三種常用火箭測發模式下發射支持系統設備需求研究

崔 瀏，郭金剛，范 虹，王明華

（1.北京航天發射技術研究所，北京，100076；2.北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

隨著中國通信、導航、氣象等技術的快速發展，在今后一段時間內將發射大量各種軌道航天器，對運載火箭的需求也比較旺盛。現有的運載火箭系列已經不能完全滿足未來任務需求，新型運載火箭的研制需求越來越迫切[1]。

運載火箭的測試發射模式（以下簡稱“測發模式”）選擇是新型火箭論證的重要一環，本文從運載火箭發射支持系統的角度，針對不同的測發模式對發射支持系統設備的需求開展分析，為后續新型號火箭測發模式的論證提供參考。

1 測發模式的應用情況

1.1 測發模式種類

運載火箭的測發模式一般是指經過出廠測試、總裝的運載火箭進入發射場后，在發射場技術區、發射區各工位開展組裝、測試、轉運、發射時所采用的方式。測發模式與火箭系統、發射場系統既相輔相成又相互制約，它直接影響火箭的技術狀態、發射場的布局、配套的發射場設備和設施，最終對整個發射系統能否達到預期的技術、經濟指標產生重要影響[2]。

火箭在發射場的技術準備工作主要包含產品的組裝、測試、轉運，通過這3個項目基本能反應火箭的技術狀態、地面設施設備和發射場總體布局的特點。根據上述3個項目狀態不同，進行測發模式種類劃分，目前常用的測發模式有3種：“三垂”模式、“兩平兩垂”模式和“三平”模式[3]。

1.2 “三垂”測發模式

“三垂”即垂直組裝、垂直測試、垂直運輸，典型流程為：發射場技術區開展箭體的組裝、測試后垂直轉場，轉場過程中保持箭地連接狀態與測試狀態不變，確保在發射區可以不測試或簡單測試即可進入發射程序。

國內外采用此測發模式的型號有CZ-2F、土星V、航天飛機、宇宙神5、阿里安V、H-II等。

1.3 “兩平兩垂”測發模式

“兩平兩垂”即水平測試、水平運輸、垂直組裝、垂直測試，典型流程為：發射場技術區開展簡單測試后水平轉場，發射陣地利用勤務塔上的塔吊將各級箭體和星罩組合體對接到發射臺上，經過測試后進入發射程序。

隨著測試技術的不斷發展，在此模式中，有些型號技術區的測試工作越來越少，最終目標為取消在技術區的測試工作，直接將箭體運到發射區進行組裝、測試工作，因此，在一些文獻中，也將這種模式稱為“一平兩垂”測發模式。

國內外采用此測發模式的型號有長征2C系列、長征3A系列、長征4系列等。

1.4 “三平”測發模式

“三平”即水平組裝、水平測試、水平運輸，典型流程為：發射場技術區開展水平組裝、水平測試后，水平運輸到發射陣地，整體起豎后開展簡單測試或不測試直接進入發射程序。

國內外采用此測發模式的型號有長征6、長征11、能源號、質子號、安加拉、聯盟號、法爾肯9和天頂號海射火箭等。

2 三種測發模式下的發射支持系統配套

運載火箭發射支持系統是發射火箭使用的各種專用設備和設施的總稱，用于支持和保障火箭發射以及進行各類飛行試驗。包含發射系統、噴水系統、加注系統、供氣系統、測控系統、瞄準系統、運輸系統、吊裝輔助設備以及發射場內保障廠房、設施等。

本次主要分析不同測發模式下的配套設備和設施，主要針對測控模式高度相關的系統開展分析，對其它系統如加注系統、瞄準系統、運輸系統、吊裝系統不作分析。另外，不同的火箭構型配套會有一定的區別，但對分析結果影響不大，為了便于分析，下文以某型號火箭為對象開展配套研究。

2.1 “三垂”模式下的配套

“三垂”模式下的發射支持系統相關配套及主要功能如下：

a）活動發射平臺：支撐臂、臺板機構，用于箭體支撐、調平以及燃氣流排導；臍帶塔、擺桿機構，用于支撐箭體加注、供氣、空調連接器，并能在起飛前快速擺開，讓出火箭起飛安全距離；轉換裝置、行走裝置，用于活動發射平臺狀態轉換及轉場行走；空調機組，用于保障轉場過程中整流罩內溫濕度環境；前置設備間，用于安裝測發控設備，保障技術區和發射區的測試采用同一套設備；供配電系統、防雷接地、減振隔噪設備，用于保障前置設備間內測發控設備的使用環境。

b）噴水設備：一級噴水機構、二級噴水機構、測控系統等，用于降低火箭發射時活動發射平臺上的溫度和噪聲，保障活動發射平臺安全及前置設備間測發控設備環境。

c）供氣設備：動力配氣臺、連接器配氣臺及其供氣管路，用于保障箭上供氣和連接器供氣需求，供氣設備放置在活動發射平臺前置設備間內，技術區和發射區共用一套設備。

d）測控設備：測控機柜、測量傳感器、電纜網等，用于動力及連接器配氣臺等設備的測控及信號反饋，測控設備放置在活動發射平臺前置設備間內，技術區和發射區共用一套設備。

e）垂直廠房：高大的整體結構，滿足箭體垂直組裝的空間要求；吊裝設備，用于箭體組裝時的吊裝工作；多層操作平臺，滿足箭體檢查、測試操作需求；供氣、供電設備，用于保障箭體測試需求。

f）固定勤務塔：回轉及升降操作平臺，滿足箭體檢查、測試操作需求；空調設備，保障轉場后整流罩及前置設備間內溫濕度環境；各類測試間，用于放置測試設備；頂部設有水箱，用于噴水系統供水。

g）轉運軌道：能夠承載活動發射平臺，使活動發射平臺在技術區和發射區之間進行轉移。

2.2 “兩平兩垂”模式下的配套

“兩平兩垂”模式下的發射支持系統相關配套及主要功能如下：

a）發射臺：支撐臂、臺板機構，用于箭體支撐、調平以及燃氣流排導。

b）轉運車：運輸車、運輸托座、系固機構等產品，用于完成箭體支撐、系固以及技術區與發射區之間的運輸。

c）噴水設備：一級噴水機構、二級噴水機構、測控系統等，用于降低火箭發射時活動發射平臺上的溫度和噪聲，保障活動發射平臺安全，和“三垂”模式下相比，原理相同，但由于發射臺規模小，且沒有前置設備間，防護簡單，系統規模可以大幅度降低。

d）供氣設備：發射區供氣設備功能、原理、規模和“三垂”模式下基本相同，但由于技術區也要測試，因此，技術區還需配套簡易測試設備。

e）測控設備：發射區測控設備功能、原理、規模和“三垂”模式下基本相同，技術區也同樣需要配套簡易測試設備。

f）水平廠房：吊裝設備，用于箭體裝卸車時的吊裝工作；設有供氣、供電設備，用于保障箭體簡單測試需求。

g）固定勤務塔：吊裝設備，滿足箭體垂直組裝的要求；設有回轉及升降操作平臺，滿足箭體檢查、測試操作需求；設有擺桿機構，用于支撐箭體加注、供氣、空調連接器，并能在起飛前快速擺開，讓出火箭起飛安全距離；設有空調設備，保障轉場后整流罩及前置設備間內溫濕度環境；設有各類測試間，用于放置測試設備；頂部設有水箱，用于噴水系統供水具有箭體與發射臺對接用吊車設備，相對“三垂”模式，增加了吊裝、擺桿設備。

2.3 “三平”模式下的配套

“三平”模式下的發射支持系統配套及功能如下：

a）發射臺：支撐臂、臺板機構，用于箭體支撐、調平以及燃氣流排導，功能、原理、規模和“兩平兩垂”模式下基本相同。

b）轉運車：運輸車、對接裝置、空調設備等產品，用于完成與起豎托架的對接、技術區與發射區之間的運輸以及運輸過程中整流罩內的空調保障，相對“兩平兩垂”模式，一個為整箭運輸，一個為單模塊運輸，整體規模要大幅度增加。

c）起豎托架：具有支撐、調平功能，滿足箭體水平對接的要求；起豎對接裝置，用于在發射區將箭體從水平狀態起豎到垂直狀態，并與發射臺對接；抱箭機構，用于轉運、起豎過程中鎖緊箭體，防止出現箭體滑動；擺桿，用于支撐箭體加注、供氣、空調連接器，并能在起飛前快速擺開，讓出火箭起飛安全距離；為加注、供氣、空調管路以及測控電纜提供布局空間。

d）噴水設備：一級噴水機構、二級噴水機構、測控系統等，用于降低火箭發射時發射臺上的溫度和噪聲，保障活動發射平臺安全，功能、原理、規模和“兩平兩垂”模式下基本相同。

e）供氣設備：供氣設備功能、原理、規模和“三垂”模式下基本相同，但由于技術區也要測試，技術區和發射區都需設有一套完整設備。

f）測控設備：測控設備功能、原理、規模和“三垂”模式下基本相同，但由于技術區也要測試，技術區和發射區都需設有一套完整設備。

g）水平廠房：內部空間要有足夠的長度，滿足箭體水平組裝的空間要求；吊裝設備，用于箭體水平組裝的吊裝工作；供氣、供電設備，用于保障箭體測試需求。

h）簡易勤務塔：各類測試間，用于放置測試設備；空調設備，保障轉場后整流罩及前置設備間內溫濕度環境；頂部設有水箱，用于噴水系統供水。

2.4 關于配套的幾點說明

上述配套是立足發射支持系統總體配套簡單、易操作思路下給出的，有些系統還會有其它配套方案。

a）在“三平”測發模式下，供氣設備和測發控設備在技術區及發射區都進行了配套，沒采用一套移動設備方案，是因為供氣設備數量多，尺寸大，如某型號配套的4 m×0.8 m×1.8 m尺寸的配氣臺有6個，其余還有小配氣臺、配氣箱若干，無論是采用集裝箱車載方案或集成到轉運車上，帶來的設計和操作難度都比較大；

b）在“兩平兩垂”測發模式下，勤務塔上設置了擺桿設備，沒有在發射臺上設置臍帶塔、擺桿設備，是因為在固定勤務塔存在的情況下，擺桿設置在固定勤務塔比設置在臍帶塔總體配套優化；

c）在“兩平兩垂”測發模式下，固定勤務塔設有箭體吊裝功能，此處沒有選擇西昌2號工位的移動勤務塔方案，因為移動勤務塔尺寸大、造價高，使用和維護也不方便，若考慮勤務塔上設置吊車困難，也可以考慮采用汽車吊方案。

3 不同測發模式下配套對比分析

3.1 技術難度

a）3種測發模式都有成熟應用，只是“三平”測發模式在中國只有長征6、長征11使用，但由于火箭規模相對較小，在技術上只能部分借鑒。

b）“三垂”模式下，活動發射平臺具有支撐、調平、排導燃氣流、支撐連接器、狀態轉換、行走、防護前置測發控設備以及轉場過程中的空調保障等功能，功能多、系統復雜，技術難度大，“三平”和“兩平兩垂”模式下，發射臺功能簡單，規模小，技術難度一般。

c）“三平”模式下，起豎托架集支撐、調平、起豎、對接、鎖緊、支撐連接器等功能于一身，且考慮到轉運、起豎等工況，外形尺寸和重量都要進行一定的限制，中國無成熟經驗可以借鑒，技術難度非常大。

d）“三平”模式下轉運車功能多、規模大、負載重，相對技術難度大，“兩平兩垂”模式下技術難度次之，“三垂”模式下轉運功能屬于活動發射平臺。

e）“三垂”模式下，活動發射平臺重量大，轉移軌道相對技術難度最大，“三平”模式下難度次之，“兩平兩垂”模式下，箭體單模塊運輸，難度最小。

f）噴水、供氣、測控等系統在3種模式下，技術難度基本相當，只是不同的模式下，配套數量和放置空間要求略有不同。

g）“三垂”模式下的組裝廠房（含垂直廠房、水平廠房）非常高，且要滿足測試用操作平臺、供氣、供電等需求，最復雜，難度最大；“三平”模式下滿足測試用供氣、供電等需求，難度次之；“兩平兩垂”模式下技術廠房內只有簡單測試，難度最低。

h）“兩平兩垂”模式下的勤務塔包含吊車、擺桿、操作平臺、水箱、測試房間等，難度最大；“三垂”模式下相對“兩平兩垂”模式，減少了吊車、擺桿設備，難度次之；“三平”模式下勤務塔只有水箱和設備房間，難度最低。

對上述分析列表對比，見表1。

表1 技術難度對比分析Tab.1 Technical Difficulty Contrast Analysis Table

3.2 測發流程

a）地面設備恢復階段。“兩平兩垂”模式下設備在發射區可以全面測試，各系統可并行開展，測試時間最短，“三垂”和“三平”模式下，需要在技術區和發射區分別開展測試，如“三垂”模式下，活動發射平臺的驅動系統需要轉場過程中測試，噴水系統和加注系統的全系統測試需要活動發射平臺轉移到發射工位才能開展，“三平”模式下起豎裝置的測試也只能在發射區才能開展，因此，此兩種模式下，設備恢復時間較長。

b）火箭的組裝階段。3種模式流程時間和操作難度相當，“兩平兩垂”模式下，需要將箭體從技術區運輸到發射區進行吊裝，但由于箭體安裝過程中，其余箭體模塊可以運輸，并行開展工作，因此對整個流程時間影響不大；

c）火箭測試，含單元測試、分系統測試、總檢查、一直到進入到發射日程序前的測試階段。“兩平兩垂”模式下箭體狀態沒有變化，除測試需求外，設備不需要斷開，因此測試時間最短；“三垂”模式下，轉場過程中雖然大部分箭地接口保持不變，但加注管路、供氣管路、供電電纜需要重新連接，連接后管路需要置換、檢查，測試時間次之；“三平”模式下，轉場過程中雖然也能保持大部分箭地接口不變，但有些功能如連接器的脫落、擺桿擺開在技術區測試不充分，且同樣存在連接后加注、供氣管路需要置換、檢查工作，測試時間最長。

d）轉場，含轉場及轉場后狀態轉換。“三垂”和“三平”模式下，轉場后需要狀態轉換，同時需要連接加注管路、供氣管路、噴水管路、空調管路、供電電纜等設備，需要一定的時間，而“兩平兩垂”模式下，箭體的轉場合并到總裝時間內，轉場時間不計。

e）發射流程。從發射日開始進入程序到火箭點火起飛，此流程主要和火箭相關，不同的測發模式下時間基本相同。

f）撤收流程。“三垂”模式下，需要驅動系統檢查、前置設備間檢查，斷開加注管路、供氣管路、噴水管路、空調管路、供電電纜等設備，狀態轉換后轉運到技術廠房內，用時最長；“三平”模式下，也需要斷開上述設備，狀態轉換后轉運到技術廠房內，用時次之；而“兩平兩垂”模式下，只需要對發射臺進行簡單檢查和防護即可，用時最短。

對上述分析列表對比，見表2。

表2 測發流程用時對比分析Tab.2 Time-consuming Comparative Analysis Table for Test-launch Process

3.3 經濟性

同種產品的經濟性主要同設備復雜程度和配套數量相關，此處根據配套設備功能結合目前設備價格體系，形成各設備經濟性對比表，見表3。

表3 經濟性對比分析（費用高低對比）Tab.3 Economic Comparative Analysis Table(Cost Comparison)

3.4 小 結

在相同的外界環境下，對上述結果進行綜合分析，可以看出：

a）無論是從技術難度、測試流程，還是從經濟上分析，“兩平兩垂”模式都有一些優勢，但此模式下，發射區占位時間長、測試環境相對惡劣，對海南環境適應能力差，且勤務塔功能復雜、規模大，建設和維護成本較高；

b）“三垂”模式下測發控設備放置在活動發射平臺前置設備間內，技術區和發射區可以共用一套設備，轉場過程中保持箭地接口不變，可以極大地減少發射區占位時間，但此模式下活動發射平臺系統極其復雜，且要有高大的垂直廠房、轉移軌道、勤務塔，整體成本高；

c）“三平”模式下不需要高大的垂直廠房和復雜的勤務塔，轉場過程中也能保持箭地接口不變，縮短發射區的占位時間，但此模式中，在當前的火箭技術狀態條件下，技術區測試不能完全覆蓋發射工況，且需要開展箭體水平組裝、箭體整體轉運精確對中起豎、集成擺桿功能的起豎托架設計等關鍵技術的研究，關鍵技術多。

4 結論

上述分析是在發射支持系統的角度上進行的，若考慮到火箭和有效載荷技術狀態、高密度發射等條件下，可能會有不同的結論，如：

a）在海南環境下，若箭體模塊多，火箭側壁加注、供氣、脫插等箭地接口多，需要臍帶塔和擺桿來支撐，“三垂”模式相對有優勢，隨著箭體總體技術進步，后續構型若箭體模塊少，箭地接口也少，起豎托架的技術難度會大幅度降低，“三平”模式的優勢會逐漸凸顯出來；

b）目前中國有效載荷多按垂直狀態設計，有些會不適應水平轉場狀態，因此，“三平”測發模式對有效載荷的覆蓋能力要弱于其它兩種；

c）高密度時，“三平”模式下技術區和發射區各有一套測試設備，可以保障一發火箭在發射臺上準備發射，另一發火箭可以在技術區開展測試，測發控設備配套多的劣勢又會變成優勢。

因此，各測發模式都有相對的優缺點，不存在最優，在測控模式的論證時，要充分考慮火箭和有效載荷技術狀態、發射場位置、發射支持系統配套等關聯條件后，才能設計出最為合適的測發模式。