新一代運載火箭陸海聯運總體組織方案的創新實踐

李 靖，陳曉東，李曉龍，謝業波

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

長征五號運載火箭是為滿足中國航天發展對大運載能力的迫切需求而研制的新一代大型運載火箭，于2006年10月正式批復立項，2016年11月3日首飛取得圓滿成功，使中國火箭技術水平和運載能力進入世界前列。長征五號運載火箭采用了全新材料制造5 m大直徑芯級箭體，并為其在天津濱海新區興建了采用全新技術和設備的火箭制造基地，在海南文昌建立了使用全新發射支持系統的發射場[1]。

火箭需要從天津火箭制造基地送往海南發射場，但如此規模的箭體產品已經無法通過陸路運輸，經多年論證，決定采用超大規模的特種集裝箱裝載箭體產品，通過陸-海聯運模式前往目的地。為此，專門研制了世界上最大體積和質量的特種集裝箱以及配套的公路運輸車等大型車輛、設備和專用運輸船。圖1為芯一級箭體公路運輸車，長47.7 m、寬6.4 m、高7.8 m，滿載質量165 t。

圖1 超大型特種集裝箱公路運輸車 Fig.1 Large Special Container Road Transport Vehicle

歷史上，中國火箭產品長途運輸基本限于鐵路方式，但以長征五號運載火箭為代表的新一代大型運載火箭產品運輸具有以下不同于以往的重要特征：

a）貨物體積大、質量大、數量多。

長征五號運載火箭使用10件特殊設計的超大型特種集裝箱及20件左右設備用標準集裝箱。其中芯一級箭體集裝箱長度近40 m，體積相當于40件6.1 m長的標準集裝箱，質量近90 t，公路運輸此類“超長、超寬、超高”的貨物時必須實施封路行駛，部分路段還需逆行過障。

b）運輸過程多、時間長。

火箭運輸過程包括“火箭產品前往海南發射場”和“空集裝箱返回天津”兩大部分，包括陸運、海運和多次吊裝過程，整個流程持續48～56天。

c）運輸安全要求高。

長征五號運載火箭技術先進、制造復雜，每發火箭產品價值數億元，從箭體產品備料到總裝交付需要長達3年時間，運輸途中發生的事故對于當次發射任務是不可接受的。為此，特別提出了“將火箭產品安全、可靠運抵發射場”的任務要求。

1 整體思路

2015年年初，長征五號運載火箭運輸涉及的車、船、箱和吊裝設備等技術裝備陸續就緒，執行的首次火箭發射場合練運輸意義重大、時間有限，制定運輸組織總體方案的工作迫在眉睫。

長征五號運載火箭是中國首次采用大規模特種集裝箱裝載，通過多單位、多地域協同，以陸-海聯運模式運往發射場的運載火箭。自火箭論證階段開始，運輸的技術性準備已經進行多年。

為確保“將火箭產品安全、可靠運抵發射場”核心目標的實現，運輸組織總體方案制定以下思路。

a）認識任務核心質量要求，樹立正確的指導思想。

運載火箭屬性特殊，其產品價值高，社會影響大，必須認清“安全、可靠”是“將火箭產品運抵發射場”任務的核心質量要求。

b）在多年論證基礎上，制定運輸組織方案。

依據多年論證結果，在現有車、船、設備和人員等已有技術條件的基礎上，進行流程規劃，制定滿足當前任務需求的運輸組織方案。

c）運用系統工程觀點，進行總體方案的創新優化。

航天系統工程管理實現了“1+1＞2”的管理效果。由于航天型號系統規模龐大、結構復雜、影響因素多，因此航天型號優化工作比較困難。航天系統工程優化的基本方法是以整體的觀點來分解和協調[1]。

在流程規劃的基礎上，從系統工程觀點出發，將火箭運輸作為整體項目考慮，爭取整體最優為目標。通過分析全流程中各個子項目之間的內在關聯，以及各子項目與其保障條件的關系，實施局部創新引發整體優化，尋求運輸方案效率提高、費用降低、可靠性提升。

2 運輸總體方案

2.1 技術基礎的建立

長征五號運載火箭陸-海聯運過程包括“火箭產品前往海南發射場”和“空集裝箱返回天津”（以下簡稱“進場”和“撤場”）兩大部分，每一部分均包括天津地區公路超限運輸、天津-海南海上運輸和海南地區公路超限運輸，其中進場為正序，撤場為逆序，圍繞這3個階段還包括特種集裝箱裝／卸車、特種集裝箱裝／卸船、產品進／出箱，以及其他準備性工作等。

2014年，火箭運輸總體技術方案論證詳細介紹了運輸基本步驟、產品及隨運保障設備組成、船舶配載、貯存環境和保障需求、特種公路運輸車和運輸船、吊裝設備和工具配套等，在初樣設計階段，為運輸方案制定提供了技術基礎。

2.2 運輸總體方案的制定

通過對技術性方案的研究，按照“進場”和“撤場”分別在火箭發射前后進行的模式制定運輸總體方案，進行運輸流程規劃。

兩艘運輸船從天津前往海南完成產品進場運輸后，即離開海南。卸船完成，運往海南發射場；在海南發射場內，產品從特種集裝箱卸出后，使用2臺200 t以上級別的吊車，將空集裝箱從公路運輸車上吊至地面停放；待火箭發射任務完成后，在海南發射場內將空置的特種集裝箱重新吊裝上公路運輸車；兩艘運輸船再次前往海南，待到達海南后，裝載集裝箱返回天津。

圖2為“進場”和“撤場”分別在火箭發射前后進行模式的運輸流程，該流程特點是：

圖2 “進場”和“撤場”分別在火箭發射前后進行模式的運輸流程 Fig.2 The Transportation Process of the Mode of "Entering" and "Withdrawing" Shall be Conducted before and after the Rocket Launch Respectively

a）“進場”和“撤場”分別在火箭發射前后進行；

b）每次任務包括2次天津—海南之間的海上往返運輸，共計4個船次；

c）4個裝卸船過程中，每個均包括3次公路往返超限運輸。

3 運輸組織方案的創新

長征五號運載火箭貨物體積巨大、運輸周期較長、橫跨地域繁多以及安全要求高。在實踐過程中，通過技術和管理的局部創新，實現了整體運輸方案的大幅優化。

a）改裝2件特種集裝箱，實現公路超限運輸流程優化。

特種集裝箱公路超限運輸當日，需要動員數以百計的大件運輸專業保障人員、維持交通秩序的警力和執行沿途清障的相關公共設施管理部門人員；車隊不僅需封路行駛，部分路段還需逆向行駛；單程30 km的路程需耗時2 h，每天最多完成1個往返。因此，公路超限運輸實施復雜且代價高昂。長征五號運載火箭使用的10件超大型特種集裝箱分別裝載于2艘運輸船（第1艘船裝載4件、第2艘船裝載6件），僅配備8輛公路運輸拖車和4輛牽引車，有2件集裝箱必須與其他集裝箱共用1輛拖車。因此，第2艘船裝載時，必須進行2次公路超限運輸，即完成第1批4件集裝箱裝船后，公路運輸車裝載第2批2件集裝箱，然后進行第2批2件集裝箱裝船，過程持續3天。

通過研究產品特征發現，第2艘船裝載的特種集裝箱中，有2件為寬度較大、但高度接近標準集裝箱的扁箱型，有可能用標準集裝箱拖車裝載。于是，確定通過對箱底接口進行改裝，可與標準集裝箱拖車相連，且裝載后行駛穩定性符合安全要求，使上述2箱徹底擺脫了對特種運輸車的依賴，實現了同其他4件產品箱通過同一次公路超限運輸完成碼頭裝卸，如圖3所示。

圖3 特種集裝箱使用標準集裝箱拖車裝載 Fig.3 Special Containers are Loaded with Standard Container Trailers

此項裝載方案優化引起的流程變化見圖4。虛線框內工作過程由3天減少為1天，使天津和海南公路超限往返運輸次數由6次減少為4次，減輕了兩地超限運輸保障負擔，極大提高了工作效率，節約了費用。

圖4 裝載方案優化引起的流程變化前后對比 Fig.4 Comparison of before and after Process Changes Caused by Loading Scheme Optimization

b）放棄“進場”和“撤場”在火箭發射前后分別進行模式，構建“去程”和“返程”連續進行模式運輸總體方案見圖5。

圖5 “去程”和“返程”連續進行模式運輸總體方案 Fig.5 The Overall Transportation Scheme of the Departure and Return Continuous Mode

在實現公路超限運輸流程優化，減少超限運輸次數的基礎上，在執行3次運輸任務后，發現按既定方案規劃的流程存在巨大的改進潛力：a）兩次海上運輸造成整體流程時間較長，平均每個來回約28天，總計約56天時間；b）在海南發射場需進行產品特種集裝箱的吊下（需2天）／吊上（需3天）運輸車各1次作業，操作困難且危險性大的工作時間較長；c）火箭發射結束后，需大量人員滯留在發射場10天左右執行撤場裝船，人力資源占用嚴重，尤其當發射密集程度提高后，影響更加顯著。

經研究，確定對后續流程進行重新構建：a）兩運輸船在海南完成產品進場運輸后不再離開海南，改為原地停泊，等待空箱裝船返回天津；b）卸船完成后，在發射場內，火箭產品從特種集裝箱卸出后，空箱不再卸車，而是直接返回碼頭裝船；c）隨船前往發射場的設備集裝箱，改為發射結束后由公路運返天津；即， 由產品“進場”和空箱“撤場” 在火箭發射任務前后分別進行的模式，改為“去程”和“返程”連續進行的模式。

該流程特點是：a）運輸整體流程從56天減少到 42天，兩艘運輸船每次任務由4船次改為2船次；2b）完全取消海南發射場內使用大型吊車將特種集裝箱吊 下／吊上運輸車的操作，減少了危險作業過程，提高了運輸整體安全性；c）發射任務完成后，人員可立即離開發射場，大大減少了人員占用；d）海南無需卸載貯箱充氣和壓力監測氣瓶組，取消了海南地區4次壓力容器類特殊貨物裝卸船和公路運輸需求；e）兩運輸船一次性完成全部工作，減少了海運時間，其他時間可安排維修、培訓或其他運輸任務，大大提高了船舶調遣靈活性，降低了成本[2]。

4 運輸模式優化的效果

2015年8月至9月，長征五號運載火箭產品首次采用陸-海聯運模式，由天津火箭制造基地成功運往海南發射場。

2019年9月，長征五號運載火箭第4次運輸任務，首次由“進場”和“撤場”在發射前后分別進行的流程模式，更改為“去程”和“返程”連續進行模式。

4.1 總體方案最優

a）火箭產品的運輸組織是系統工程理論運用的最佳實踐之一。通過對火箭運輸系統的分析以及運行實踐，認識制約系統運行的瓶頸問題，識別對其產生重大影響的要素，再通過裝載方案和運輸流程等方面的創新，使得運輸組織總體方案產生趨向最優，火箭運輸系統整體效率提升、費用降低。

b）在運輸方案策劃階段，通過對2件特種集裝箱的改造，擺脫對特種運輸車的依賴，兩地公路超限運輸次數減少三分之一，大大降低了公路運輸效率和保障費用，同時減少了碼頭占用時間，提高了運輸整體安全性。

c）數次運輸實踐后，通過將運輸流程由“進場”和“撤場”在發射前后分別進行模式，更改為“去程”和“返程”連續進行模式的創新，使整體任務完成時間由的56天減少到42天，人力物力消耗隨之大幅降低，顯著提高了任務總體效率。

4.2 實現降本增效

長征五號運載火箭陸-海聯運模式是中國火箭運輸方式的首創，之前不存在的類似模式作為比較基礎。采用成本-效益分析，通過運輸組織方案創新，實現了降本增效的經濟效果[3]。

a）由“進場”和“撤場”在發射任務前后分別進行模式，調整為“去程”和“返程”連續進行模式，減少運輸船航次，減少任務時間。

運輸模式調整后，專用運輸船任務路線由“母港—天津—海南—母港—海南—天津—母港”，調整為“母港—天津—海南—天津—母港”。運輸船每次任務總里程減少約25%；母港和海南各減少一次進港；總出海時間減少14 天。運輸船費用較調整前共計減少約25%支出。

在海南直接參與裝卸人員約50人，每次任務減少產品裝卸時間10天，人員費用支出得以降低。

b）裝卸機械方面，產品集裝箱不用再吊下再吊上運輸車，減少了2輛200噸級別大型吊車的費用支出；任務結束后安排7輛標準拖車運輸14件6.1 m標準集裝箱由海南返回天津，增加了公路運輸費用。

單次發射運輸任務中，運輸船、裝卸人員、裝卸機械等費用合計減少約280萬元直接支出。

單次運輸任務產生的經濟效益約為360萬元。以2020年為例，年度3次發射任務，由此產生經濟效益達1080萬元。

長征五號運載火箭作為中國新一代運載火箭的領軍型號，后續發射任務需求逐年遞增，經濟效益將更加顯現[4,5]。

5 結束語

從2015年8月至今，長征五號運載火箭共計完成9次火箭產品運輸任務，其中，最初3次采取“進場”和“撤場”在發射前后分別進行模式，每次4船次，總周期約56天；后續，調整為“去程”和“返程”連續進行模式，每次2船次，總周期約42天，每次均做到按計劃、安全將火箭產品送至發射場，以及將空集裝箱運返天津，確保了“將火箭產品安全、可靠運抵發射場”核心目的的實現。

先進技術的實現，離不開先進管理理念和方法的配合，正是應長征五號運載火箭研制而創建的火箭運輸組織方案，同樣實現了從無到有的跨越，圓滿完成了對新一代運載火箭運輸任務的保障，為中國航天科技水平躍升至新的高度做出了應有的貢獻。