低成本小型商用火箭應(yīng)用前景及短周期測(cè)發(fā)流程探討

楊潞鋒 軒志勇 楊曉靜 徐元元 劉巖云

摘? 要：該文通過分析運(yùn)載火箭推進(jìn)劑燃料的發(fā)展方向和趨勢(shì)，認(rèn)為常規(guī)推進(jìn)劑在退出歷史舞臺(tái)之前的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，用于小型商業(yè)火箭的發(fā)射是一種很好的方式。小型商業(yè)火箭具有可以簡(jiǎn)化測(cè)發(fā)流程，縮短任務(wù)周期的優(yōu)勢(shì)。小型商業(yè)火箭通過創(chuàng)新功能設(shè)計(jì)、箭地一體化設(shè)計(jì)，可縮小設(shè)備規(guī)模，簡(jiǎn)化發(fā)射操作程序，提高火箭發(fā)射操作的安全性。

關(guān)鍵詞：小型商用火箭? 應(yīng)用前景? 測(cè)發(fā)流程

中圖分類號(hào)：V475.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（a）-0022-02

隨著我國(guó)商業(yè)小型衛(wèi)星得到越來越廣泛的應(yīng)用，與之配套的小型商業(yè)運(yùn)載火箭勢(shì)必也將會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。目前我國(guó)現(xiàn)有的四大發(fā)射場(chǎng)，即酒泉、太原、西昌、文昌發(fā)射場(chǎng)，現(xiàn)有的發(fā)射工位主要是滿足中大型火箭的發(fā)射需求，僅酒泉具備小型固體火箭的發(fā)射功能。小型商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射主要靠搭載中型運(yùn)載火箭，即一箭多星方式進(jìn)行發(fā)射，這種搭載方式往往會(huì)受到發(fā)射計(jì)劃、時(shí)間、地點(diǎn)等因素的制約，而且一箭多星的測(cè)發(fā)流程也會(huì)相對(duì)繁瑣，甚至影響單個(gè)衛(wèi)星安全可靠性。

1? 低成本小型運(yùn)載火箭前景

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和成熟，對(duì)于中大型火箭來說，推進(jìn)劑燃料低溫化、火箭回收后重復(fù)利用是發(fā)展趨勢(shì)。但常規(guī)推進(jìn)劑火箭由于其技術(shù)成熟、可靠、便于控制，短時(shí)間內(nèi)仍將是發(fā)射主力。后續(xù)隨著中大型火箭燃料低溫化，逐漸退出的常規(guī)推進(jìn)劑燃料用于小型商業(yè)火箭的發(fā)射仍是一種很好的方式。因此，為滿足日益發(fā)展的小型商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射，提出了“低成本小型火箭”。

低成本小型火箭主要可用于300kg及以下重量微小衛(wèi)星的商用航天發(fā)射活動(dòng)，火箭由一級(jí)、二級(jí)、整流罩及衛(wèi)星安裝平臺(tái)等組成，可完成200～900km太陽(yáng)同步軌道的發(fā)射任務(wù)。低成本小型火箭具有發(fā)射準(zhǔn)備周期短，單位有效載荷發(fā)射成本低、發(fā)射場(chǎng)地調(diào)配靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。

2? 低成本小型火箭測(cè)試發(fā)射流程

低成本小型火箭的測(cè)發(fā)流程可在目前中大型火箭的測(cè)發(fā)流程基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新功能設(shè)計(jì)、箭地一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備模塊集成化、方艙化，從而達(dá)到簡(jiǎn)化測(cè)發(fā)流程，縮短發(fā)射任務(wù)周期。

低成本小型火箭測(cè)發(fā)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)箭上電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等功能、性能檢查，地面測(cè)控信息傳輸及指揮控制，加注過程中氣液供給及控制、地面增壓控制，測(cè)試發(fā)射流程控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、判讀及管理等。火箭通過鐵路運(yùn)至發(fā)射場(chǎng)后，在技術(shù)區(qū)完成火箭總裝、測(cè)試、星箭對(duì)接、貯箱氮?dú)庵脫Q、全箭吊裝至起豎發(fā)射車等工作，然后通過公路轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，在發(fā)射區(qū)完成火箭起豎、電氣功能檢查、全系統(tǒng)氣密性檢查、火箭加注、發(fā)射等工作。

2.1 技術(shù)區(qū)測(cè)發(fā)流程

低成本小型火箭運(yùn)至發(fā)射場(chǎng)后，在技術(shù)區(qū)主要完成火箭卸車轉(zhuǎn)載、設(shè)備安裝、電氣系統(tǒng)測(cè)試、貯箱氣密性檢查、貯箱氮?dú)庵脫Q、起豎發(fā)射車技術(shù)準(zhǔn)備、火箭轉(zhuǎn)載至起豎發(fā)射車、管路及電纜連接等工作。時(shí)間一般可控制在5～7d之內(nèi)。產(chǎn)品主要技術(shù)狀態(tài)如下。

（1）整箭水平狀態(tài)鐵路運(yùn)輸進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)，其中，組合導(dǎo)航控制器、電池單獨(dú)包裝運(yùn)輸，箭上火工品用短路插頭保護(hù)，火工品單獨(dú)運(yùn)輸。

（2）地面設(shè)備、產(chǎn)品備附件、吊具架車單獨(dú)包裝隨鐵路運(yùn)輸。

（3）有效載荷單獨(dú)運(yùn)輸進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)。

2.2 發(fā)射區(qū)測(cè)發(fā)流程

低成本小型火箭完成技術(shù)測(cè)試工作后，通過起豎發(fā)射車轉(zhuǎn)場(chǎng)至發(fā)射區(qū)。火箭在發(fā)射區(qū)通過起豎發(fā)射車與發(fā)射臺(tái)對(duì)接，完成全箭起豎、粗瞄、管路連接、電氣系統(tǒng)功能檢查、全系統(tǒng)氣密性檢查、推進(jìn)劑加注、精瞄、起豎發(fā)射車撤收、發(fā)射等工作。時(shí)間一般可控制在2～3d之內(nèi)。

3? 低成本小型火箭測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)主要由控制分系統(tǒng)、遙測(cè)分系統(tǒng)、外安分系統(tǒng)、總體網(wǎng)等組成。

3.1 控制分系統(tǒng)

控制分系統(tǒng)地面測(cè)發(fā)設(shè)備的任務(wù)是對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測(cè)試、功能檢查和實(shí)施火箭的發(fā)射控制。其主要功能有以下幾個(gè)方面。

（1）完成箭上系統(tǒng)的配電、測(cè)試狀態(tài)控制。

（2）完成火箭方位瞄準(zhǔn)，遙控完成電源啟動(dòng)和斷開。

（3）完成測(cè)試發(fā)射過程中的電壓、頻率、時(shí)串等信號(hào)的測(cè)量和接收，發(fā)出系統(tǒng)所要求的各種激勵(lì)信號(hào)。

（4）后端發(fā)控臺(tái)、主控微機(jī)通過光纖與前端設(shè)備相連，實(shí)施對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行控制，完成火箭控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離測(cè)試與發(fā)射。

（5）向外系統(tǒng)提供有關(guān)指令和狀態(tài)信息。

（6）向總體網(wǎng)提供相關(guān)的發(fā)控狀態(tài)和測(cè)試信息。

控制系統(tǒng)地面設(shè)備按功能可分為發(fā)射控制、測(cè)試控制兩部分。

發(fā)射控制系統(tǒng)主要包括發(fā)控臺(tái)、前端配電機(jī)柜、地面電源等，完成測(cè)試時(shí)的狀態(tài)控制、狀態(tài)監(jiān)視以及實(shí)施火箭的點(diǎn)火、緊關(guān)機(jī)處理等。

測(cè)試控制設(shè)備由后端主控微機(jī)、數(shù)據(jù)流程顯示微機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、上網(wǎng)數(shù)傳微機(jī)、前后端數(shù)傳機(jī)柜、前置VXI計(jì)算機(jī)、一個(gè)VXI機(jī)柜、兩個(gè)VXI機(jī)箱、電源控制機(jī)柜、電源濾波組合以及監(jiān)視設(shè)備等組成。

3.2 遙測(cè)分系統(tǒng)

遙測(cè)分系統(tǒng)其主要功能有以下幾點(diǎn)。

（1）負(fù)責(zé)完成遙測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離供電控制、測(cè)量等。

（2）完成遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收與解調(diào)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視及上網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理和分析等。

（3）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議/IP協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換。

3.3 外安分系統(tǒng)

外安分系統(tǒng)地面測(cè)發(fā)設(shè)備的主要功能是在系統(tǒng)測(cè)試和發(fā)射時(shí)，完成系統(tǒng)的供配電和測(cè)發(fā)控制，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。外安分系統(tǒng)地面測(cè)發(fā)設(shè)備包括無線測(cè)試設(shè)備和系統(tǒng)測(cè)發(fā)設(shè)備，系統(tǒng)測(cè)發(fā)設(shè)備由前端設(shè)備和后端設(shè)備組成。前端設(shè)備包括工控機(jī)、電源機(jī)柜和前端控制柜，后端設(shè)備包括控制計(jì)算機(jī)、上網(wǎng)計(jì)算機(jī)、后端控制臺(tái)等。無線測(cè)試設(shè)備包括干涉應(yīng)答機(jī)綜合測(cè)試儀、干涉儀應(yīng)答機(jī)綜合測(cè)試儀發(fā)射天線、干涉儀應(yīng)答機(jī)綜合測(cè)試儀接收天線、脈沖相參應(yīng)答機(jī)綜合測(cè)試儀、脈沖應(yīng)答機(jī)綜合測(cè)試儀天線、安全指令接受機(jī)測(cè)試發(fā)射機(jī)、安全指令接收機(jī)測(cè)試發(fā)射天線等。

3.4 總體網(wǎng)

總體網(wǎng)分硬件和軟件兩部分。硬件部分為星型局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、接口微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、瀏覽終端等組成。軟件部分由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。總體網(wǎng)軟件分別運(yùn)行于接口微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和瀏覽終端上，具備以下功能。

（1）實(shí)時(shí)收集、監(jiān)視各分系統(tǒng)狀態(tài)信息和關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、打印。

（2）總檢查Ⅰ、總檢查Ⅱ和發(fā)射等各階段測(cè)試信息。

（3）根據(jù)需要進(jìn)行部分遙測(cè)參數(shù)、有線測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和自動(dòng)判讀。

（4）通過遙測(cè)無線實(shí)時(shí)接收、顯示箭上各單機(jī)參數(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)的有線接收數(shù)據(jù)，在總檢查時(shí)對(duì)模飛時(shí)串進(jìn)行判讀、比對(duì)，給出判讀結(jié)果。

4? 低成本小型火箭發(fā)射測(cè)控

火箭發(fā)射時(shí)，通過綜合利用戰(zhàn)略支援部隊(duì)現(xiàn)有測(cè)控網(wǎng)完成火箭發(fā)射飛行階段的測(cè)控。運(yùn)載火箭測(cè)控任務(wù)包括：完成火箭點(diǎn)火、起飛和一級(jí)飛行段的實(shí)況記錄;完成火箭主動(dòng)段跟蹤測(cè)量，接收、記錄和處理遙外測(cè)數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)監(jiān)視和判定火箭一、二級(jí)飛行情況，火箭發(fā)生故障危機(jī)需要炸毀時(shí)實(shí)施安全控制;為飛行試驗(yàn)指揮機(jī)構(gòu)提供遙外測(cè)監(jiān)視、顯示信息和安控判斷信息;測(cè)定衛(wèi)星入軌初始軌道;向有關(guān)單位提供其必需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有關(guān)資料。

5? 結(jié)語

該文通過分析運(yùn)載火箭推進(jìn)劑燃料的發(fā)展方向和趨勢(shì)，認(rèn)為常規(guī)擠進(jìn)劑在退出歷史舞臺(tái)之前的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，用于小型商業(yè)火箭的發(fā)射是一種很好的方式。小型商業(yè)火箭具有可以簡(jiǎn)化測(cè)發(fā)流程，縮短任務(wù)周期的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬全，劉占卿，王東風(fēng)，等.航天發(fā)射場(chǎng)總體設(shè)計(jì)[M].北京：理工大學(xué)出版社，2015.

[2] 高敏忠.載人航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)（加注供氣系統(tǒng)）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014：386.

[3] GJB 3138-1997，導(dǎo)彈與衛(wèi)星試驗(yàn)發(fā)射場(chǎng)常規(guī)推進(jìn)劑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].