美國重型運載火箭大型結(jié)構(gòu)運輸方案簡析

張綠云 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

1 引言

美國重型運載火箭包括土星-5（Saturn-5）火箭、航天飛機和在研的“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，航天飛機的外貯箱和四段式固體助推器，以及SLS的芯級和五段式固體助推器。在完成生產(chǎn)和試驗后，所有部件都要運到肯尼迪航天中心進行總裝和發(fā)射。

美國重型運載火箭最主要的生產(chǎn)、試驗和發(fā)射區(qū)位于沿海或沿河地區(qū)，非常便于利用水運的方式進行大直徑結(jié)構(gòu)的運輸，因此水上運輸是其采用的最主要的運輸方案，而將公路運輸、鐵路運輸和飛機空運作為補充方案。

美國重型運載火箭生產(chǎn)和試車地點分布情況

2 水上運輸

水上運輸方案對于大直徑結(jié)構(gòu)的運輸非常有利：一方面是因為船舶運輸能力比較強，而且便于根據(jù)需求對船舶進行適應性改進；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，對于大直徑結(jié)構(gòu)造成的限制比較少。

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

土星-5火箭的一子級

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

一子級在米丘德完成制造后，首先利用專用運輸車從廠房轉(zhuǎn)運至港口，之后通過吊裝的方式對一子級進行裝船，然后經(jīng)過內(nèi)河運輸至密斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心會采用起吊方式，直接將火箭級段從駁船上吊裝至試驗臺。為了方便操作，斯坦尼斯航天中心修建了多條通往試驗臺的河道。

土星-5火箭的二子級

土星-5火箭二子級的制造地點位于加利福尼亞州北西爾灘，試驗地點同樣在斯坦尼斯航天中心（早期樣機的試驗地點在加利福尼亞州的圣蘇珊娜基地實驗室）。完成試驗后，運往肯尼迪航天中心進行總裝和發(fā)射。

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

二子級在西爾灘工廠完成生產(chǎn)制造后，通過卡車經(jīng)短途運輸?shù)竭_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)巴拿馬運河運至米丘德。隨后，二子級改由敞開式駁船運輸?shù)剿固鼓崴购教熘行模⑼ㄟ^起吊方式豎立在試驗臺上。二子級完成試車后，通過封閉式駁船運往肯尼迪航天中心。

航天飛機的外貯箱

航天飛機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，安裝在輪式地面運輸平臺上，之后通過牽引車運抵1.6km之外的碼頭。

外貯箱到達碼頭之后，由工作人員將其與運輸平臺一同裝載至停靠在碼頭的“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，防止運輸過程中出現(xiàn)滑動與震動。運輸過程中，“飛馬座”駁船由一艘輪船進行牽引，總航行距離達到1600多千米，總航行時間為4～5天。

SLS火箭的芯級

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

（1）芯級準備

相關(guān)工作包括：①將芯級水平固定在多功能運輸系統(tǒng)上；②鎖閉芯級發(fā)動機；③安裝并檢查保護設施；④安裝并檢查測量、環(huán)境控制以及監(jiān)測設施；⑤將相關(guān)設備打包封裝。

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

（2）地面轉(zhuǎn)運

在芯級開始轉(zhuǎn)運前，首先要檢查多功能運輸系統(tǒng)，并啟動測量、環(huán)境控制以及監(jiān)測等設備。然后，芯級通過多功能運輸系統(tǒng)以極低的速度完成轉(zhuǎn)運。

（3）裝船與卸船

芯級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”駁船停靠在碼頭安全位置，提供安全、合適的連接位置。芯級滾裝/滾卸依靠多功能運輸系統(tǒng)，芯級發(fā)動機指向駁船尾部，檢測等專用設備放置在駁船指示位置，并通過基座、松緊螺絲扣等系緊設備完成產(chǎn)品的固定。

“飛馬座”駁船是美國為滿足航天飛機外貯箱運輸需求而專門設計和制造的，為了適應SLS芯級，美國在2014-2015年對“飛馬座”駁船進行了升級，增加了長度和高度。改進后的“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及其支撐系統(tǒng)（便于轉(zhuǎn)運及與甲板的連接），以及其他硬件設施。主甲板內(nèi)配備有受控照明設施，并安裝了6臺攝像機，可完整和連續(xù)地監(jiān)視、記錄貨物區(qū)域。為保護芯級，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)和維護設備的存儲。

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

（4）水路運輸

水路運輸分為4個階段。

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

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

第二階段從斯坦尼斯航天中心試驗區(qū)至密西西比河海灣港口，總距離為99.8km。本段運輸過程中，駁船首先由2艘拖船進行牽引，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)由墨西哥海灣到達弗羅里達州卡納維拉爾港口的海上航行。運輸過程中，駁船由一艘海洋拖船進行牽引，運輸總距離約為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動能力。

（5）芯級處理

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

（6）芯級檢查

運送和接收機構(gòu)的代表負責從“飛馬座”駁船各個角度完成芯級狀態(tài)和文件的檢查。首先，通過目測對芯級的可視區(qū)域進行檢測；其次，將硬件轉(zhuǎn)移至垂直裝配大樓之后，再次對芯級進行檢測，對肉眼檢測的局限性進行彌補；最后，對于未能通過檢測的硬件，需要將其運回米丘德重新進行處理。

3 公路運輸

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

土星-5火箭的一、二、三子級，以及航天飛機外貯箱、SLS芯級，在采用水上運輸、飛機空運的過程中，都以公路運輸作為補充方案，完成制造地、試驗地、發(fā)射場地與港口及空運站之間的運輸。由于運輸?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輸車輛。

馬歇爾航天飛行中心1963年為土星-5火箭一子級設計了專用運輸車。一子級運輸車采用模塊化概念，由多個基礎模塊拼接而成，每個基礎模塊有2個可獨立操控的車輪，共12個模塊、24個車輪。整個運輸車分為前后2段，分別承載一子級的前端和尾端。基礎模塊都有獨立的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過計算機連接，保持轉(zhuǎn)向角度一致。而且，基礎模塊的正反轉(zhuǎn)向角度都可以達到90°，因此運輸車可以橫向移動。運輸車的牽引裝置為M-26坦克牽引車，質(zhì)量55t，動力為179kW，裝有27t的壓載水，與運輸車的質(zhì)量相平衡。牽引車和運輸車的總長度約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輸?shù)姆绞健Ｔ摶鸺奶卣魇峭ㄟ^捆綁形式實現(xiàn)更大運載能力，芯一級和2枚助推器基本相同，所以主體結(jié)構(gòu)的直徑都和芯級相同，為3.7m，便于采用公路運輸?shù)姆绞健?/p>

4 鐵路運輸

固體助推器在出廠時已經(jīng)完成了裝藥，對于運輸條件的要求比較苛刻，運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輸方式，為其提供較為穩(wěn)定的運輸環(huán)境。此外，美國航天飛機四段式固體助推器和SLS重型運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直徑（一般為10米級）要小很多，也為鐵路運輸提供了可能性。

固體助推器均由軌道-ATK公司負責研制與生產(chǎn)，各組成部分在猶他州普羅蒙特里的工廠進行組裝，并在附近的場地進行試驗，之后通過專用火車轉(zhuǎn)運至肯尼迪航天中心。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），需要采取分段式運輸方式，各分段放置在軌道車支架上，由蛤殼式保護蓋通過鉸鏈從上方進行包裹，在整個運輸過程中對其加以保護。

軌道車由1輛機車進行牽引，鐵路運輸歷時7天，全程大約為3900km，最大運行速度為40km/h，但通常情況下都低于這個速度，為16～24km/h。因為運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，保證不會超過橋梁的承載能力。

美國為重型火箭建設的專用鐵路設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，由專門的人員負責維護。

肯尼迪航天中心軌道系統(tǒng)的建設開始于1963年，正值“阿波羅”（Applo）項目地面基礎設施建設時期。當時的軌道可承載質(zhì)量為50～70t的貨運車。但在航天飛機項目開始之后，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，由佛羅里達州東海岸鐵路公司（FEC）對鐵道系統(tǒng)進行翻新，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 飛機空運

飛機空運的方案能夠大幅縮短運輸時間，提高運輸效率，但是受限于飛機的尺寸和運載能力，飛機空運所能運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸有限。美國只有土星-5火箭的三子級采用了飛機空運的方案。首先，三子級直徑為6.6m，比一子級和二子級的10m直徑小很多。其次，三子級既作為土星-5火箭的三子級，也用作土星-1B火箭的二子級，所以發(fā)射數(shù)量更多，對運輸效率的要求更高。所以，美國為三子級選擇了飛機空運的方案。

火箭三子級在亨廷頓海灘進行總裝，試驗地點位于薩克拉門托。完成試驗后，再通過“超級古柏”飛機空運至肯尼迪航天中心，進行土星-5火箭的總裝和發(fā)射。由于從薩克拉門托運往肯尼迪航天中心的距離比較長，中間有可能會停留3～4次，以應對突發(fā)的惡劣天氣。

“超級古柏”飛機是將三架B-377飛機的駕駛艙、機身前部和機翼進行組合改裝而成，采用渦輪螺旋槳發(fā)動機。該飛機的最大載重為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。在運送三子級時，從飛機前部裝載火箭級段，將整個機身前部搭建在鉸鏈上，而鉸鏈位于機翼前緣。為了能夠把三子級裝載到飛機上，采用了專門的貨物起重拖車，該拖車利用剪刀式升降原理操作，可以抬高三子級將其搬運到飛機的貨艙里。在空運過程中，采用輕型遮蓋物遮蓋三子級頂部和尾部的暴露區(qū)域。此外，“超級古柏”飛機內(nèi)部裝有測量儀器，在飛行中監(jiān)測三子級的壓力、濕度、溫度和振動數(shù)據(jù)。

6 小結(jié)

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