中國運載火箭測試發射模式發展思路研究

肖士利，何 巍，秦旭東

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭的測試發射模式(以下簡稱測發模式)是指火箭在發射場技術區和發射區轉運、總裝、測試過程中的技術物理狀態，通過轉運、總裝、測試這3個狀態基本上能反映火箭的技術狀態、測發流程、地面設施設備和發射場總體布局的特點。測發模式一經確定，就決定了火箭在發射場的測發流程和發射場設施設備的總體方案與基本規模。

目前，各國運載火箭常用的測發模式主要有3種：一平兩垂(火箭水平轉運、垂直總裝、垂直測試)、三垂(火箭垂直轉運、垂直總裝、垂直測試)和三平(火箭水平轉運、水平總裝、水平測試)，3種測發模式各有優缺點，在國內外火箭中均有應用。由于測發模式對火箭和發射場總體方案起著重要作用，未來我國運載火箭在不同的發射場采用何種測發模式才能發揮出最大效能是一個值得研究的問題。本文提出了一種測發模式定量分析方法，開展了我國小型、中型、大型及重型運載火箭在不同發射場最優測發模式分析，為我國下一代運載火箭測發模式發展思路提供重要參考。

1 國內外運載火箭測發模式現狀

1.1 一平兩垂測發模式

該模式在發射場技術區建設水平準備廠房，發射區建設固定發射臺、地下設備間、勤務塔和臍帶塔。火箭各部段在技術區水平準備廠房完成狀態檢查后，通過公路運輸車將各級運往發射區，用勤務塔上的吊車將各級火箭、整流罩/有效載荷或其組合體垂直吊裝對接在發射臺上，經過測試后進行加注發射，如圖1所示。

圖1 一平兩垂測發模式Fig.1 One-level and two-vertical test and launch mode

該模式的優點在于技術區設施簡單，在發射區測試過程連貫，無需狀態轉換。對發射臺要求較低，火箭運輸條件低，操作簡單。但該模式對發射區設施要求高，需要修建功能完整、全封閉式的塔架用于火箭吊裝和測試，而且火箭在發射區占位時間長，每兩次發射時間間隔長。發射區塔架一般可采取兩種不同的組合形式，一是固定勤務塔和臍帶塔方式，二是固定臍帶塔和活動勤務塔方式。我國的CZ-2C、CZ-3A系列以及CZ-4系列火箭采用這種模式。

1.2 三垂測發模式

該模式在發射場技術區垂直總裝測試廠房內，將各級箭體、整流罩/有效載荷組合體垂直組裝在活動發射平臺上，完成各項測試后，通過活動發射平臺將火箭垂直轉運至發射區，在發射區經綜合測試后進入發射準備階段，如圖2所示。

圖2 三垂測發模式Fig.2 Three-vertical test and launch mode

該模式的優點是測試環境好，技術區及發射區測試可采用同一套前端測試設備，且在運輸時測試狀態不斷開，確保技術區的測試狀態及測試結果有效，有效降低火箭在發射區的工作時間，便于連續發射。但該模式對地面設施設備要求高，除了在技術區建設高大的垂直總裝廠房外，部分火箭還需要在發射區建設勤務塔，同時對活動發射平臺要求高，整個地面設施設備規模較大，造價較高。美國的土星5號、航天飛機、SLS、宇宙神5，歐洲的阿里安5，日本的H-2A，中國的CZ-2F、CZ-5、CZ-7等火箭均采用這種模式。

1.3 三平測發模式

該模式在發射場技術區水平準備廠房內完成箭體水平組裝和有效載荷水平對接，完成各項測試后，由轉運車將火箭水平轉運至發射區，在發射區開展火箭整體起豎、箭地連接、加注和發射，如圖3所示。

圖3 三平測發模式Fig.3 Three-level test and launch mode

該模式的優點是可以避免在技術區建設高大的垂直總裝測試廠房且發射區地面設施較為簡單，對運輸道路要求較低，轉運時所用的運輸車輛與三垂模式相比，較經濟。美國的獵鷹9、蘇聯/俄羅斯的能源號、聯盟號、質子號和天頂號，我國的CZ-6和CZ-11等火箭采用這種模式。

火箭和有效載荷在水平狀態下組裝和測試，須解決測試狀態和發射狀態不一致的問題。對于這種方式，如果有效載荷不允許水平運輸，可以將整流罩/有效載荷組合體運輸至發射區與火箭垂直對接，但須在發射區額外配套勤務塔吊車和操作平臺，進而增加了發射區建設規模。比如按照三平模式來設計的德爾它4H和在庫魯發射場發射的聯盟號火箭，因有效載荷不能適應水平對接、轉運及測試，火箭基礎級(一二級、助推器)采用水平組裝和水平測試，整流罩/有效載荷組合體采用垂直組裝的方式與基礎級對接，這種模式可認為是三平模式的過渡狀態，或稱為“兩平一垂”測發模式，即火箭水平轉運和水平測試，整流罩/有效載荷組合體垂直對接。

1.4 各國運載火箭測發模式分析

俄羅斯火箭一直以來都采用三平模式，歐洲火箭主要采用三垂模式，美國火箭早期以三垂模式為主，隨著獵鷹9火箭的發展，目前三垂模式和三平模式均有應用。我國火箭也采用了多種測發模式，早期火箭以一平兩垂模式為主，三垂模式為輔，新一代運載火箭以三垂模式為主，三平模式為輔。

國外火箭發射場設施較為簡單，基本都采用簡易勤務塔模式，部分火箭直接取消了勤務塔，火箭在發射區都是露天測試及加注，這對火箭的可靠性、安全性、環境適應性和使用維護性能提出了很高的要求。我國大中型火箭在發射區都采用了全封閉式的勤務塔方案，為火箭在發射區的操作、測試、檢查提供良好的環境保障條件，對地面設施的保障能力提出了很高的要求，發射場整體建設規模較大。

2 測發模式影響因素分析

測發模式論證需結合我國實際情況，應具備較強的任務適應性和環境適應性、較高的可靠性和安全性、較好的經濟性，從這4個指標中可以細化出13項影響因素，如圖4所示。

2.1 任務適應性

任務適應性可通過快速發射能力、連續發射能力、通用發射能力、逆流程處置能力、有效載荷適應能力等5個方面來分析。

1)快速發射能力反映火箭在發射場的測發周期；

2)連續發射能力反映火箭在同一個工位連續兩次發射的時間間隔和火箭在發射區占位時間；

3)通用發射能力反映不同構型火箭在同一個發射工位的適應能力；

4)逆流程處置能力表征火箭在故障情況下，應急處理的處置能力；

5)有效載荷適應能力反映有效載荷水平或者垂直總裝、測試、轉運的適應能力。

圖4 測發模式影響因素Fig.4 The influencing factors of test and launch mode

通過優化發射場測發流程，縮短火箭發射準備時間和每次發射后恢復時間，具備快速發射能力和連續發射能力，滿足不同的任務需求；同一發射工位盡可能適應不同構型火箭發射能力；火箭出現重大故障時，應具備較好的逆流程處置能力；有效載荷能夠適應水平和垂直總裝測試狀態。

2.2 環境適應性

環境適應性通過火箭在發射場總裝、測試、轉運這3個狀態來反映，這3個狀態對應3種不同的環境，分別是總裝環境、測試環境和轉場環境。

1)總裝環境適應性表征火箭在發射場總裝過程的環境適應性，一般受自然環境和力學環境影響，其中火箭吊裝可分為室內吊裝和室外吊裝；

2)測試環境適應性反映火箭在各種天氣情況下的測試發射保障難度；

3)轉場環境適應性反映火箭在轉場過程中的自然環境適應性和力學環境適應性。

火箭在發射場應具備較強的自然環境適應能力和運輸環境適應能力。

2.3 可靠性和安全性

可靠性和安全性主要通過火箭測發狀態改變程度、技術基礎來反映。

1)測發狀態改變程度反映火箭測試和發射時狀態改變程度；

2)技術基礎反映該模式在發射場總裝、測試和發射的成熟度和可靠度。

火箭和有效載荷測試狀態和發射狀態基本保持一致，減少狀態轉換；發射場技術區和發射區盡量使用同一套前端地面設備，與箭體連接測試完成后狀態不再變化；采用技術基礎好和成熟度高的技術，其可靠性和安全性相對較高。

2.4 經濟性

火箭在發射場的主要設施設備包括火箭地面測發控設備、發射臺和發射場設施等，以上設施設備可以反映建設規模，體現經濟性。

1)火箭測發控設備主要通過配套數量、箭體總裝設備規模等反映；

2)發射臺一般包括固定發射臺或活動發射臺；

3)發射場設施主要包括技術區測試廠房、轉運軌道和發射區勤務塔等。

測發模式論證時應盡量降低火箭地面測發控設備、發射臺和發射場建設規模，降低成本，提高使用維護性能。

運載火箭3種測發模式對比分析如表1所示。

3 測發模式定量分析方法

按運載能力劃分，可把我國運載火箭大致分為小型、中型、大型、重型等，其中小型火箭直徑一般小于3.35 m，中型火箭直徑一般為3.35 m，大型火箭直徑一般為5 m，重型火箭直徑一般為10 m級。

我國目前有4個發射場，其中1個沿海發射場，為文昌發射場，其他3個為內陸發射場，分別是西昌發射場、酒泉發射場和太原發射場。

3.1 分析步驟

測發模式定量分析法按照以下步驟進行分析。

1)梳理出測發模式影響因素，共4大類13項，見圖4。

2)對測發模式影響因素綜合分析，分別對火箭在4個發射場采用不同測發模式的影響因素進行評分，評分采用5分制。根據表1的分析結果，每項影響因素按照1～5分進行評分，1分表示差，2分表示較差，3分表示一般，4分表示較好，5分表示好。

表1 3種測發模式對比分析

3)對測發模式影響因素進行權重評分，即影響因子。影響因子按照重要程度分為重要影響因素和一般影響因素兩類，其中重要影響因素是指對測發模式影響較大的的因素，影響因子為10%；一般影響因素是指對測發模式影響較小的的因素，影響因子為5%，詳見表2。影響因子設置原則如下：

①在任務適應性中，快速發射能力和連續發射能力表征火箭在發射場的測發周期和發射工位時間，決定了火箭的最大年發射量，是影響發射能力的重要因素；有效載荷適應能力決定了全箭是否能夠水平或垂直總裝測試，是發射任務適應性的重要影響因素；而通用發射能力和逆流程處置能力則不會顯著影響火箭的最大年發射量和有效載荷發射任務適應性，是一般影響因素。

②在環境適應性中，火箭在發射場的總裝時間和轉場時間較短，一般不超過1天，且總裝時間和轉場時間可根據天氣好壞進行選擇。而火箭測試一直貫穿整個發射場，時間需要數周或數月，更易受自然環境的影響。因此，測試環境是重要影響因素。

③在可靠性和安全性中，測發狀態改變程度和技術基礎均會較大程度地影響發射可靠性，均為重要影響因素。

④在經濟性中，發射場測試廠房、勤務塔及轉運軌道等設施的造價比發射臺、火箭測發控設備造價更高，是重要影響因素。

需要特別說明的是，對于執行載人發射任務的火箭，某些因素會成為決定性因素。比如，CZ-2F載人火箭在空間站運營階段有應急救援發射任務需求，對火箭的連續快速發射能力和發射可靠性提出了很高的要求，其任務適應性、可靠性和安全性應給出更高的影響因子，降低經濟性影響因子。因此，CZ-2F火箭在發射場立項論證時，提出了三垂測發模式，垂直總裝測試廠房有兩個測試工位以及配套了兩個活動發射平臺和兩套地面設備，可同時存放兩發火箭。

表2 影響因素及其影響因子

4)分別計算得出小、中、大、重型火箭在4個發射場3種測發模式的綜合評分，綜合評分越高者為優。計算公式見式(1)，其中

S

為綜合評分結果，

A

分別表示13個影響因素評分，

B

為該影響因素對應的影響因子評分。

(1)

表3給出了中型火箭在文昌發射場采用三垂模式的評分方法和計算結果，影響因素評分

A

根據表1分析結果給出，影響因子評分

B

根據表2分析結果給出，可得出綜合評分結果為3.75。

3.2 分析結果

小型、中型、大型、重型火箭在不同發射場采用不同測發模式綜合評分見表4，可得出以下結論：

表3 中型火箭在文昌發射場采用三垂測發模式綜合評分

1)在我國現有技術水平下，小型火箭在4個發射場優選三平模式，大型火箭和重型火箭在文昌發射場優選三垂模式，中型火箭在文昌發射場優選三垂模式，在內陸發射場優選一平兩垂模式。

2)一平兩垂模式在內陸發射場具有明顯的優勢，除連續發射能力評分相對較低之外，在其他方面評分高，沒有明顯的短板，綜合評分高。若要實現快速發射和連續發射，可進一步簡化技術區工作，優化發射流程或建多個發射工位。實踐證明，一平兩垂模式發射工位建設周期較短，總投資較低，是比較經濟適用的測發模式，具有典型的中國特色。一平兩垂模式在文昌發射場得分較低，主要原因是文昌發射場高溫、高濕、高鹽霧、淺層風以及臺風等環境因素導致總裝測試環境差。

3)三垂模式在文昌發射場具有明顯的優勢，主要得益于連續發射能力和有效載荷適應能力強、總裝測試環境好、測發狀態改變較少以及技術基礎好，評分較低的因素包括轉場環境差、對活動發射平臺和發射場要求高，工程建設規模大，經濟性較差。

4)三平模式在小型火箭中評分較高，在中大型火箭中評分較低，主要原因在于有效載荷適應能力差、測發狀態改變較多以及技術基礎較差等。但三平模式在技術區不需要高大的垂直總裝測試廠房，發射場配套設施簡單，且三平模式在發射區占位時間較短，與三垂模式相當，具備快速發射和連續發射能力，兼具三垂模式和一平兩垂的優點。

表4 不同類型火箭在四個發射場測發模式綜合評分

當前我國小型火箭CZ-6和CZ-11均采用三平模式，大型火箭CZ-5和重型火箭采用三垂模式，中型火箭(包括CZ-3A系列和CZ-7系列火箭等)測發模式主要為一平兩垂模式和三垂模式。鑒于三平測發模式的優點，分析各個發射場三平模式制約因素，如果后續我國突破了有效載荷水平對接及測試、全箭水平測試與垂直測試差異性、火箭水平組裝及運輸起豎等關鍵技術，中型火箭在各個發射場測發模式綜合評分見表5，可以看出：

1)文昌發射場優選三平模式；

2)酒泉發射場采用三平模式略優；

3)西昌發射場和太原發射場采用一平兩垂模式略優；

4)在3個內陸發射場中，一平兩垂模式和三平模式評分非常接近，基本相當，不同發射場評分差異的原因是發射場地質條件不同。

表5 中型火箭在四個發射場測發模式綜合評分

4 我國運載火箭測發模式發展思路

通過以上測發模式定量分析結果，結合國內外運載火箭測發模式發展趨勢和我國現有發射場環境地質條件及建設條件，應根據火箭的需求來選擇不同類型的測發模式，未來我國火箭測發模式發展思路如下:

1)小型運載火箭在各發射場優選三平模式，發射區采用無勤務塔模式，提高火箭的使用維護性能。

2)中型運載火箭是我國未來的主力火箭，為滿足高密度發射和快速測試發射的需求，在掌握三平測發技術前提下，文昌發射場優選三平模式，同時根據衛星的適應情況，也可采用兩平一垂模式。酒泉、西昌和太原等內陸發射場采用一平兩垂模式和三平模式均可，可根據發射場現有條件進行選擇，提高工位利用率。因此，未來中型運載火箭在設計時應同時具備一平兩垂、三垂以及三平測發模式能力，核心是同時具備垂直總裝測試和水平總裝測試能力，根據需要在不同的發射工位采用合適的測發模式進行發射，大幅提高火箭發射任務適應性。

3)大型、重型運載火箭在文昌發射場優選三垂模式，可利用現有發射場設施，但需開展三垂模式優化工作，重點優化方向是簡化發射區，采用簡易勤務塔或爭取實現取消勤務塔，實現轉場后快速發射，降低發射區建設規模，縮短發射準備時間。

5 結論

本文提出一種運載火箭測發模式定量分析方法，對我國運載火箭后續測發模式發展思路進行了研究，完成了我國小型、中型、大型及重型運載火箭在各發射場最優測發模式分析。鑒于三平模式的優勢，建議我國開展中型捆綁火箭完全三平模式關鍵技術研究，盡早實現型號應用。未來小型運載火箭優選三平模式，中型運載火箭應同時具備一平兩垂、三垂以及三平測發模式能力以滿足不同任務需求，大型和重型運載火箭采用三垂模式和簡易勤務塔或無勤務塔方案以提高火箭使用性能。