空射運載火箭快速測試發射技術研究

張素明，白 斌

（1.北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

空射運載火箭一般由載機運輸到空中，火箭采用空中發射方式，與地面發射運載火箭相比具有“機動、靈活、高效、廉價”的技術特點[1]。為了充分發揮空射運載火箭的這些技術特點，需要針對性設計其測試發射模式、發射流程、測發控設備，以及測發控信息應用手段等，以適應空基發射的特殊使用需求，實現快速、機動、廉價地發射小型衛星等有效載荷。

此外，火箭和載機的組合體從停機坪到空中發射這一活動過程要歷經地面相對高溫到空中低溫的寬溫域環境；在空中掛飛階段還要承受振動及沖擊等使用環境，這些發射方式帶來的環境條件的變化也對測試發射提出了特殊要求，因此，需要針對空射運載火箭的測試發射技術開展研究[2]。

1 空射運載火箭的測試發射模式

根據火箭與載機的組合方式的不同，典型的空射運載火箭有吊掛式和內裝式，其測試發射模式也存在一定的差異。

1.1 飛馬座空射運載火箭測試發射模式

目前，美國軌道科學公司的飛馬座是世界上唯一投入商業運營的空射型運載火箭，該火箭屬于吊掛式發射模式，如圖1 所示。其載機為公司基于洛克希德公司一架L-1011 型運輸機改進而來，專門用作該火箭的發射載機[3]。

圖1 吊掛式空射運載火箭飛馬座地面測試Fig.1 Pegasus Rocket Testing on the Ground

該運載火箭的測試發射系統由機載發射支持設備和地面集成測試系統組成，如圖2 所示。火箭在廠房內進行水平總裝和測試，并完成與載荷的對接測試等，然后開展載機、地面集成測試系統、機載發射支持設備、運載火箭、有效載荷的匹配測試，測試結束后即具備載機起飛條件。

機載發射支持設備由運載火箭測試支持設備、空調設備、供配電設備、載荷機載測試支持設備以及相應的接口的鏈路組成。

整個火箭掛機飛行過程中，機載發射支持設備有操作面板，由飛機上的專人操作，用于監測關鍵參數，接收和執行地面發射指揮的指令。飛機和地面通過語音和數據通信鏈路進行連接。機載空調設備用于保持載荷的環境溫度。另外，在載機外部安裝了兩部攝像裝置，用于監控火箭狀態。

飛馬座火箭的遙測系統負責在地面測試過程、總檢查過程、掛機飛行過程，以及飛行過程中的數據流。該下行鏈路直接發送到地面的同時也通過機載測試支持設備進行記錄。

機載發射支持設備還為載荷提供8U 高，標準48.26 cm 寬的上架設備安裝空間，該部分設備根據載荷任務的不同可以更換。

地面集成測試系統包括運載火箭集成測試設備和地面控制中心，具有地面準備階段對火箭的測試功能，以及飛行階段通過無線通信鏈路對火箭進行監控功能，能與載機實時進行通信。

圖2 飛馬座測試模式示意Fig.2 Pegasus Rocket Testing and Launching Mode

可見，飛馬座火箭在設計時就最大程度地簡化運載器和載荷的接口和操作復雜度，以及縮減發射準備時間。同時，機載發射支持設備的規模受限，只能安裝小型設備，同時僅提供一個發射操作的人員位置。

1.2 平流層空射火箭系統測試發射模式

美國平流層發射系統公司建造了世界上最大的空射運載火箭系統，采用吊掛式空中發射方式，發射系統將采用雙機身載機，攜帶火箭至9 km高空實施發射，如圖3 所示。根據官方數據，該發射系統的載機可在兩個機身之間的“中心翼”部分搭載227 t 的空射運載火箭，相當于該飛機能夠同時承重3 發長征十一號運載火箭[4]。

載機分為左右兩個機身，但只有右側機身設置駕駛室，駕駛需要3 名飛行員協同工作，包括駕駛員、副駕駛和飛行工程師。載機左側機身內部設置有用于放置航空支持設備（Airborne Support Equipment，ASE），包括飛行數據采集與控制設備，通信設備以及載荷支持設備等。巨大的機內空間和運載能力甚至可以安裝火箭燃料加注設備等大型測發控設備，并且艙內采用加壓設計，能將艙內設備的使用環境控制在類似地面設備的使用環境范圍內。

為了提升發射的靈活性，降低對通信和地面設施的依賴，載機上設置了一套獨立的移動發射場衛星通信系統，用于發射過程與地面任務控制中心通信。地面任務控制中心位于加利福利亞的莫哈韋航天航空港內，通過移動發射場衛星通信系統，不管在世界任何地方執行發射任務，載機的飛行操作和火箭的狀態都可以遠程監測和控制。

值得強調的是，載機上設置有一套移動式發射任務中止系統，是載機上的關鍵設備之一，可以在不需要地面指令的條件下自動執行發射飛行任務中止，降低了對地面發射安全控制支持設備的依賴。

圖3 平流層發射系統工作模式Fig.3 Stratolaunch System Testing and Launching Mode

1.3 飛行號火箭測試發射模式

與上述不同的是，俄羅斯飛行號采用內裝式測試發射模式，使用AN-124-100 型魯斯蘭飛機作為載機，火箭內置在飛機貨倉內部。發射時，載機將在10～11 km 的高度上以約700 km/h 的速度飛行，并完成急躍升機動，將運載火箭從運輸發射容器中投出。投放后的火箭使用穩定裝置（降落傘）進行數秒的自由下落，然后起動第1 級發動機。火箭進行調整后，飛向預定軌道。

魯斯蘭飛機載有小型運載火箭和發射支持設備，能從任何跑道長于3000 m 并具有必要設施的機場起飛。飛機載著加注燃料后的運載火箭，飛往4000 km距離內的發射區，進行發射。載機上的發射準備設備包括：

a）運載火箭推進劑加注和排放設備；

b）運載火箭安裝及投放設備；

c）傳送運載火箭和載機狀態參數到任務控制中心的設備；

d）運載火箭機載飛行任務控制設備等。

空間飛行器與飛行號在載機內組裝流程見圖4。

圖4 有效載荷與飛行號在載機內組裝測試示意Fig.4 Rocket and Payload in Ruslan Aircraft

1.4 空射火箭測試發射技術特點分析

1.4.1 空中射前測試項目

空射運載火箭的測試階段主要包括：技術陣地測試、火箭與載機對接測試以及空中射前測試等，相比傳統火箭增加了空中射前測試項目。

空中射前測試的測試內容與地面測試有很大區別，火箭隨載機在空中飛行過程中，只能采用載機攜帶有限的測試設備進行結構不分解狀態測試，測試接口和信號受限，所能進行的測試項目也較少，只能進行關鍵參數的監測、關鍵時序動作的執行和確認等。

在火箭隨載機飛行時，機載測發控設備需要對火箭持續進行監測和跟蹤，同時通過無線通信鏈路與地面監控中心進行通信。

射前通過機載測發控設備對火箭功能、性能及安全性參數進行監測及測試，執行倒計時程序。需要將點火控制系統、飛行任務中止系統、電源及配電等切換到火箭內部電源，使火箭處于發射狀態，各項測試及流程正常后，按指令投放火箭。

1.4.2 機載測試發射支持設備

空射運載火箭如果采用專門設計的載機（如平流層空射火箭系統），則可能設計有專門放置機載測試發射設備的設備艙，能容納較多測試設備，也可減少對地面測試支持設備的依賴。

但空射運載火箭的載機一般基于現有成熟飛機平臺改制，受載機條件限制，相比寬大的地面火箭發射臺發射方式，空射運載火箭的機載測試發射設備在體積、重量、功率、安全性等方面的限制極其嚴苛，需要對測試設備簡化和優化設計。總體方案設計時應優化飛行階段的測試流程，以減少機載測發控設備，提高系統的整體可靠性。

此外，如果采用外掛發射方式，對有效載荷的環境保障也是設計難點之一。同時需要增加機載設備對有效載荷提供相應的環境保障支持。

1.4.3 減少對地面設備的依賴

由于受到載機的質量和空間的限制，無法在飛機上設置大量的測試設備，機上測試設備的設計盡可能簡化，只保留了基本的監測和發控功能。

在掛飛過程中，火箭和有效載荷的狀態更多依靠火箭的自測試功能和遙測鏈路實現對火箭的狀態監測功能。因此，相比于傳統火箭，測試過程更加重視通過遙測鏈路進行。

此外，空射運載火箭的發射地點靈活多變，按照固定發射點來布置地面測控站已不能適應新的發射模式，尤其是發射首區的測控和安控需要靠載機設備來完成。

2 空射運載火箭測發控系統方案設計

針對常見的吊掛式空中發射方式，設計了一套測發控系統方案，以適應空射運載火箭機動、靈活的使用特點。

2.1 測試發控系統功能需求

2.1.1 機載測發控設備的功能需求

a）火箭掛飛期間自動監測火箭工作狀態，完成測試數據自動處理、判讀；

b）火箭掛飛期間為火箭測試發控提供電源；

c）與載機設備通信，獲取載機飛行參數，并在火箭掛飛期間完成火箭計算機諸元數據的裝訂；

d）實現火箭與載機組合體的分離投放控制；

e）完成發射首區安全控制；

f）完成有效載荷環境控制（如需要）。

2.1.2 地面測發控設備的功能需求

a）地面準備階段對火箭進行全面測試，完成火箭與飛機組合體起飛前的各項性能測試；

b）在火箭掛飛期間，通過遙測數據監視火箭的工作狀態，數據自動分析，與指揮操作人員完成對火箭發射流程的協同控制。

2.2 測試發控系統總體方案

針對空射運載火箭掛飛的測試和發射控制的需求，設計了載機-地面一體化的測發控系統。測試發控系統的設計與以往型號測發控系統有所不同：

a）為了發揮空射運載火箭機動靈活的特點，機載測發控設備在火箭掛飛期間能獨立完成測試和發射控制功能，同時采用少量人工干預（機上操作員完成）的工作方式。

b）為了降低對地面依賴，測試數據采用衛星通信方式傳送到地面，同時火箭首區的安控由載機上的設備負責完成。

c）地面僅保留數據處理和火箭監控功能。在火箭掛機前的測試也采用機載測發控設備+技術區專用設備的方式完成，其他為了全面測試而在掛飛期間不使用的功能，均由技術區專用設備來完成，減少機上設備的復雜性，提高可靠性。

綜上，設計得到的測試發控系統的分布結構如圖5所示，系統由機載測發控設備、地面測發控設備兩部分組成。

機載測發控設備由火箭測試設備、火箭發射控制設備、火箭通信與安控設備，以及載荷環境控制設備等組成。其中：

a）火箭測試設備完成與火箭的有線通信信號調理、飛機/火箭慣導參數交互、供配電等功能。

b）火箭發射控制設備供機上發射操作員操作，主要完成火箭實時監控和投放控制等。

c）火箭通信與安控設備負責與火箭的無線信號交互，安控管道監控和指令發出，并能通過機載衛星通信設備與地面實現數據交互。

d）載荷環境控制設備主要完成火箭掛機飛行期間的載荷環境監測與控制。

地面測試設備由箭地無線通信設備、地面衛星通信設備、云服務器，以及多個監控終端組成，主要通過無線方式和火箭、機載測發控設備實現信息交互，完成火箭掛機飛行期間的測試數據監測分析，對飛機上的操作員提供指導。

圖5 測試發控系統的架構Fig.5 Architecture of Testing and Launching System for Air-launch Rocket

3 關鍵技術與發展趨勢

3.1 一體化測試技術

一體化測試技術包括測試對象的一體化、測試通路的一體化以及測試程序的一體化設計等多方面，以解決空射運載火箭對測試設備規模、測試時間的問題。

針對空射運載火箭測試發射過程，一體化測試首先要解決箭上/機上/地面測試的一體化、測試通路的一體化等問題，要打通三者之間的測試信息交互通路。火箭掛機過程中，需要對火箭進行掛機飛行過程的測試，此時的測試信息主要依靠遙測通道進行，因此，為了更好地利用地測和遙測通道，實現測試信息的覆蓋最大化，需要對地測和遙測通路進行一體化設計。

其次，要實現箭上/機上/地面一體化測試，首先需要對箭上自測試（Built-In Test，BIT）功能進行優化設計，其次要對冗余功能測試進行優化設計，再者要強化機上測試設備的測試覆蓋性以及地面測試設備對測試信息的自動判讀和綜合分析能力。

3.2 箭機地一體故障診斷與輔助決策技術

箭機地一體化故障診斷與輔助決策技術主要解決對火箭的故障診斷、機上操作人員的輔助決策、地面測發人員的輔助決策等問題。火箭在掛機條件下，涉及到火箭健康狀態、載機的健康狀態以及地面系統的健康狀態，如何有效整合，實現一體化健康管理，是保障發射過程安全可靠的關鍵技術之一。

在上述過程中，涉及到的箭-機-地一體化健康管理技術包括箭-機在地面測試維修階段的全生命周期健康管理技術、飛行階段的箭-機-地協同故障診斷技術、飛行階段的箭-機-地協同故障處理技術等。

3.3 低成本、高適應性測試平臺設計技術

未來空射運載火箭很可能面臨一種載機對應多型火箭的狀況，這就要求測發控設備，尤其是機載測發控設備的設計兼具低成本和高適應性的測試平臺，包括對測試對象的適應以及對使用環境的適應等，主要包括：

a）針對測試設備設計中普遍存在的通用性差、品種繁多、利用率低、維護保障困難等共性問題，采用基于通用測試接口適配技術、自動測試標記語言技術等關鍵技術，實現一套通用化測試平臺完成多種不同測試對象的測試。

b）平臺采用標準化、模塊化、開放性的體系結構，采用標準化的商用測試模塊，系統測試功能可根據被測對象的不同需求進行擴充、裁減及互換，是一個能夠適應多種設備共性需求的通用化測試診斷系統平臺，可完成系統級和分系統級的功能驗證和故障定位，實現了用一套測試系統滿足多種測試與診斷的需求。

通用化測試平臺極大地削減測試設備的規模，節省人力資源的投入；在滿足功能性能要求的同時，提高測試效率。平臺較多的采用較為成熟的貨架產品，減少定制產品的開發成本和開發風險，不僅節省了經濟投入，更節省了人力和資源投入；平臺采用通用的思想架構，更適用于產品的更新換代和推廣使用。

3.4 無人測試發射技術

隨著無人機逐步向大型化和智能化發展，未來空射火箭很可能從有人空射轉向無人空射，而空中發射走向無人空射，理論上是要將空中射前測試和發射過程“無人化”。

無人空射火箭需重點加強機上測發控設備的智能化水平，強化地面的數據綜合和綜合控制能力。機上解除所有因人而產生的制約，從而充分發揮無人化帶來的復用性、智能化、一體化等先進特性，進一步提升空射系統的快速響應特性和任務適應性，無人空射的發展也將推動新一代天地運輸系統研制與換代，實現高效、高可靠與低成本地進入空間。

4 結束語

空射運載火箭的技術優勢越來越受到世界各國的重視，尤其是在商業航天的推動下，取得了長足的技術進步，多型產品正在開發，部分產品已投入或即將投入運行。本文結合空射運載火箭的技術特點，對國內外空射運載火箭的測發模式進行了初步分析，并對其中的關鍵技術和發展思路進行了梳理和展望。通過文獻資料分析，短期內中國空射運載火箭很可能采用吊掛方式，本文針對性設計了一種測發控系統，供未來空射運載火箭發展參考。