董蘇惠、陳曙輝、康位位、崔長文 /63601 部隊

微小衛(wèi)星以其技術(shù)含量高、功能密集、成本低、性能好、研制周期短、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為目前最具批量生產(chǎn)潛力的實用型航天器。隨著技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)模式的創(chuàng)新，新的航天應(yīng)用業(yè)務(wù)正在逐漸形成，商業(yè)微小衛(wèi)星星座正在實現(xiàn)從試驗型向應(yīng)用型的過渡，試圖在復(fù)雜的大型衛(wèi)星建立的傳統(tǒng)天基應(yīng)用市場上占據(jù)一席之地?？湛团cOneWeb公司計劃發(fā)射900 顆近地軌道衛(wèi)星，短時間內(nèi)快速建成一座大型數(shù)字大橋，為世界未來幾十億人群提供經(jīng)濟(jì)高效的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；中國航天科工集團(tuán)有限公司計劃在未來5 年內(nèi)發(fā)射156 顆低軌通信衛(wèi)星用于建設(shè)全球衛(wèi)星無線通信網(wǎng)絡(luò)；中歐航天科技集團(tuán)有限公司公布了近年數(shù)量龐大的小衛(wèi)星發(fā)射計劃。

衛(wèi)星大規(guī)模星座技術(shù)的快速發(fā)展對發(fā)射場的保障能力提出了新挑戰(zhàn)。國內(nèi)發(fā)射場組織保障模式以單星或多星為主，由于小子樣的生產(chǎn)方式，為了達(dá)到衛(wèi)星功能、壽命、可靠性等指標(biāo)要求，導(dǎo)致發(fā)射場測試項目多、周期長、系統(tǒng)復(fù)雜，衛(wèi)星大規(guī)模進(jìn)場測試會造成發(fā)射場保障壓力呈幾何級增長?？紤]經(jīng)濟(jì)及可靠性因素，大規(guī)模的衛(wèi)星星座一般經(jīng)過一次設(shè)計，批量生產(chǎn)，多輪迭代。因此批產(chǎn)衛(wèi)星狀態(tài)一致、繼承度高、成熟性好，有批量測試、快速部署要求。因此，對現(xiàn)有衛(wèi)星發(fā)射場測試發(fā)射流程進(jìn)行梳理，探索適用于批量化生產(chǎn)模式的小微衛(wèi)星快速集成測試方案及發(fā)射場保障模式十分必要。

本文介紹了衛(wèi)星在發(fā)射場測試發(fā)射一般流程，分析批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場測試特點(diǎn)，研究適用于微小衛(wèi)星批量化任務(wù)組織模式，在此基礎(chǔ)上提出了提升發(fā)射場保障能力的技術(shù)途徑，旨在提升批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場任務(wù)組織和保障能力，提高批產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)射場測試效率。

一、批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場測試特點(diǎn)

單顆衛(wèi)星在發(fā)射場的測試工作按時間順序分別在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)進(jìn)行，技術(shù)區(qū)工作主要包括卸車、衛(wèi)星及設(shè)備開箱自檢、衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星精度測量、衛(wèi)星平臺電測試、衛(wèi)星有效載荷電測試、衛(wèi)星模飛、活動部件展開試驗、光照試驗、衛(wèi)星加注和星箭對接，星箭轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)后進(jìn)行發(fā)射區(qū)測試和衛(wèi)星狀態(tài)設(shè)置，最后完成發(fā)射?？蒲行窃诎l(fā)射場測試周期為35 ～60 天，衛(wèi)星發(fā)射場測試流程項目多、耗時長，主要有衛(wèi)星發(fā)射場階段經(jīng)常進(jìn)行全系統(tǒng)檢漏；發(fā)射場進(jìn)行多次精測；發(fā)射場進(jìn)行活動部件展開試驗，衛(wèi)星試驗狀態(tài)建立及總裝過程耗時較長；衛(wèi)星電測冗余項多4 個方面原因。

批產(chǎn)衛(wèi)星具有批量生產(chǎn)、狀態(tài)固化、技術(shù)成熟、成本低的特點(diǎn)，有批量測試、批量發(fā)射、快速組網(wǎng)的要求。產(chǎn)品出廠狀態(tài)、驗收質(zhì)量、過程管理同時覆蓋多星，在發(fā)射場測試階段根據(jù)技術(shù)成熟度及衛(wèi)星出廠狀態(tài)對發(fā)射流程進(jìn)行必要性梳理，縮短衛(wèi)星發(fā)射測試時間，提高部署效率。

批產(chǎn)衛(wèi)星在出廠前開展的系統(tǒng)級力學(xué)環(huán)境試驗中，已經(jīng)驗證了衛(wèi)星能夠承載的發(fā)射環(huán)境，結(jié)合產(chǎn)品多批次的在軌驗證，對于檢漏、精測、活動部件展開等因考慮運(yùn)輸造成的安裝或泄露問題而在發(fā)射場復(fù)測的項目可以取消。在衛(wèi)星電測方面，對于批產(chǎn)衛(wèi)星而言，衛(wèi)星型號一致，測試設(shè)備狀態(tài)相同，僅需經(jīng)過單次覆蓋測試，比較單批次的一致性和出廠前的一致性即可，優(yōu)化整星測試，需要簡化單機(jī)、分系統(tǒng)測試。

1.批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程設(shè)計

根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場測試特點(diǎn)對批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程進(jìn)行設(shè)計，批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場工作流程包括衛(wèi)星卸車、測試準(zhǔn)備、技術(shù)區(qū)測試、加注、星箭聯(lián)合操作，發(fā)射區(qū)狀態(tài)檢查及實施發(fā)射。取消了科研衛(wèi)星流程中的全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星精度測量，以技術(shù)區(qū)單次覆蓋性測試優(yōu)化衛(wèi)星平臺、載荷、模飛等多次冗余測試代替。取消活動部件展開試驗，發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查優(yōu)化為一次，流程設(shè)計如圖1 所示。

圖1 批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程

流程設(shè)計包含各子流程所需的發(fā)射場技術(shù)文件及所需保障條件，發(fā)射場主要承擔(dān)衛(wèi)星在發(fā)射場測試發(fā)射過程中的吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、供電、供氣、空調(diào)、通信、加注等技術(shù)勤務(wù)保障。其保障能力對批產(chǎn)衛(wèi)星批量測試、批量部署有重要影響，由于影響保障能力因素多且復(fù)雜，很難判定批產(chǎn)衛(wèi)星保障能力制約條件，所以預(yù)先對各項子流程中的保障條件進(jìn)行梳理，分析保障瓶頸提供先驗信息。以推進(jìn)劑加注為例，加注準(zhǔn)備包括管路清洗、注管路連接、轉(zhuǎn)注、預(yù)抽真空。在發(fā)射場推進(jìn)劑加注主要包括加貯箱加注、加注后靜置及貯箱壓力復(fù)測，其中，各項工作關(guān)鍵操作動作及保障需求見表1。

表1 加注子流程保障需求

2.批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程建模

Arena 是一款由美國羅克韋爾公司在 SIMAN/CINEMA 仿真建模系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，用于離散事件系統(tǒng)仿真的仿真工具。Arena 具有通用的可視化仿真環(huán)境，兼具了仿真程序語言的柔性和仿真軟件的易用性優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療、日常生產(chǎn)作業(yè)、軍事、各類資源的配置、業(yè)務(wù)過程的規(guī)劃、系統(tǒng)性能和計劃結(jié)果的評價等建模與仿真研究中。使用Arena 仿真軟件對批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程進(jìn)行仿真可以直觀地發(fā)現(xiàn)發(fā)射場測試中存在的問題。

在批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場流程實際參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用Arena仿真軟件進(jìn)行建模，表2 中列出了仿真模型中定義的各實體在具體生產(chǎn)流程中所代表的流程及該流程所需的時間。以某型衛(wèi)星為例，衛(wèi)星重量約700kg，本體尺寸約為1.5m(X)×1.5m(Y)×1.3m(Z)，廠房保障條件如下，測試廳可容納6 顆衛(wèi)星同時進(jìn)行測試，測試廳出箱用吊車1 部，最大保障10 顆星的供電功率。轉(zhuǎn)載間可容納2 顆星的卸車空間，卸車用吊車一部。加注廳可容納6顆星加注空間，加注設(shè)備1 套?？壅謴d可容納3 顆星的操作空間，扣罩廳吊車1 部。采用某型運(yùn)載可一箭3 星發(fā)射。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)每天工作時間為8 小時，待發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)100 顆，每天有兩顆衛(wèi)星進(jìn)廠，將100 顆衛(wèi)星全部發(fā)射作為流程結(jié)束，得到發(fā)射場流程邏輯仿真模型。

表2 仿真模型與實際流程對應(yīng)表

根據(jù)上述邏輯模型及輸入數(shù)據(jù)分析利用 Arena 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真運(yùn)行，輸出報告的基準(zhǔn)時間單位為小時，100 顆衛(wèi)星發(fā)射完畢需1756 個小時。等待時間較長的流程分別為發(fā)射、發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查、星箭聯(lián)合操作、技術(shù)區(qū)測試。

二、優(yōu)化與分析

1.并行測試

根據(jù)系統(tǒng)仿真運(yùn)行，技術(shù)區(qū)等待時間65.48 小時，限制衛(wèi)星測試效率的資源約束為測試設(shè)備、人員、測試廳。若批產(chǎn)衛(wèi)星測試設(shè)備滿足自動化、并行測試，即一套地面綜合測試設(shè)備，將不同衛(wèi)星連接到測試系統(tǒng)進(jìn)行并行測試，保證各測試任務(wù)的獨(dú)立性。同時，實現(xiàn)測試流程自動執(zhí)行、衛(wèi)星測試信息的智能判讀，減少人員參與。取消設(shè)備、人員約束條件重新運(yùn)行該模型，結(jié)果如圖2 所示，總流程時間為1657 小時。結(jié)果顯示通過并行測試，衛(wèi)星發(fā)射總流程縮短近100 小時，且技術(shù)區(qū)測試流程衛(wèi)星沒有等待時間，表明測試廳及自動化并行測試設(shè)備滿足批產(chǎn)衛(wèi)星批量測試要求。

2.進(jìn)廠速度

每次進(jìn)場2 顆星，考慮廠房吊車、測試廳、加注廳等閑置時間過長，降低了資源的利用率。擬提升進(jìn)廠速度，使得資源利用率提升，以減少批產(chǎn)衛(wèi)星整體流程時間。假設(shè)每日進(jìn)廠衛(wèi)星數(shù)量提升一倍，4 顆衛(wèi)星同時進(jìn)廠，技術(shù)區(qū)及發(fā)射區(qū)采用并行測試技術(shù)，仿照該流程，總流程時間1652 小時，各子流程等待時間變化不大，提升效率并不明顯，星箭聯(lián)合操作、發(fā)射區(qū)星箭聯(lián)合檢查以及發(fā)射仍是制約該流程的重要因素，在未提升發(fā)射場保障能力的前提下，盲目提升進(jìn)廠速度，會使發(fā)射場資源更加緊張，總流程時間不會縮短。

3.增加扣罩廳設(shè)施

星箭聯(lián)合操作需要近2 天時間，資源約束為扣罩廳吊車、運(yùn)載艙位、扣罩廳面積。若采用新建星箭對接廳、增加對接廳吊車的方式增加批產(chǎn)衛(wèi)星效率，模擬該流程，增加星箭對接廳面積及吊車個數(shù)，結(jié)果如圖2 所示，需要增加吊車至2 部，同時廠房面積能夠同時容納6 顆星并行的進(jìn)行星箭對接操作，才可將總流程縮短至1249 小時，節(jié)約總時間為507 小時。

圖2 星箭聯(lián)合操作效率提升

4. 增加發(fā)射艙位

根據(jù)系統(tǒng)仿真運(yùn)行，星箭聯(lián)合檢查、發(fā)射是重要制約因素，這2 項流程中占用資源主要為運(yùn)載艙位，采用增加發(fā)射工位或采用重型運(yùn)載器使得運(yùn)載艙位增加的方案，衛(wèi)星采用并行測試，每日2 顆衛(wèi)星進(jìn)廠，仿真結(jié)果如圖3 所示，僅通過增加運(yùn)載艙位可減少至總流程時間為1162 小時，且增加至4星同時發(fā)射，流程時間不再縮短。若增加艙位的同時優(yōu)化扣罩廳設(shè)施設(shè)備，面積使其容納6顆星并行操作，操作用吊車2 部，隨著運(yùn)載發(fā)射艙位的增加，總流程時間不斷減少，同時發(fā)射6顆衛(wèi)星，總流程時間為870 小時，節(jié)省約1/2 時間。

圖3 提升發(fā)射工位

根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場工作流程利用Arena 進(jìn)行建模，分析其測試發(fā)射現(xiàn)狀和發(fā)射場保障能力瓶頸。通過模型分析提出了通過同時采用并行測試、增加發(fā)射艙位至6 星、提高扣罩廳設(shè)施設(shè)備的流程優(yōu)化方案，可提升效率約50%。

本文對科研衛(wèi)星和批產(chǎn)衛(wèi)星的特點(diǎn)進(jìn)行梳理，針對批產(chǎn)衛(wèi)星批量生產(chǎn)、批量測試、批量發(fā)射、狀態(tài)一致的特點(diǎn)對批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場測試流程進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場工作流程利用Arena 進(jìn)行建模，分析其測試發(fā)射現(xiàn)狀和發(fā)射場保障能力瓶頸。通過模型分析提出了通過并行測試、增加發(fā)射工位、提高扣罩廳設(shè)施設(shè)備的流程優(yōu)化方案。將工業(yè)工程方法應(yīng)用到批產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)射場工作中，為后續(xù)推動發(fā)射場保障條件完善、提升批產(chǎn)衛(wèi)星任務(wù)實施效率提供基礎(chǔ)。