固体火箭应急发射任务规划及发射流程研究*

张道昶，樊忠泽

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉,732750)

0 引言

“快速响应空间”(operationally responsive space,ORS)[1-2]是航天体系建设与应用的新概念，突破了传统空间系统的长寿命、全功能、高造价设计理念，以快速应对突发战争和处理突发危机为目标，具有短周期、主功能、低成本的特点，响应时间成为第一标准，即卫星发射需求提出后几个小时内完成发射准备、入轨几个小时甚至十几分钟内投入应用。

以美国为代表的航天强国正在积极发展以小卫星、小运载等为主的快速响应空间技术，旨在提高对突发事件的快速响应能力[3-5]。美国通过“战术星”试验，探索了快速响应航天器的关键技术，实现了按需发射和快速响应的目标，正常运行状态下能够在24 h内对全球性突发事件做出响应。国外快速响应运载器已有多种型号，涵盖多种发射方式，可在数天至数小时内快速将有效载荷送入空间，呈现出固体化、小型化趋势[6]。

我国地理环境复杂，自然灾害频发，随着经济快速发展，大型事故影响日益严重，海外利益诉求逐年增多，需关注的热点地区冲突逐步加剧，我空间系统可能受损重构，各种突发事件均需要航天器能够及时提供对地观测、区域通信、导航定位等功能，对航天器快速进入空间能力提出迫切要求[7-11]。

固体运载火箭具有简单可靠、便于运输与贮存、维护试验方便等特点，具备快速准备与机动发射能力，是实现快速进入空间的有效手段[12-14]。本文讨论了基于贮存的固体火箭发射任务模式，研究了贮存管理机制、任务规划、发射流程等关键问题，为实现固体火箭应急发射、建设空间快速响应能力提供参考。

1 基于贮存的应急发射任务模式

应急发射对时效性要求极高，可通过响应时间来衡量，即从接到任务请求到为用户提供所需空间信息服务的时间。根据文献[15]，可将应急发射的响应时间要求分为5个等级。应急发射响应等级、响应时间要求及可能的响应模式之间的对应关系见表1。

从表1可知，贮存是提高应急发射响应等级的必要手段。

依据贮存状态和响应时间，固体火箭贮存发射任务模式可分为3级。

(1) 待发值班模式

该模式的状态基线是星箭对接完毕且已转载上发射车，在发射阵地附近隐蔽待机。该模式下，星箭处于待发状态，可以在1 h内完成发射。

(2) 整体贮存模式

该模式的状态基线是星箭分别装配完毕，状态保持良好。该模式下，接到发射任务后，进行卫星扣整流罩、星箭对接、测试、转载等快速集成工作，之后机动待机，可以在1～24 h内完成发射。

(3) 分段贮存模式

该模式的状态基线是火箭各级处于分离状态，卫星平台与载荷分别贮存。该模式下，接到发射任务后，卫星、火箭进行总装、测试、快速集成工作，之后机动待机，可以在1～7 d内完成发射。

表1 应急发射响应等级、响应时间要求及可能的响应模式Table 1 Emergency response levels,response time requirements and possible response modes

2 基于目标的应急发射任务规划

2.1 任务规划内容及工作流程

基于目标的应急发射任务规划是在给定任务背景下，实现任务目标筹划、卫星轨道规划、发射任务编组、发射方案生成和任务计划生成等功能，为应急发射各级指挥决策人员提供支持。

(1) 任务目标筹划

针对灾害监测、应急救援、利益诉求等突发事件的空间区域信息支援任务，以任务意图、现有空间系统实力、情报数据为输入，开展应急发射态势研判、分析，基于目标多属性信息进行综合测算排序，明确探测目标区域。

(2) 卫星轨道规划

以卫星性能参数和目标区域为输入，进行卫星选型，开展卫星轨道计算，基于特定规则按型号维度确定各型号卫星对于探测目标区域的轨道优选方案排序，提供侦察目标区域的卫星星座及轨道参数遴选决策建议。

(3) 发射任务编组

统筹当前贮存装备情况、参试队伍能力及部署情况，确定火箭型号，开展卫星入轨可行性检查、空间碎片碰撞概率计算，划分可行空域区块，确定卫星星座组网及轨道方案及火箭发射阵地组合形成发射任务编组。

(4) 发射方案优化

根据发射任务编组，进行弹道规划，生成火箭弹道参数(诸元起算数据)，开展测控方案筹划、发射车机动筹划和保障方案筹划，生成发射方案。根据卫星星座部署计划及火箭发射能力进行波次发射计划分解，生成火箭发射卡片。

(5) 任务计划生成

根据火箭发射卡片进行参试队伍行动筹划，明确队伍部署，确定各卫星发射间隔，根据碰撞预警约束和技发阵地交通约束等筹划队伍行动计划，基于发射计划和卫星在轨运行计划规划保障资源及指导建议。同时开展火箭准备筹划，对火箭下级对接、装填转运、整装测试等进行时序规划。形成诸元数据、队伍行动时序，发射车机动路线和测控设备部署要求。

任务规划典型工作流程如图1所示。

2.2 弹道规划

应急发射任务规划的难点在于固体火箭弹道规划问题，固体火箭由于自身的特点，其弹道设计方法无法继承液体火箭和导弹的弹道设计方法。首先，固体火箭各级固体发动机一般采用耗尽关机，能量必须在飞行过程中全部耗尽，因而液体火箭通过控制关机时间实现不同任务模式下的弹道设计方法无法直接应用。其次，有效载荷入轨需要同时满足多个轨道参数约束，固体战略导弹以落点为单一终端约束的设计方法亦不适用。

2.2.1 弹道规划难点

固体火箭弹道规划主要有以下难点：

(1) 约束条件复杂

约束条件包括终端约束条件和飞行过程中的约束条件等。终端约束中，降交点地方时影响发射时间；轨道倾角影响发射点；轨道高度受限于运载能力；偏心率影响入轨点选择，对于圆轨道可以任意点入轨，椭圆轨道需选择近地点入轨，而转移轨道能节省能量，但约束问题更复杂且需要发动机多次关机与点火，只有末级采用液体推进的火箭可以采用。中间约束条件包括飞行过程动压、过载、测控等约束条件。同时，固体运载火箭的级数较多，弹道设计变量多，设计变量之间相互制约，耦合性强，故其弹道规划优化成为一类复杂的非线性问题，存在多个等式约束和不等式约束，约束条件和目标函数之间无法用明确的解析表达式表示，传统的优化算法无法最大程度上寻找到其最优解。

(2) 弹道设计能量管理难

能量管理是指在发动机工作过程中对发动机输出的能量实时有效的控制和使用，最终实现入轨要求的能量消耗策略。对于未达到运载能力极限的发射任务，均需进行能量管理，才能保证最终的入轨精度。以长征-11固体火箭为例，若三级制导律仅以三级耗尽点位置为约束，不进行能量管理，仅依靠四级动力飞行段很难实现大跨度的能量管理，因此必须从三级动力飞行段就开始实施大跨度的能量管理，消耗多余能量，满足卫星入轨要求。

(3) 诸元迭代周期长

由于优化算法很难找到最优解，需要在标准弹道设计完成后，需要人工不断调整参数，通过不断迭代获取快舟系统诸元参数，这一迭代过程具有不确定性。

2.2.2 弹道规划约束条件

弹道规划的约束条件主要包括：

(1) 任务需求

同一型运载火箭，相同的有效载荷，根据不同的任务需求，将规划出不同的弹道。包括入轨时间、轨道类型、星座组成、载荷类型等。

(2) 运载火箭本身性能

包括火箭的运载能力、制导方式、动压约束、轴向过载约束、整流罩分离分子热流约束等。

(3) 有效载荷对火箭弹道设计的要求

包括有效载荷质量、有效载荷轨道要求、有效载荷入轨姿态要求等。

(4) 地面测控约束以及航落区安全性要求等。

2.2.3 弹道规划工作流程

弹道规划的基本工作流程如图2所示。为满足应急发射响应时间要求，可针对给定任务，预先进行海量弹道规划，并将结果存入数据库。在接到任务后，选取近似规划结果，以终端约束变化为目标进行外推，再进行弹道计算验证，可以大大提高弹道规划时效性。

3 固体火箭应急发射流程

固体火箭可采用陆基、海基和空基发射，以陆基发射为例，发射方式一般有2种，一种是热发射，火箭吊装在发射车起竖支架上，发射时火箭起竖，坐落在随车发射台上，直接点火发射；另一种是冷发射，即火箭装填在发射筒内随发射车机动，发射时发射筒起竖，火箭弹射出筒，空中点火。

3.1 典型热发射火箭应急发射流程

典型热发射固体火箭应急发射流程如图3所示。

(1) 快速集成阶段

快速集成阶段主要工作包括：火箭系统总检查测试、火箭转移至星箭对接厅、星箭对接、扣整流罩、星箭组合体转移至测试厅、星箭联合检查、转载上发射车。快速集成工作一般可在9 h内完成。

(2) 机动待机阶段

机动待机阶段主要工作是：机动编组、机动行进、预定点待命、设备检测。为避免意外突防事件影响发射时间，通常会提前到达发射点或其附近待命。

(3) 应急发射阶段

应急发射阶段的主要工作是：状态准备、射前检查、卫星测试、起竖、瞄准、诸元装订、点火起飞。应急发射一般可在4 h内完成；若不进行卫星测试，可在2 h内完成；若采用自主定位定向技术，可在1 h内完成。

3.2 典型冷发射火箭应急发射流程

典型冷发射固体火箭应急发射流程如图4所示。

(1) 快速集成阶段

快速集成阶段的主要工作包括：火箭系统总检查测试、火箭转移至装填厅、火箭装填进发射筒、初容室总装(即弹射动力装置总装)、火箭转移至星箭对接厅、星箭对接、扣整流罩、星箭组合体转移至测试厅、星箭联合检查、转载上发射车。快速集成工作一般可在12 h内完成。

(2) 机动待机阶段

机动待机阶段主要工作与热发射固体火箭基本相同。

(3) 应急发射阶段

应急发射阶段的主要工作是：状态准备、射前检查、卫星测试、瞄准、诸元装订、起竖、点火弹射、空中点火飞行。应急发射一般可在4 h内完成；若不进行卫星测试，可在2 h内完成；若采用自主定位定向技术，可在1 h内完成。

4 应急发射任务效果评估

由于航天发射的高成本、低库存、要求高等特殊性，快速评估航天应急发射的一个重要环节。为实现应急发射任务的快速效果评估，需建立自动化快速评估系统，该系统能够实时收集各项参数数据，通过多种评估方法，必要的情况下参考内设数据库，快速有效完成对评估结果的分析、整理，生产评估报告。

自动化快速评估系统的工作流程如图5所示。

(1) 指标选取

选取出候选指标，而后可对候选指标进行相干性分析、主成分分析，通过筛选和变换获得满足要求的指标集合。

(2) 构造指标体系

为指标设定层级并建立指标间的依赖关系，并对不宜直接度量的指标进行分解。最终建立起由效能指标和性能指标构成的指标体系。

(3) 创建评估方案

评估方案是对同一类型的评估对象进行评估的依据。评估方案由指标体系和各个指标的单一评估方案组成。每个指标的单一评估方案是一个由输入指标、输出指标、样本数据、各类评估方法组成的计算流程。

(4) 选取/创建评估算法

评估算法库提供AHP，模糊综合评估法，灰色白化权函数聚类，TOPSIS，DEA，ADC等典型评估算法。创建评估流程时可以从系统提供的评估算法库中直接选取，也可通过公式、脚本语言、算法插件等3种方式对现有评估方法库进行扩展，构造出满足需求的评估方法。

(5) 评估数据采集与处理

评估样本数据包括测试数据，地基测控数据，天基测控数据，并可与Oracle，SQLServer，MySQL，MongoDB等多种数据库适配。

(6) 创建评估任务

评估任务是在已建立评估方案的基础上，针对若干明确的评估对象进行的一次具体评估活动。评估任务使用的数据来自数据预处理模块从各数据源获得的数据。

(7) 执行评估任务

按照评估方案自底向上逐层计算，获得指标体系中所有指标关于每一个评估对象的评估结果。

(8) 查看评估结果

在评估任务正确执行后，能够通过多种可视化手段，查看各评估对象各指标的评估结果。

(9) 生成评估报告

评估报告中包含指标体系、评估方案、评估结果等信息。评估报告采用文字、图表显示各类信息。

5 结束语

针对灾害监测、热点冲突监视、区域信息增强、空间系统补网重构等突发事件的空间需求，对固体运载火箭和卫星进行值班贮存，基于综合成本评估对贮存产品实行滚动更替，并通过贮存环境控制和健康管理确保火箭卫星状态完好，可以实现成本最优。接到发射任务后，进行任务规划，并按照应急发射流程组织实施应急发射并确保卫星入轨，能够及时为突发事件提供空间信息支援。