大型低溫液體火箭“零窗口”發(fā)射技術

鐘文安，李智斌，廖國瑞，黃 兵，張樹杰

(1. 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，文昌 571300；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天運載工具是一個國家進入空間的主要手段，是和平利用空間的基本條件和前提。“火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大”，運載火箭的使命就是要把有效載荷準確送入“舞臺”的預定位置[1]。受限于火箭自身的運載能力、地球自轉(zhuǎn)的客觀條件、風雨雷電等環(huán)境約束以及有效載荷的特殊要求，運載火箭始終將“零窗口”發(fā)射作為系統(tǒng)方案設計和測試發(fā)射流程制定的重要目標。所謂“零窗口”發(fā)射是指運載火箭在完成發(fā)射準備階段的所有工作后的實際點火時間與預先確定的點火時間分秒不差。

運載火箭的組成系統(tǒng)多，各系統(tǒng)耦合關聯(lián)程度大，射前測試發(fā)射流程復雜，制約實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射目標的不確定性因素貫穿整個發(fā)射流程。尤其對于大型低溫液體運載火箭，想要實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射難上加難。首先，低溫液體運載火箭加注發(fā)射準備階段工作項目多，尤其是低溫動力系統(tǒng)在射前要完成低溫推進劑加注、發(fā)動機預冷、貯箱增壓和氣液連接器脫落等工作，每一項工作都由若干個環(huán)節(jié)組成。環(huán)節(jié)多意味著不確定因素多，其中只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能制約運載火箭準時發(fā)射。太空發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System，SLS)在執(zhí)行阿爾忒彌斯一號(Artemis-1)任務時，就因為芯級發(fā)動機預冷異常、液氫加注連接器泄露等問題兩次推遲發(fā)射[2]。其次，低溫推進劑加注后，運載火箭的可逆性變差，一旦某個系統(tǒng)或某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，故障處置需在狹小空間、低溫、易燃易爆環(huán)境下進行，處置手段極為受限，因此故障一旦發(fā)生，運載火箭極大可能要推遲發(fā)射或中止發(fā)射。太空探索技術公司星艦(SpaceX Starship)首飛就因為射前增壓閥門被凍住而不得不中止發(fā)射流程。因此，大型低溫液體運載火箭實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射受制約的因素很多。為了實現(xiàn)這一目標，需要在最初方案設計階段就要考慮到可能出現(xiàn)的故障模式，采取適當?shù)募夹g方案盡量規(guī)避，通過能力挖潛主動拓展任務故障適應性和窗口寬度[3]，并且在發(fā)射準備階段要制定科學的測試發(fā)射流程[4]，通過技術和流程的結合共同實現(xiàn)大型低溫運載火箭“零窗口”發(fā)射。

本文首先分析了大型低溫液體運載火箭射前特點和約束，然后針對實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射的技術方案、發(fā)射窗口主動拓展技術和測試發(fā)射策略進行分析總結，對全面提升我國航天發(fā)射能力、適應未來航天發(fā)展需求具有十分重要的意義。

1 大型低溫液體運載火箭射前特點和約束

要實現(xiàn)大型低溫液體運載火箭“零窗口”發(fā)射目標，要先分析大型低溫液體運載火箭“零窗口”發(fā)射有哪些特點和受哪些因素制約，從而有針對性地制定技術方案和測試發(fā)射流程。

1.1 射前流程制約因素

射前進入加注發(fā)射流程后要順序完成低溫推進劑加注、發(fā)動機預冷、射前增壓和氣液連接器脫落等工作，主要有以下3個方面的特點：

1)各系統(tǒng)間、同一系統(tǒng)各模塊間的指揮操作與口令交互密集，一旦出現(xiàn)故障需并行開展正常測發(fā)動作和故障應急處置，指揮操作難度大。

2)各系統(tǒng)工作環(huán)環(huán)相扣、緊密關聯(lián)、耦合復雜，相互制約，一旦某系統(tǒng)出現(xiàn)故障必然影響其他系統(tǒng)正常動作的執(zhí)行。且受低溫環(huán)境和狹小空間限制，故障處置時間和手段受限，不利于“零窗口”發(fā)射目標的實現(xiàn)。

3)射前關鍵動作臨近點火時刻，如關閉加注閥、貯箱增壓和氣液連接器脫落等。故障發(fā)生的時刻越靠近點火時刻，應急處置越緊張，甚至沒有時間進行應急處置，很有可能錯過發(fā)射窗口。

1.2 地面設備設施制約因素

液體運載火箭加注發(fā)射離不開地面設備設施的支撐保障。為保障“零窗口”發(fā)射，設備設施可靠性起著決定性作用。加注發(fā)射作為測試發(fā)射的關鍵時段和關鍵節(jié)點，有著不同于分系統(tǒng)、總檢查等測試時段的特點，出現(xiàn)故障后不僅影響測試發(fā)射流程的順利進行，甚至會出現(xiàn)低溫推進劑泄漏、壓力容器超壓等重大安全風險。隨著高密度任務常態(tài)化進行，地面設備設施的運行負荷大幅度增加，其可靠性直接制約任務保障能力，需要重點關注。

1.3 發(fā)射氣象條件制約因素

在世界各國的航天發(fā)射過程中，都要嚴格遵守“火箭發(fā)射天氣標準”的規(guī)則。這套規(guī)則規(guī)定了“對發(fā)射場區(qū)雷電、降水、淺層風和高空風”的指標要求，發(fā)射時不滿足任何一條就必須推遲火箭的發(fā)射[5]。氣象條件最惡劣的文昌航天發(fā)射場位于海南省文昌地區(qū)，此地為熱帶海洋性季風氣候，發(fā)射場區(qū)多雷電、局地短時強降水、淺層風、高空風風向多變等天氣現(xiàn)象，天氣復雜難報。若場區(qū)氣象保障不力，天氣預報不準確，會給射前流程帶來重大影響，妨礙“零窗口”發(fā)射目標的實現(xiàn)。SpaceX“獵鷹”火箭就多次因為天氣原因而推遲發(fā)射。

1.4 組織指揮制約因素

組織指揮涵蓋射前全過程，正確的組織指揮是確保“零窗口”發(fā)射的關鍵[6]。進入射前流程后，組織指揮需統(tǒng)籌各分系統(tǒng)按階段完成相應工作，因程序復雜、動作多、可靠性要求高的特點，各分系統(tǒng)、各產(chǎn)品設備的工作時段及相互之間的配合都有嚴格要求，如果稍有誤差就會造成大系統(tǒng)的工作紊亂。射前流程如遇故障，可供決策討論的時間很短，故障發(fā)生后各系統(tǒng)、各崗位人員還需協(xié)同配合、準確操作，使應急處置的過程更加高效順暢。

2 “零窗口”發(fā)射技術方案

為最大限度適應大型低溫液體運載火箭射前約束條件，首先需要選取恰當?shù)募夹g方案。對大型低溫運載火箭來說，低溫動力系統(tǒng)最為復雜，在發(fā)射日需要完成的準備工作最多，因此低溫動力系統(tǒng)技術方案選取至關重要。低溫動力系統(tǒng)在射前的工作重點是完成低溫推進劑加注和發(fā)動機系統(tǒng)預冷。除箭上系統(tǒng)需要高可靠工作外，同時需要地面設備設施的配合，主要包括連接器、配氣臺和地面加注設備等。這些地面設備設施通過箭地之間的接口實現(xiàn)對火箭的發(fā)射支持。針對此特點，實現(xiàn)大型低溫運載火箭“零窗口”發(fā)射技術需要著重解決低溫動力系統(tǒng)的預冷技術、高可靠箭地低溫管路涌泉抑制技術、統(tǒng)一供配氣與零秒脫落連接器技術、配氣臺冗余技術和地面加注技術。

2.1 低溫動力系統(tǒng)預冷技術

為了保證低溫發(fā)動機的正常啟動，在點火前需要對發(fā)動機進行充分預冷[7]。低溫發(fā)動機的預冷方式直接決定了火箭射前操作程序和箭地接口的復雜性。目前，國內(nèi)外低溫發(fā)動機常用的預冷方式有浸泡預冷、排放預冷、循環(huán)預冷[8-9]。通過綜合比較發(fā)現(xiàn)，循環(huán)預冷技術方案較排放預冷技術方案箭地連接關系簡單，無需配置排放連接器和排放管路，大大簡化了箭地接口，也簡化了射前操作流程，消除了射前極易出現(xiàn)問題的連接器泄漏、脫落故障等風險。同時循環(huán)預冷是一種主動預冷方式，較浸泡預冷更容易滿足低溫發(fā)動機苛刻的預冷條件。因此，在箭上空間和系統(tǒng)復雜度可接受的條件下，采用循環(huán)預冷技術有利于實現(xiàn)大型低溫液體運載火箭“零窗口”發(fā)射。

2.2 高可靠箭地低溫管路涌泉抑制技術

大型低溫液體運載火箭往往具有大長細比輸送管，在液氧加注結束后，距離點火時刻還往往有一段停放時間。在停放過程中，箭上低溫管路和地面低溫管路相通，如果低溫管路中的液氧處于靜止不流動的狀態(tài)，盡管管路進行了外絕熱處理，仍然會有環(huán)境漏熱導致箭地低溫管路中出現(xiàn)涌泉現(xiàn)象。在涌泉的回流過程中會出現(xiàn)嚴重的水擊現(xiàn)象，出現(xiàn)壓力波動并產(chǎn)生巨大的壓力峰[10]。大型低溫液體火箭射前加注階段壓力曲線如圖1所示(以點火時刻為0 s)，P1yh1、P1yh2為推進劑輸送管路壓力，P1yhl1、P1yhl2為導管壓力，P1ybo1、P1ybo2為泵腔壓力，P1yjx為活門壓力。該壓力峰值可能造成推進劑輸送管路、導管、泵腔和活門支架的損壞。為了確保運載火箭的發(fā)射可靠性，需要在設計之初就考慮采用涌泉抑制技術，避免出現(xiàn)壓力沖擊。常用的涌泉抑制技術有氦氣鼓泡、自動補加、循環(huán)回流、內(nèi)外管輸送和主動排放等[11]，具體采用哪種涌泉抑制技術需要綜合考慮系統(tǒng)規(guī)模和可靠性、射前操作復雜度以及流程可行性等。通常大型低溫火箭輸送系統(tǒng)的涌泉抑制技術可結合發(fā)動機預冷技術和推進劑管理技術統(tǒng)籌考慮。對于箭上輸送管路漏熱導致的涌泉，如果火箭采用了循環(huán)預冷技術，可以采用循環(huán)回流實現(xiàn)涌泉抑制。對于地面加注管路漏熱導致的涌泉，可以借助地面加注管路的排放管路，采用主動排放的涌泉抑制技術。

圖1 壓力波動箭上壓力和溫度曲線Fig.1 Pressure and temperature curves of rocket pressure fluctuation

2.3 統(tǒng)一供配氣和零秒脫落連接器技術

大型低溫液體運載火箭往往由多個模塊構成，每個模塊的低溫動力系統(tǒng)在射前加注準備階段都需要發(fā)射支持系統(tǒng)供氣，以完成低溫動力系統(tǒng)的吹除和氣封等工作。供配氣介質(zhì)種類多、壓力等級要求嚴、流量溫度要求高，供氣流程復雜。如果每一個模塊都采用單獨供氣方案，則每一個模塊都至少需要一個供氣連接器和一個地面配氣臺，這會大大增加箭地接口的數(shù)量和地面供配氣系統(tǒng)的設計難度，增加射前脫落供氣連接器的風險，影響火箭“零窗口”發(fā)射可靠性。如果在不同模塊間實現(xiàn)統(tǒng)一供配氣技術[12]，即在基礎級模塊上設置一個供氣連接器，再由基礎級模塊為其他模塊供配氣，則可實現(xiàn)一個地面配氣臺、一個供氣連接器、一個箭地接口、一次射前脫落，極大簡化箭地接口和射前操作流程。

在運載火箭點火起飛前，供氣連接器需要可靠脫落，確保火箭安全起飛。通常在臨近點火時刻進行低溫貯箱的增壓，低溫推進劑與氣枕之間溫差大、換熱劇烈，一次增壓后氣枕壓力由于換熱會快速下降，并隨著時間的延長，氣枕壓力越來越低，導致不能滿足低溫發(fā)動機的啟動要求和低溫貯箱的載荷要求。因此，為了提高任務適應能力，貯箱增壓路的供氣需要一直保持，具備時刻對低溫貯箱補壓的能力，確保點火時刻貯箱氣枕壓力能夠滿足低溫發(fā)動機的啟動要求。這需要采用零秒脫落連接器技術[13]，最大限度延長供氣時間，提高火箭“零窗口”發(fā)射可靠性。圖2為大型低溫液體火箭的中心球鎖零秒脫落連接器，該連接器通過支架安裝在火箭支撐臂上。火箭起飛時，拉索控制連接器脫落，限位索作為備保手段提高零秒連接器脫落可靠性。

(a)氣管連接器

2.4 配氣臺冗余控制技術

大型低溫液體運載火箭的動力系統(tǒng)對地面供配氣系統(tǒng)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)供氣項目種類多、指標精度高

低溫動力系統(tǒng)的復雜性導致了地面供氣項目的種類多，而且針對供氣指標有較高的精度要求，因此在配氣系統(tǒng)中關鍵產(chǎn)品配氣臺的設計需要考慮上述要求，并實現(xiàn)此基本功能。

(2)實時供氣的高可靠性

低溫液體火箭射前流程可逆性較差，一旦開始低溫推進劑加注后，對供配氣往往需要持續(xù)實時供氣，一旦因為故障中斷供氣，會產(chǎn)生推進劑泄漏、閥門凍結等故障，導致產(chǎn)品失效，甚至威脅發(fā)射場設備及人員的安全，因此必須確保配氣臺實時供氣的可靠性。

(3)無人值守情況下對供氣故障的快速修復能力

運載火箭的配氣臺具備遠程測試、發(fā)射和控制能力，即在人員撤離后直到火箭點火發(fā)射，具備遠控的功能。在無人值守情況下，如何快速識別故障現(xiàn)象、定位故障問題、查找故障原因并及時排除故障就成為整個供配氣系統(tǒng)設計的實施要求。

因此配氣臺有必要采用冗余控制方案，在實現(xiàn)基本功能的前提下，提高實時供氣的可靠性，增強無人值守情況下對故障的應對能力，確保滿足大型低溫液體火箭“零窗口”發(fā)射的供氣可靠性。

2.5 地面加注技術

低溫推進劑加注是液體運載火箭射前發(fā)射流程組織的關鍵環(huán)節(jié)，地面加注技術對射前流程時間、運載火箭及發(fā)射臺安全、箭體結構載荷、射前供氣、供液及供電消耗、箭上地面設備可靠性等均有重要影響[14-15]。低溫推進劑易相變消耗，往往將推進劑加注操作置于火箭發(fā)射日，且盡量臨近發(fā)射時刻，一旦加注系統(tǒng)出現(xiàn)故障，直接影響射前流程的順利進行，因此“零窗口”發(fā)射要求對低溫加注系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求[16]。此外，為了保證低溫發(fā)動機的可靠工作和性能，貯箱內(nèi)低溫推進劑的溫度必須滿足一定的要求，而貯箱內(nèi)的推進劑溫度實際受到加注過程和停放時間的顯著影響。如果采用全過冷加注技術，則加注結束后不需要停放過程，即可滿足發(fā)動機對低溫推進劑溫度的要求，可以大大縮短射前流程時間，減少人力資源需求，有利于規(guī)避沿海發(fā)射場多變的不利氣象條件，提高運載火箭發(fā)射可靠性。

3 發(fā)射窗口主動拓展技術

為了給一些射前突發(fā)故障(尤其是臨近點火時刻出現(xiàn)的故障)留有處置時間，大型低溫液體運載火箭在發(fā)射準備階段完成所有工作之后，往往會留有一定的推遲發(fā)射能力，即火箭各系統(tǒng)能夠保持發(fā)射準備狀態(tài)一段時間而不需要進行任何處置，以保證運載火箭能夠隨時進入點火程序。受低溫推進劑的熱力學性能以及火箭本身各設備設施的能力約束，一般能適應的推遲時間為幾分鐘到十幾分鐘。超過這個時間，運載火箭受限制的系統(tǒng)必須要先進行逆流程，退回到之前的某個狀態(tài)后再重新進入正流程。對于“零窗口”發(fā)射任務，不再需要運載火箭的推遲發(fā)射能力，可以對這部分原本用于推遲發(fā)射的能力進行挖潛，提前用到正常發(fā)射流程中，以增加正常發(fā)射流程中故障處置時間，等效將發(fā)射窗口進行拓展。

在理想情況下，運載火箭在指定時刻起飛，按照事先設計的標準飛行彈道即可滿足入軌要求。但是由于各種偏差因素的存在，運載火箭并不一定能在指定時刻起飛，飛行中各種干擾也是未知的，所以飛行時長也未知，單純的攝動制導難以適應任務要求，需要采用迭代制導技術。迭代制導是以最優(yōu)控制原理為基礎，通過在線計算入軌點，解析計算出飛行程序角[17-18]，調(diào)整飛行軌跡，換取在飛行過程中各種偏差因素下仍能精確入軌的能力。因此，可以應用迭代制導技術，通過火箭運載能力挖潛，將“零窗口”拓展為“窄窗口”，以增加射前故障處置時間，確保任務成功。

4 “零窗口”任務測試發(fā)射策略

測試發(fā)射流程和發(fā)射場的任務保障能力也是運載火箭實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射目標的重要因素。測試發(fā)射流程是工程各系統(tǒng)在發(fā)射場開展各項工作的基本依據(jù)。優(yōu)化的測試發(fā)射流程對于縮短測試發(fā)射周期、提高應急處置能力具有重要意義[4]。發(fā)射場任務保障涉及供電、供氣、供液和氣象保障等，相關設備設施的可靠性和氣象預報的準確度直接影響運載火箭測試發(fā)射流程的進行[6]。

4.1 測發(fā)流程優(yōu)化設計

針對“零窗口”發(fā)射要求，經(jīng)過對各系統(tǒng)射前流程的充分論證，綜合考慮可靠性、操作復雜性等因素，按照“確保全面完整、堅持安全可靠、增加時間裕度、力求集約高效”原則對測發(fā)流程進行優(yōu)化設計。

1)深度挖掘各系統(tǒng)的潛力，將射前動作適當提前，尤其是將臨近點火時刻的動作提前，如有故障可盡早將故障暴露出來，為故障處置留出盡量多的時間。

2)將射前各系統(tǒng)動作解耦，不再互為前置條件，使得各系統(tǒng)都能充分利用火箭點火前的時間，降低發(fā)射日突發(fā)故障對“零窗口”發(fā)射的影響。

3)根據(jù)各系統(tǒng)射前關鍵動作，充分分析各系統(tǒng)的故障模式，制定故障處置預案，將故障處置措施規(guī)程化，將故障處置時間精細化，以便在故障出現(xiàn)時能夠準確定位、精確操作、快速處置。

4.2 提高任務保障能力

4.2.1 提高設備設施可靠性

提高運載火箭及發(fā)射場設備設施可靠性可大大降低射前故障發(fā)生率，從而減少射前風險，為確保“零窗口”發(fā)射奠定堅實基礎。一方面針對使用年限久遠、暴露問題頻次高以及影響重大的設備設施進行全面檢修及更換，達到消除射前隱患的目的；另一方面加強地面設備質(zhì)量監(jiān)管、備份設備優(yōu)化部署以及完善發(fā)射場操作使用文件等措施，確保不出質(zhì)量問題。

4.2.2 提高氣象預報準確率

為了確保“零窗口”發(fā)射，氣象系統(tǒng)首先用大數(shù)據(jù)挖掘技術準確建立大氣環(huán)境特征數(shù)據(jù)庫，盡可能避開氣象條件差的時段；其次，準確及時發(fā)布中期、短期、短時和臨近天氣預報，確保不因天氣原因影響火箭測試進程或?qū)Ξa(chǎn)品造成損壞；同時，氣象系統(tǒng)24小時全天候開展觀探測，針對發(fā)射窗口天氣迭代開展精細化滾動預報，密切監(jiān)視場區(qū)周邊天氣演變，密切關注臺風、雷暴和強降水等災害性天氣的生消演變，確保發(fā)射窗口天氣預報的準確性，為保障任務進程提供有力支持。

4.3 射前動態(tài)組織指揮

針對“零窗口”發(fā)射的嚴苛要求，就是要充分利用火箭點火前的有限時間，把“零窗口”變?yōu)椤坝写翱凇保拱l(fā)射窗口適當“放寬”，為故障處置贏得時間，提升發(fā)射場準時發(fā)射的可靠性和適應能力。基本思路即“故障系統(tǒng)應急處置、正常系統(tǒng)繼續(xù)程序、在關鍵節(jié)點對齊”，以減少發(fā)射日突發(fā)故障對“零窗口”的影響，確保射前各系統(tǒng)工作能在有限的時間段內(nèi)完成，實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射的目標。

5 結束語

大型低溫液體運載火箭由于組成系統(tǒng)多、各系統(tǒng)耦合關聯(lián)程度大、射前測發(fā)流程復雜，實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射有著更高技術含量和更大難度。本文基于大型低溫運載火箭的系統(tǒng)特點和測試發(fā)射約束條件，提出了實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射的技術方案，并通過發(fā)射窗口主動拓展技術，再輔以科學的測試發(fā)射策略，以技術和流程的結合共同實現(xiàn)大型低溫液體運載火箭“零窗口”發(fā)射目標。