下一代智慧發射場發展研究

劉 陽，辛騰達，同 江

(北京特種工程設計研究院，北京 100028)

0 引言

航天發射場是我國航天強國建設的基礎設施和重要支撐，隨著新型智能化航天器、運載火箭的創新發展，對航天發射場的保障能力提出了嚴峻的挑戰[1-2]。世界各航天大國均圍繞降成本、升效率、保安全的目標，在自動化、信息化和智能化等方面開展了廣泛研究。目前，我國基本形成了“沿海內陸相結合、高低緯度相結合、各種射向范圍相結合”的航天發射場布局，能夠較好滿足我國航天發射需求。但在高密度航天發射常態化形勢下，工位限制、自動化程度低和參試人員多等問題越發凸顯，發射場亟須長遠規劃下一代智慧發射場建設。

1 國內外航天發射場發展情況

1.1 俄羅斯發射場發展情況

受國土緯度位置限制，俄羅斯一直沒有建造理想的大型航天發射場，唯一一個緯度位置相對較低的拜科努爾發射場由于蘇聯解體只能租用。為了降低對位于哈薩克斯坦境內的拜科努爾航天發射場的依賴，俄羅斯聯邦政府和航天局最終于2007年選定在遠東地區的阿穆爾州分3個階段實施東方航天發射場建設，如圖1所示。2017年，俄羅斯批準了《2017—2025年發展聯邦目標計劃》，旨在俄羅斯疆域內建立完善的航天基礎設施。

圖1 東方航天發射場

俄羅斯發射場的主要特點如下：

1)發射場技術先進，自動化程度較高。如天頂號運載火箭的發射與地面支持系統雖建成于1985年，但整個系統實現了較為先進的自動化。發射區的安裝運輸車、垂直度監測裝置、發射臺基座、箭地連接裝置、空調系統、噴水降噪系統等均可采用自動控制或遠程控制的方式來完成，甚至發射臺在射后還可以自動歸位，以便進行下次發射，確保了發射操作運行經濟、高效、安全和精確[1]。

2)廣泛采用“三平”測發模式。從20世紀60年代起，蘇聯率先采用了水平整體組裝、水平整體測試、水平整體運輸和起豎的新模式。目前俄羅斯現役的主力運載火箭仍采用“三平”測發模式，發射流程較為簡化。

3)管理多元化，對外交流頻繁。目前拜科努爾發射場是俄羅斯與其他航天大國廣泛開展國際交流合作的重要平臺。東方發射場在建設運營中引入了多元化機制，廣泛吸引商業機構投資，建設集航天配套產業、發射服務和航天科普等功能在內的航天產業基地。

1.2 歐洲發射場發展情況

歐洲的航天發射場主要是圭亞那航天中心，位于南美洲北部、法屬圭亞那大西洋海岸的庫魯地區。目前，ELA-3主要用于阿里安5火箭的發射，ELS主要用于發射聯盟號運載火箭，ELA-1經改造后現用于發射織女號小型運載火箭，新建的ELA-4用于阿里安6火箭的發射[2-3],如圖2所示。

圖2 ELA-4主要設施

歐洲發射場的主要特點如下：

1)測發模式和技術水平較為先進。圭亞那航天中心因地制宜，采取了多種測發模式完成火箭的測試發射。如阿里安5火箭采用了“三垂”測發模式，聯盟號火箭采用了改進的“三平”測發模式，而織女號火箭則采用了“一平兩垂”測發模式。同時，該中心也采用了大量自動化技術，如阿里安6火箭采用的箭地自動對接分離、低溫機械臂、遠程操控等技術，確保了發射操作的簡單可靠。

2)完全商業化運作。圭亞那航天中心大力發展商業化運營，通過簡化流程、提高能力、降低成本，不斷增強商業競爭力。

1.3 美國發射場發展情況

美國國家航空航天局(NASA)2020年完成肯尼迪航天中心LC-48發射工位建設。該工位簡化基礎設施，使用戶節省大量費用，并可供多個商業航天機構在此開展發射試驗。美國SpaceX公司星艦試驗基地位于美國德克薩斯州卡梅倫縣的博卡奇卡海灘，發射試驗場區設施主要包括推進劑加注貯存區、測試發射區、返回著陸區、避雷塔、防爆墻等[3]。發射試驗場區采取了較為緊湊、簡潔的布局設計，發射區無導流槽，試驗設施間隔較小，大多為露天設置，如圖3所示。

圖3 星艦試驗基地

美國發射場的主要特點如下[4-5]：

1)技術先進、自動化程度較高。美國的航天發射場在發射技術的研究與應用方面始終走在世界前列，如大規模液氫加注技術、牽制釋放技術、低溫加注自動對接分離技術、噴水降噪技術等在美國航天發射場均有應用，其自動化、信息化水平較高，綜合發射能力較強。

2)測試發射模式多樣化。由于美國運載火箭型譜較為復雜，各型號運載火箭在發射場采用了不同的測試發射模式，既有水平分級運輸(“一平兩垂”)的發射模式，也有水平整體運輸(“三平”)和垂直整體運輸(“三垂”)的測發模式。其中“三垂”測發模式為肯尼迪航天中心首創。

3)高度重視發射安全性。美國非常重視航天發射的安全性，專門制定了《東西靶場安全規范》，對發射活動中的安全性問題的識別分析、規避以及處置進行了詳細的規定。現有的發射場大量采用自動化技術，實現了射前操作的無人值守，進一步提升了安全性。

1.4 我國發射場建設情況

經過60余年的發展，我國已初步形成了布局相對合理、設施基本完善、功能較為齊全的發射場格局，具備了一定的航天發射規模和能力，基本滿足我國對航天發射的需求。

但發射場現狀與我國日益增長的發射任務需求相比，主要存在以下不足[6]：

1)發射場兼容適應能力弱。由于各型火箭技術狀態差異大，每個發射場只能滿足固定一型或幾型火箭測試發射，測發控、地面保障等設備不通用，不同型號和工位的箭地接口不兼容，地面設備通用化、系列化、組合化水平整體較低，面對新型號、新任務，無法快速重構形成發射能力。

2)測發周期及射后恢復時間長。受產品技術狀態及成熟度影響，火箭、衛星在發射場的測試發射流程復雜，測試發射周期較長，重復測試次數較多，發射區占位時間較長，發射區設施復雜，射后損傷設備多,狀態恢復較慢。

3)自動化、智能化水平較低。測試發射還處于人員密集型的工作模式，大量工作還需要手動操作和人員現場值守，自動化程度不高，測試發射效率較低，操作安全風險較高。發射場盡管逐步建立了各級指揮控制系統，實現了遠距離測試發射和設備狀態監視等信息化應用，但發射任務中的智能化應用，如智能運維、智能決策、故障診斷等能力較弱。

1.5 未來發展趨勢

根據國外主要航天大國和組織發射場的發展現狀和后續建設規劃來看，未來航天發射場的主要發展方向可簡要概括如下：

1)測發模式向整體化方向發展。航天發射模式向整體運輸發展，不論是美國、歐洲采用的“三垂”模式，還是俄羅斯采用的“三平”模式，兩類模式都增強了測試、運輸的整體性，減少狀態變化和重復測試，提高發射可靠性。

2)測發設備向智能化和一體化方向發展。隨著火箭和航天器采用整體總裝、測試、運輸的測發模式，以及先進總線、虛擬儀器和云計算技術的應用，火箭、航天器測發設備自動化和集成化程度不斷提高，推動測發設備向智能化和一體化方向發展。

3)管理保障向標準化和集約化方向發展。為保證發射場長期可持續發展，各國都在不斷建立和完善發射場管理和技術標準，加快標準化建設步伐。加強設備通用化、系列化、組合化建設，提高互聯、互通、互操作性，向集約化發射場邁進。

未來一段時期，航天工程新技術、新設備、新模式研發應用明顯加快，載人航天、深空探測、星座組網等重大航天任務將全面展開實施，商業航天發射井噴式發展。新的任務形勢呈現出技術新、要求高、保障難的特點，對我國發射場的綜合能力和水平提出了更高要求。為不斷適應新形勢、新任務、新技術，提升發射安全性，提高發射效率，降低發射成本，亟須逐步推進下一代智慧航天發射場的發展。

2 智慧發射場發展構想

2.1 總體架構

智慧發射場是由物理環境、數智環境、運行平臺、組織管理4個部分形成互聯的體系，如圖4所示，具備數智環路、物理環路、聯合環路3類運行模式，通過網絡化、智能化、數字化等手段，實現物理發射場與數智發射場的高效聯動[7]。從信息化進一步向數字化、智能化、數智化乃至智慧化的深度和廣度拓展進化。

圖4 智慧發射場總體架構

2.2 發展原則

智慧發射場的基本原則是“能力牽引、統籌規劃、突出重點、創新發展”。

2.2.1 能力牽引

轉變單一依靠任務牽引的發展模式，發展形成任務和能力的雙牽引機制；跟蹤世界航天技術發展前沿，重點圍繞航天重大專項工程任務需要和發射能力體系的整體提升，突出抓好一批戰略性、前瞻性和基礎性的關鍵技術攻關。

2.2.2 統籌規劃

進一步加強發射場系統與測發技術發展的頂層設計，統籌考慮當前與長遠、需求與可能、研究與應用的關系，實現發射場發展與火箭等航天力量發展同步，與任務需求協調，力爭“跟蹤探索、跟上預研、同步研制、超前發展”。

2.2.3 突出重點

緊緊圍繞解決制約發射能力整體提升的短線問題和關系發射場智慧化發展的重大問題，統籌開展設施設備、技術理論智慧化研究，重視新型發射系統的技術研究和體系建設。

2.2.4 創新發展

大力開展原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新，努力突破核心理論,掌握關鍵技術，提升核心競爭力。同時，協調推進航天發射體制機制、組織協同、設備管理等創新發展，為發射場系統全面創新發展提供堅實基礎。

2.3 系統組成與功能

智慧發射場主要由智慧技術區、智慧發射區、智慧回收系統、智慧指揮系統、智慧評估系統與數智環境平臺組成[8-9]，如圖5所示。

圖5 智慧發射場基本組成

2.3.1 智慧技術區

智慧技術區主要包括：

(1)自動化產品裝卸、組裝

產品進場裝卸、組裝完全由自動化設施設備進行操作，組裝完畢后自動轉運至測試區域，在產品裝卸、組裝的過程中僅需要1～2人進行監控即可完成。

(2)一體化智能測試

設置通用化測試接口、測試設備，適應各型火箭自主測試需求。以故障自診斷為基礎，通過自主測試、自主評估、自主判斷等手段，對數據進行比對分析、評估，具備地面射前一鍵化測試能力。

(3)模塊化區域分配

為有效提高測試發射效率，根據火箭、航天器的測試需求自主分配不同功能的工作區域，充分整合火箭、航天器測試需求，提供自動化、智能化測試設備。充分利用測試場地，實現從裝卸、組裝、測試、技術區加注、轉運的智能化流水線式保障模式。

2.3.2 智慧發射區

智慧發射區主要包括：

(1)智慧發射工位

與現有發射工位不同，智慧發射工位進行模塊化、簡易化設置，預留與智慧技術區一致的通用化測試、加注接口。利用無線傳感技術，火箭也可實現無線測發控。同一發射工位可完全適用不同構型的火箭，采用新材料、新技術等手段，簡化發射工位設施。

(2)智慧加注供氣

智慧加注供氣可根據自主測試結果進行自主對接、加注、泄回等操作，加注接口可設置為可移動、多自由度的柔性裝置，以滿足不同型號火箭的加注供氣需求。加注過程中具備自主監測及應急處置模式，在故障情況下可充分保障安全。

(3)智慧保障設施

對推進劑、特種氣體、供水、電、空調等保障設施設備進行智能化管理，根據火箭、航天器的保障需求，實現一鍵輸入，自主分配保障資源的目標。設置智能傳感器，監測發射區設施設備的實際狀態，減少發射區設施設備不必要的射后檢修與恢復。

2.3.3 智慧指揮系統

區別于以往的航天指揮系統，指揮人員在任務鏈最高層，通過網絡實施控制，這個控制是指令控制，而不是具體操作。依據事先的規劃指令和緊急情況下的應變指令，實現最優控制。根據任務需求及環境的感知，對飛行軌跡、航落區、應急安控等工作進行決策，達到飛行任務最優。

2.3.4 智慧回收系統

目前火箭飛行控制不具備飛行任務自主規劃、自主返回和自主診斷能力，殘骸落區由規劃的飛行彈道決定。隨著火箭自主飛行控制技術的發展，實現在飛行過程中的自主故障檢測、故障定位和故障隔離，飛行任務自主調整，提高飛行可靠性，一次性火箭殘骸通過柵格舵、降落傘等精確控制技術實現火箭殘骸的自主控制?？芍貜突鸺龑崿F火箭各子級的精確返回控制，返回后進行箭上設備自主健康狀態評估，科學統籌可重復火箭返回需求，建設陸上、海上智慧化回收系統。

2.3.5 智慧評估系統

通過發射場布設傳感器，實時感知設施設備的狀態信息、環境信息等，形成大數據采集、傳輸、存儲、管理體系。各智慧系統感知和處理所獲取的數據，利用知識庫和專家系統對任務、設施設備和系統狀態進行評估，對危險狀態進行預警。參試人員可通過發射場三維全景虛擬系統感知發射場設施設備的狀態，根據智慧評估系統給出的檢修周期、剩余壽命，定期更換或維修，提高維修保障效率。

2.3.6 數智環境平臺

遵循網絡信息化體系“四化五層”環境平臺架構，構建“以系統轉型為目標，以任務應用為牽引，以模型數據為核心，以科技手段為支撐，以基礎條件為保障”的布局合理、自主可控、高效順暢的數智環境平臺，平臺結構如圖6所示，能可靠支撐智慧發射場的建設。

圖6 智慧發射場數智環境平臺結構

3 智慧發射場發展主要關鍵技術

3.1 超大流量低溫自動加注技術

大型運載火箭低溫加注規模大、技術難、要求高，嚴重制約發射場智慧化發展[10]。亟須開展高熱力學效力液化流程設計技術、大規模低溫推進劑精確加注與多模式控制技術、超大型液氫(液氧)增壓技術及低溫液體流動特性變化規律與自主推進劑加注技術[11]等研究，實現發射區加注發射無人值守。

3.2 箭地一體化發射設計與優化技術

開展箭地一體化測試發射總體研究、箭地接口指標可視化管理技術、箭地一體化測試設計與試驗技術、箭地氣液電接口一體化設計與驗證技術等研究，推進實現發射區設施設備一體化、智能化，箭地接口統一實現自動脫落，解決箭地接口種類眾多、脫落形式多樣的問題，有效提高測試發射效率。

3.3 航天發射智能化保障技術

隨著機器人技術、復雜網絡技術和人工智能控制技術的不斷成熟，開展基于智能控制的地面保障機器人集群研究，突破低溫推進劑泄漏智能識別、巡檢，發射場智能操作機械臂研制，基于云服務器的遠程數據交互等技術，大量減少場區保障人員，提高人因可靠性，實現測試、加注、供氣等勤務保障工作滿足航天發射智能化保障要求。

3.4 智能化快速測發控技術

開展緊湊型測控功能優化配置技術、總線竊聽信息監控技術、模型和數據驅動的地面實時測試信息處理與故障定位技術等研究。實現智能人機界面設計、全過程數據處理與閉環分析、實時數據判讀、狀態檢測與故障定位能力，實現一鍵測發控、快速、智能數據判讀、全自動測發流程，推動測試發射由信息化向智慧化發展[12-13]。

3.5 天地協同高性能人工智能計算技術

發射場云端，研制基于國產芯片的分區多態架構的專用服務器，可處理全系統的人工智能流程；研制高性能人工智能計算平臺，構建關鍵模型、編程框架、核心架構、處理芯片的自主生態，智能軟件與智能硬件的協同模式。運載火箭端，研制基于國產芯片和智能加速卡的智能計算系統，支持感知、學習、決策、推理4類智能，實現對控制環路的有效加速[14]。

3.6 3殘骸落區自主可控技術

開展火箭殘骸自主可控降落技術、無動力氣動控制技術、天基/地基測量觀測技術、故障模式自主航跡規劃優化技術等研究[15]，形成殘骸精準控制能力、落點實時精準預報能力，推動航天發射向高安全、高智慧化發展。

3.7 數字化發射場技術

通過應用虛擬現實VR、增強現實AR等技術，構建數字發射場，實現火箭、航天器與發射場系統接口、操作、測發流程的快速設計、仿真、試驗，甚至替代部分實物合練，節省任務周期和費用，提高發射場測發效率。

4 智慧發射場發展目標與途徑

4.1 發展目標

以建設測試簡易化、設施模塊化、保障智能化、發射集成化的智慧發射場為發展目標[15-16]，不斷提升發射安全,降低發射成本,提高發射效率，長遠推進世界一流先進航天發射系統建設。

4.1.1 測試簡易化

建立火箭全程在線健康狀態監測系統，對火箭出廠后運輸、進場、裝配、轉運、發射全程健康狀態進行在線監測，實現火箭無故障不測試；對測發控系統進行統型，建立通用火箭測發控平臺，推進衛星測試流程標準化；實現技術區只進行加裝火工品、充氣、姿控和衛星加注等，發射區進行地面箭地接口連接、火箭加注、發射，達到測試操作流程的極簡化。

4.1.2 設施模塊化

簡化發射設施，推進無塔發射，并通過模塊化裝配構筑物等措施，實現技術區廠房設施的組合化、彈性化構建，通過輕量化導流模塊、地形自適應轉運發射車等手段，實現發射區設施的重組重構。

4.1.3 保障智能化

通過智能綜合態勢感知、智能運輸對接系統、加注機器人等研制，實現火箭對接、裝配、組裝、測試、加注等自動化；綜合運用物聯網、大數據、機器學習等技術，建立智慧發射場設施設備，實現發射區無人值守，發射任務和設施設備的智能化管控與運維等[17]。

4.1.4 發射集成化

全面實現一個工位、一套系統、一體測發，大數據、云計算等先進智能技術得到廣泛應用。實現箭地接口更加優化、規范，測發控系統設計更加先進，通用化程度不斷提高。通過發射一體化、集成化設計，研制集起豎、轉運、發射臺功能一體的集成化設備和快速大流量并行自動加注系統等，實現火箭快速發射。

4.2 發展途徑

智慧發射場遵循“能力牽引、統籌規劃、突出重點、創新發展”等原則，利用“航天發射場+智慧”“智慧航天發射場+”及“數智孿生發射+”等模式，全面提升發射場系統的信息化和智能化水平，有效提高航天測試發射效率。

1)“航天發射場+智慧”模式。在現有發射場基礎上，保證滿足現有發射任務需求的前提下，通過充分應用物聯網、云計算、大數據、新材料為代表的新技術，對現有發射場設施設備逐步進行智能化改造建設，著力提升發射綜合能力與智慧化水平。

2)“智慧航天發射場+”模式。加強頂層設計，制定智慧發射場建設策略與路線圖，以技術路線圖規劃未來一段時期內的智慧發射場關鍵技術發展。在總體規劃論證階段，即對發射場布局、發射場設施設備進行智慧化規劃、設計與構建，高起點、高標準建設。

3)“數智孿生發射+”模式。重大航天工程建設數智孿生航天發射，在論證階段完成重大工程運載火箭、航天器的全流程全鏈路的系統接口匹配地面驗證與飛行數智驗證，強化航天工程的一體化設計驗證和工程早期與中期效果評估。以重大航天工程運載火箭及航天器的智慧化發展為牽引，推動發射場的智慧化建設。

5 結論

本文通過對國外主要航天發射場的現狀與特點、國內發射場現狀和不足及未來發射場發展趨勢進行概述分析。針對目前面臨的實際形勢，從發展構想、關鍵技術、發展目標與途徑等方面，對下一代智慧發射場發展進行了探究。由于高密度航天發射任務實施及各型號火箭專用設備限制等因素的制約，智慧發射場的規劃建設仍存在諸多問題。后續，將進一步細化梳理論證總體布局、關鍵技術、建設規劃，制定清晰的發展路線圖，逐步推進下一代智慧發射場的創新發展。