于射前-4d從技術(shù)區(qū)轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)活動(dòng)勤務(wù)塔中，其中基礎(chǔ)級(jí)火箭整體水平起豎，整流罩/有效載荷組合體與火箭垂直對(duì)接?；顒?dòng)勤務(wù)塔是一個(gè)可移動(dòng)設(shè)施，射前-30min活動(dòng)勤務(wù)塔移開[10]。

圖8 聯(lián)盟號(hào)火箭地面系統(tǒng)Fig.8 The ground system of Soyuz launch vehicle

2 國外運(yùn)載火箭地面系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著近年來世界航天發(fā)射技術(shù)的不斷進(jìn)步，各國運(yùn)載火箭在優(yōu)化測(cè)發(fā)模式、快速測(cè)試發(fā)射和無人值守加注發(fā)射等方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2.1 選擇適合本國國情的測(cè)發(fā)模式，發(fā)射區(qū)設(shè)施趨于簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易發(fā)射

各國火箭根據(jù)自身的綜合技術(shù)水平、傳統(tǒng)用法、發(fā)射場(chǎng)環(huán)境、火箭/有效載荷技術(shù)狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)能力等因素選擇了各自的測(cè)發(fā)模式。俄羅斯火箭一直采用三平模式，歐洲火箭主要采用三垂模式，美國火箭采用多種測(cè)發(fā)模式，早期以三垂模式為主。隨著獵鷹9的發(fā)展，目前是三垂模式和三平模式并重。國外火箭發(fā)射區(qū)設(shè)施均較為簡(jiǎn)單，宇宙神5、獵鷹9和天頂號(hào)等火箭發(fā)射區(qū)采用無勤務(wù)塔方案，阿里安5、質(zhì)子號(hào)和聯(lián)盟號(hào)等火箭采用簡(jiǎn)易勤務(wù)塔方案，大部分火箭在發(fā)射區(qū)都是露天測(cè)試及加注，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易發(fā)射。

2.2 通過優(yōu)化火箭測(cè)發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射

國外主流火箭在發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)周期為20d左右，在發(fā)射區(qū)時(shí)間一般為3d～5d，宇宙神5和阿里安5火箭在發(fā)射區(qū)的時(shí)間不到1d，占位時(shí)間很短,如表1所示。獵鷹9火箭在肯尼迪航天中心LC-39A工位和質(zhì)子號(hào)火箭在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)同一工位的兩次發(fā)射最小間隔只需12d。聯(lián)盟號(hào)火箭在普列謝茨克航天發(fā)射場(chǎng)同一工位兩次發(fā)射最小間隔為17d，地面系統(tǒng)具備短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)射以及連續(xù)發(fā)射的能力。

表1 國外主流火箭測(cè)發(fā)模式和測(cè)發(fā)周期

2.3 具備射前無人值守加注發(fā)射和牽制釋放能力，實(shí)現(xiàn)安全發(fā)射

國外火箭通過減少射前操作項(xiàng)目、優(yōu)化射前流程、射前狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、連接器自動(dòng)對(duì)接及脫落、連接器零秒脫落等技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了加注測(cè)試發(fā)射全過程無人值守，宇宙神5、德爾它4H、獵鷹9、阿里安5等火箭從低溫推進(jìn)劑加注實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端無人值守[11]。美國、歐洲和俄羅斯研制的大部分火箭都采用了牽制釋放技術(shù)，獵鷹9火箭在每次發(fā)射前還會(huì)開展靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，利用牽制釋放機(jī)構(gòu)將火箭系固在發(fā)射平臺(tái)上，驗(yàn)證各發(fā)動(dòng)機(jī)和全系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并多次找到了隱患，這對(duì)確?；鸺粠栴}上天、安全可靠完成發(fā)射任務(wù)起到了重要作用，如圖9所示。

圖9 獵鷹9火箭牽制釋放機(jī)構(gòu)Fig.9 The hold-down and release mechanism of Falcon 9 launch vehicle

2.4 具備自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)射

國外火箭在自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射方面開展了大量的研究，并在火箭發(fā)射中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。旋風(fēng)號(hào)是國際上首個(gè)采用全自動(dòng)射前準(zhǔn)備與發(fā)射技術(shù)的火箭，火箭在發(fā)射區(qū)完成總裝測(cè)試后，就不再需要人直接操作，后續(xù)自動(dòng)按程序執(zhí)行，地面系統(tǒng)具備自動(dòng)起豎、自動(dòng)對(duì)接、自動(dòng)加注、遠(yuǎn)程測(cè)試發(fā)射的能力。天頂號(hào)火箭在離開水平總裝測(cè)試廠房后，通常在28h內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)射，所有的發(fā)射操作都是按照事先確定的程序自動(dòng)進(jìn)行[12]。艾普斯龍火箭利用箭上和地面設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)功能以及高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)發(fā)射，簡(jiǎn)化了地面設(shè)備，縮短了操作時(shí)間，只需要通過一臺(tái)筆記本電腦就可以遙控進(jìn)行發(fā)射控制，大幅減少了參與準(zhǔn)備及發(fā)射工作的人數(shù)[13]。

2.5 地面系統(tǒng)向通用化發(fā)展，提高任務(wù)適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)通用發(fā)射

國外地面系統(tǒng)同一個(gè)工位可以發(fā)射同一型譜多種構(gòu)型的火箭，每一種構(gòu)型火箭都有自己的專用發(fā)射工位已經(jīng)成為歷史。部分工位也可以發(fā)射多種型譜的火箭，比如肯尼迪航天中心的LC-39A發(fā)射工位可用于發(fā)射土星5、航天飛機(jī)、獵鷹9等火箭，LC-39B發(fā)射工位經(jīng)過適應(yīng)性改造后，可用于空間發(fā)射系統(tǒng)SLS火箭發(fā)射。另外，同一型譜火箭可在多個(gè)發(fā)射場(chǎng)多個(gè)工位發(fā)射，用以支撐高密度發(fā)射任務(wù)。比如質(zhì)子號(hào)火箭在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)有3個(gè)發(fā)射工位，獵鷹9火箭在美國3個(gè)發(fā)射場(chǎng)都各有1個(gè)發(fā)射工位，宇宙神5和德爾它4H火箭在卡納維拉爾角空軍基地和范登堡空軍基地各有1個(gè)發(fā)射工位。

2.6 地面系統(tǒng)具備多種發(fā)射方式和不同大小火箭的發(fā)射能力，綜合發(fā)射能力強(qiáng)

為了適應(yīng)新型航天器、運(yùn)載火箭的發(fā)展需要，國外火箭地面系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了陸上發(fā)射、海上發(fā)射和空中發(fā)射等多種發(fā)射方式。海射天頂號(hào)火箭是世界上第一型實(shí)現(xiàn)海上發(fā)射的火箭(見圖10)，美國的“飛馬座”火箭是世界上唯一正式應(yīng)用的空射火箭。與傳統(tǒng)的陸上發(fā)射火箭相比，海上發(fā)射具有航落區(qū)安全性好、發(fā)射點(diǎn)靈活、發(fā)射低傾角衛(wèi)星能量利用效率更高等突出優(yōu)點(diǎn)，而空中發(fā)射由于火箭具有一定初始速度和高度，可提高運(yùn)載能力，同時(shí)還具備機(jī)動(dòng)發(fā)射、快速發(fā)射以及低成本等優(yōu)勢(shì)。美國、俄羅斯和歐洲等國家的地面系統(tǒng)大多可以發(fā)射液氧煤油、液氫液氧等推進(jìn)劑的火箭，具備小型、中型、大型和重型等多種火箭發(fā)射能力。

圖10 海射天頂號(hào)火箭地面系統(tǒng)Fig.10 The ground system of Sea Zenith launch vehicle

3 我國運(yùn)載火箭地面系統(tǒng)發(fā)展方向

3.1 發(fā)展思路

我國航天經(jīng)過60多年的發(fā)展，已形成完善的小型、中型以及大型運(yùn)載火箭系列[14]，但在地面發(fā)射技術(shù)方面，與航天強(qiáng)國還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在火箭發(fā)射方式單一，測(cè)試發(fā)射周期特別是在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間較長(zhǎng)，火箭發(fā)射準(zhǔn)備操作自動(dòng)化程度低，在地面系統(tǒng)健康管理、牽制釋放和無人值守等技術(shù)方面，啟動(dòng)較晚，仍停留在方案設(shè)計(jì)階段，尚未進(jìn)行有效的型號(hào)應(yīng)用，與國際先進(jìn)水平存在較大差距。

我國未來運(yùn)載火箭地面系統(tǒng)應(yīng)具備多種發(fā)射方式和測(cè)發(fā)模式進(jìn)入空間的能力，其中發(fā)射方式包括陸上發(fā)射、海上發(fā)射和空中發(fā)射，測(cè)發(fā)模式包括一平兩垂、三垂和三平測(cè)發(fā)模式。目前我國在液體火箭海上發(fā)射技術(shù)和大中型捆綁液體運(yùn)載火箭三平測(cè)發(fā)模式技術(shù)方面尚屬空白，后續(xù)需要重點(diǎn)研究突破。在具備多種方式進(jìn)入空間的基礎(chǔ)上，從快速發(fā)射、簡(jiǎn)易發(fā)射、安全發(fā)射、自動(dòng)發(fā)射和通用發(fā)射等方面全面提升火箭地面系統(tǒng)發(fā)射能力，牽引各項(xiàng)新技術(shù)和其他系統(tǒng)發(fā)展。

快速發(fā)射能力主要反映火箭在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)發(fā)周期以及在同一個(gè)工位連續(xù)兩次發(fā)射的時(shí)間間隔和火箭在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間。簡(jiǎn)易發(fā)射能力主要反映發(fā)射場(chǎng)和發(fā)射臺(tái)的建設(shè)規(guī)模。安全發(fā)射能力主要反映火箭在射前加注發(fā)射過程中人員和產(chǎn)品的安全性。自動(dòng)發(fā)射能力主要反映火箭發(fā)射過程的自動(dòng)化程度。通用發(fā)射能力反映不同構(gòu)型火箭在同一個(gè)發(fā)射工位的適應(yīng)能力。地面系統(tǒng)未來發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)如圖11所示。

圖11 地面系統(tǒng)未來發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)Fig.11 The development direction and key technologies of ground system

3.2 主要關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1 液體運(yùn)載火箭海上發(fā)射技術(shù)

與陸地發(fā)射相比，海上發(fā)射可以靈活選擇發(fā)射點(diǎn)和航落區(qū)，有效解決航區(qū)和殘骸落區(qū)的安全問題，同時(shí)也可滿足各種不同軌道尤其是低傾角軌道衛(wèi)星的發(fā)射需求。液體火箭海上發(fā)射需考慮發(fā)射點(diǎn)位置、運(yùn)輸路線、總裝測(cè)試模式、測(cè)控及安控方式、低溫推進(jìn)劑運(yùn)輸貯存適應(yīng)性等因素，保障難度比陸地上更大?；鸺诤Ｉ掀脚_(tái)發(fā)射時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫高速燃?xì)鈱?dǎo)流效應(yīng)與陸地導(dǎo)流槽的導(dǎo)流效應(yīng)不同，需開展海上發(fā)射開放式導(dǎo)流技術(shù)研究。

火箭海上發(fā)射易受海浪、海風(fēng)、洋流等海洋環(huán)境影響，發(fā)射平臺(tái)存在一定程度的晃動(dòng)，火箭與海上發(fā)射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)耦合關(guān)系較強(qiáng)。通過開展風(fēng)-浪-火箭-塔架-發(fā)射平臺(tái)-沖擊載荷多物理場(chǎng)建模與動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真，分析火箭初始姿態(tài)和發(fā)射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性，以評(píng)價(jià)典型海況環(huán)境下海上發(fā)射平臺(tái)與火箭起飛多物理場(chǎng)的相容性和安全性設(shè)計(jì)。

3.2.2 三平測(cè)發(fā)模式技術(shù)

我國運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)模式主要為一平兩垂模式和三垂模式，雖趨于成熟，但也存在著不足。三垂模式發(fā)射場(chǎng)配套設(shè)施設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用高；一平兩垂模式發(fā)射區(qū)占位時(shí)間長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射；而三平模式可以兼顧三垂模式和一平兩垂的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)射場(chǎng)配套設(shè)施較為簡(jiǎn)單且在發(fā)射區(qū)占位時(shí)間較短，具備快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射能力，對(duì)于豐富我國測(cè)發(fā)模式應(yīng)用、優(yōu)化發(fā)射場(chǎng)布局和降低發(fā)射成本具有重要意義。

目前，我國大部分液體運(yùn)載火箭都是按垂直狀態(tài)開展總裝測(cè)試設(shè)計(jì)的，部分總裝測(cè)試項(xiàng)目只能在垂直狀態(tài)完成，如慣性器件、伺服機(jī)構(gòu)及氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)等單機(jī)安裝和運(yùn)輸。通過大中型捆綁運(yùn)載火箭三平模式總體技術(shù)研究，完成三平模式發(fā)射流程和逆流程設(shè)計(jì)和單機(jī)改進(jìn)，解決全箭垂直狀態(tài)和水平狀態(tài)總裝測(cè)試差異性問題。同時(shí)對(duì)火箭與起豎托架、發(fā)射臺(tái)、發(fā)射場(chǎng)的箭地接口進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，滿足三平模式下箭地接口對(duì)接脫落要求。

3.2.3 發(fā)射場(chǎng)流程優(yōu)化技術(shù)

我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)流程經(jīng)過多輪優(yōu)化，測(cè)試發(fā)射效率大幅提升。但面對(duì)未來持續(xù)高密度任務(wù)形勢(shì)，仍有深入優(yōu)化的空間和必要性。開展現(xiàn)役運(yùn)載火箭流程持續(xù)深入優(yōu)化工作，包括火工品、氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管裝箭運(yùn)輸，爭(zhēng)取在總裝廠安裝，減少發(fā)射場(chǎng)操作項(xiàng)目；優(yōu)化分系統(tǒng)測(cè)試和總檢查項(xiàng)目，提高測(cè)試效率等。

新一代運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射周期長(zhǎng)，距工程目標(biāo)尚有較大差距，且難以滿足未來高密度任務(wù)要求。從減少發(fā)射場(chǎng)保留工序、總裝操作和測(cè)試過程中的技術(shù)狀態(tài)變化、狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換等方面著手，主要優(yōu)化項(xiàng)目包括：開展氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管裝箭運(yùn)輸技術(shù)攻關(guān)、減少重復(fù)性測(cè)試項(xiàng)目、動(dòng)力系統(tǒng)貯箱置換改在技術(shù)區(qū)、優(yōu)化箭體垂直度調(diào)整和地面光學(xué)瞄準(zhǔn)等測(cè)試項(xiàng)目。同時(shí)提升箭上設(shè)備防水性能，縮短活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)發(fā)射后恢復(fù)時(shí)間等。

3.2.4 推進(jìn)劑無人值守快速加注技術(shù)

推進(jìn)劑快速加注技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射的重要手段，主要包括推進(jìn)劑大流量加注、不同種類推進(jìn)劑并行加注和推進(jìn)劑過冷加注等方面。我國現(xiàn)役液體運(yùn)載火箭多為串行加注模式，加注流量小，加注時(shí)間長(zhǎng)，加注后溫升大，貯箱內(nèi)的蒸發(fā)損耗大，射前還需要過冷補(bǔ)加。通過開展液氧煤油、液氫液氧并行大流量加注關(guān)鍵技術(shù)研究，評(píng)估不同推進(jìn)劑并行加注和大流量加注的安全性，論證火箭和地面系統(tǒng)對(duì)并行加注和大流量加注的適應(yīng)性。在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上開展液氧全過冷加注應(yīng)用研究，確保全過冷加注過程中能夠有效控制貯箱內(nèi)液氧溫度，防止輸送過程產(chǎn)生兩相流，保證加注平穩(wěn)，同時(shí)加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及全箭對(duì)過冷低溫推進(jìn)劑適應(yīng)性研究。

低溫推進(jìn)劑加注和發(fā)射的各流程環(huán)節(jié)互相耦合影響，導(dǎo)致流程復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)無人值守加注發(fā)射，在保障安全性和系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，從全流程、全工況開展無人值守加注流程設(shè)計(jì)，同時(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及關(guān)鍵產(chǎn)品的演示驗(yàn)證等，以確保關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品功能性能指標(biāo)、可靠性滿足飛行試驗(yàn)要求。

3.2.5 簡(jiǎn)易發(fā)射技術(shù)

簡(jiǎn)化發(fā)射設(shè)施特別是簡(jiǎn)化發(fā)射區(qū)是航天發(fā)射的發(fā)展趨勢(shì)，也是火箭先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。通過簡(jiǎn)化火箭在發(fā)射區(qū)工作項(xiàng)目，優(yōu)化射前流程，提高火箭的使用性能和自然環(huán)境防護(hù)能力，可以降低對(duì)固定勤務(wù)塔、臍帶塔和活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的保障要求。不管火箭采用何種測(cè)發(fā)模式，可優(yōu)先考慮在發(fā)射區(qū)建設(shè)簡(jiǎn)易勤務(wù)塔，只在某些特定部位設(shè)置操作可達(dá)性，甚至可以考慮完全取消固定勤務(wù)塔，利用活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的臍帶塔完成射前各項(xiàng)工作。

完全取消發(fā)射區(qū)勤務(wù)塔需將原來設(shè)置在勤務(wù)塔的加注供氣設(shè)備、管路、測(cè)試間等功能移植到活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)臍帶塔中，會(huì)給臍帶塔方案設(shè)計(jì)和設(shè)備布局帶來新的問題，同時(shí)對(duì)火箭的發(fā)射可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。相對(duì)于取消勤務(wù)塔方案，簡(jiǎn)易勤務(wù)塔方案可不設(shè)置回轉(zhuǎn)工作平臺(tái)，為非全封閉狀態(tài)，火箭在發(fā)射區(qū)處于露天狀態(tài)。通過將加注、供氣、空調(diào)管路、電纜等設(shè)備放在簡(jiǎn)易勤務(wù)塔內(nèi)，可降低活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)臍帶塔的設(shè)計(jì)難度和規(guī)模。

3.2.6 牽制釋放技術(shù)

火箭采用牽制釋放技術(shù)可以降低由于發(fā)動(dòng)機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵系統(tǒng)及單機(jī)早期故障導(dǎo)致的危害火箭、發(fā)射場(chǎng)安全的事故發(fā)生概率，提高火箭發(fā)射可靠度。牽制釋放裝置的牽制力可按火箭起飛推力與起飛質(zhì)量之差即富余推力作為基本載荷，再將風(fēng)載造成的載荷轉(zhuǎn)移、發(fā)射臺(tái)剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏差等因素綜合后作為附加載荷來決定每一個(gè)牽制點(diǎn)的設(shè)計(jì)載荷。過去我國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能變推力啟動(dòng)，富余推力較大，導(dǎo)致牽制釋放裝置的牽制載荷較大，其本身設(shè)計(jì)難度和對(duì)火箭的沖擊響應(yīng)均較大。未來我國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)流和變推力啟動(dòng)后，可以降低牽制釋放裝置的設(shè)計(jì)難度及對(duì)火箭的沖擊。

目前，我國尚無工程應(yīng)用的牽制釋放技術(shù)可供參考，需開展發(fā)動(dòng)機(jī)變推力啟動(dòng)、牽制釋放與故障監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，通過對(duì)爆炸型牽制釋放裝置和機(jī)構(gòu)型牽制釋放裝置兩種方式對(duì)比分析論證，確定牽制釋放裝置方式；通過多參數(shù)融合信息開展?fàn)恐漆尫殴收显\斷方案；通過優(yōu)化論證提出助推器與芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)序，并開展?fàn)恐?釋放/緊急關(guān)機(jī)對(duì)火箭結(jié)構(gòu)及地面設(shè)施影響分析。

3.2.7 遠(yuǎn)程自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射技術(shù)

我國火箭在測(cè)試、操作、檢查等環(huán)節(jié)基本都需要人工的現(xiàn)場(chǎng)參與，自動(dòng)化程度仍然偏低。從推進(jìn)劑加注開始，到點(diǎn)火前-15min～30min，發(fā)射區(qū)前端仍需大量的人員保障，以完成加注連接器對(duì)接脫落、加注管路撤收、箭體封艙、空調(diào)管路撤收、空調(diào)監(jiān)測(cè)設(shè)備撤收、垂直度調(diào)整、瞄準(zhǔn)、爆炸器引爆器安裝、拔短路插頭、拆防風(fēng)拉桿、防水、防熱以及諸多地面設(shè)備通斷電等操作。對(duì)于一些射前狀態(tài)參數(shù)的檢查確認(rèn)還需要人員做到現(xiàn)場(chǎng)“眼見為實(shí)”，未能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

連接器自動(dòng)對(duì)接和零秒脫落技術(shù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射的重要手段，連接器自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)可在無人的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)接；火箭點(diǎn)火起飛后，箭體中部箭地連接器才脫落，可以有效規(guī)避連接器二次對(duì)接風(fēng)險(xiǎn)，提高射前流程的可逆性，為實(shí)現(xiàn)射前無人值守提供有力的技術(shù)保障。通過在發(fā)射前端增加非接觸式、無線通信網(wǎng)絡(luò)及其相應(yīng)的傳感器，完成無人值守所需的監(jiān)測(cè)參數(shù)、音頻視頻信息的采集、匯總、入網(wǎng)，提高自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射水平。

3.2.8 箭地接口一體化技術(shù)

在傳統(tǒng)的研制模式下，不同發(fā)射場(chǎng)、不同火箭的接口不同，流程不同，嚴(yán)重影響地面系統(tǒng)的保障能力。隨著新一代運(yùn)載火箭研制的不斷加速，發(fā)射場(chǎng)新老火箭發(fā)射能力可靠并存與逐步替代的全面推開，“十三五”期間酒泉發(fā)射場(chǎng)、太原發(fā)射場(chǎng)、西昌發(fā)射場(chǎng)均將建設(shè)新一代運(yùn)載火箭發(fā)射工位，“十四五”及較長(zhǎng)一段時(shí)期文昌發(fā)射場(chǎng)還將建設(shè)新一代載人運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭發(fā)射工位等。因此，有必要規(guī)范、優(yōu)化和簡(jiǎn)化火箭與地面系統(tǒng)的技術(shù)接口，提升箭地一體化設(shè)計(jì)與發(fā)射水平。

火箭按照模塊化、系列化、組合化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，以型譜化的思路提出對(duì)發(fā)射場(chǎng)建設(shè)要求，統(tǒng)一小型、中型、大型及重型火箭對(duì)發(fā)射場(chǎng)建設(shè)要求，具備同一工位多構(gòu)型火箭發(fā)射能力及同一構(gòu)型火箭多工位發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)火箭從通用的發(fā)射場(chǎng)實(shí)施通用發(fā)射，提高發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性。推進(jìn)發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)備裝備化，采用“通用硬件基礎(chǔ)設(shè)備+適應(yīng)性軟硬件組合”實(shí)現(xiàn)火箭地面測(cè)發(fā)控設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

地面系統(tǒng)的性能對(duì)運(yùn)載火箭的使用維護(hù)性能有很大影響，在我國新一代運(yùn)載火箭研制的牽引下，地面系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)滿足多型號(hào)、多任務(wù)需求，突出快速發(fā)射、簡(jiǎn)易發(fā)射、安全發(fā)射、自動(dòng)發(fā)射和通用發(fā)射的特點(diǎn)。按照地面系統(tǒng)整體發(fā)展思路，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國運(yùn)載火箭綜合發(fā)射能力提升，助力航天強(qiáng)國建設(shè)。