三种常用火箭测发模式下发射支持系统设备需求研究

崔 浏，郭金刚，范 虹，王明华

（1.北京航天发射技术研究所，北京，100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

随着中国通信、导航、气象等技术的快速发展，在今后一段时间内将发射大量各种轨道航天器，对运载火箭的需求也比较旺盛。现有的运载火箭系列已经不能完全满足未来任务需求，新型运载火箭的研制需求越来越迫切[1]。

运载火箭的测试发射模式（以下简称“测发模式”）选择是新型火箭论证的重要一环，本文从运载火箭发射支持系统的角度，针对不同的测发模式对发射支持系统设备的需求开展分析，为后续新型号火箭测发模式的论证提供参考。

1 测发模式的应用情况

1.1 测发模式种类

运载火箭的测发模式一般是指经过出厂测试、总装的运载火箭进入发射场后，在发射场技术区、发射区各工位开展组装、测试、转运、发射时所采用的方式。测发模式与火箭系统、发射场系统既相辅相成又相互制约，它直接影响火箭的技术状态、发射场的布局、配套的发射场设备和设施，最终对整个发射系统能否达到预期的技术、经济指标产生重要影响[2]。

火箭在发射场的技术准备工作主要包含产品的组装、测试、转运，通过这3个项目基本能反应火箭的技术状态、地面设施设备和发射场总体布局的特点。根据上述3个项目状态不同，进行测发模式种类划分，目前常用的测发模式有3种：“三垂”模式、“两平两垂”模式和“三平”模式[3]。

1.2 “三垂”测发模式

“三垂”即垂直组装、垂直测试、垂直运输，典型流程为：发射场技术区开展箭体的组装、测试后垂直转场，转场过程中保持箭地连接状态与测试状态不变，确保在发射区可以不测试或简单测试即可进入发射程序。

国内外采用此测发模式的型号有CZ-2F、土星V、航天飞机、宇宙神5、阿里安V、H-II等。

1.3 “两平两垂”测发模式

“两平两垂”即水平测试、水平运输、垂直组装、垂直测试，典型流程为：发射场技术区开展简单测试后水平转场，发射阵地利用勤务塔上的塔吊将各级箭体和星罩组合体对接到发射台上，经过测试后进入发射程序。

随着测试技术的不断发展，在此模式中，有些型号技术区的测试工作越来越少，最终目标为取消在技术区的测试工作，直接将箭体运到发射区进行组装、测试工作，因此，在一些文献中，也将这种模式称为“一平两垂”测发模式。

国内外采用此测发模式的型号有长征2C系列、长征3A系列、长征4系列等。

1.4 “三平”测发模式

“三平”即水平组装、水平测试、水平运输，典型流程为：发射场技术区开展水平组装、水平测试后，水平运输到发射阵地，整体起竖后开展简单测试或不测试直接进入发射程序。

国内外采用此测发模式的型号有长征6、长征11、能源号、质子号、安加拉、联盟号、法尔肯9和天顶号海射火箭等。

2 三种测发模式下的发射支持系统配套

运载火箭发射支持系统是发射火箭使用的各种专用设备和设施的总称，用于支持和保障火箭发射以及进行各类飞行试验。包含发射系统、喷水系统、加注系统、供气系统、测控系统、瞄准系统、运输系统、吊装辅助设备以及发射场内保障厂房、设施等。

本次主要分析不同测发模式下的配套设备和设施，主要针对测控模式高度相关的系统开展分析，对其它系统如加注系统、瞄准系统、运输系统、吊装系统不作分析。另外，不同的火箭构型配套会有一定的区别，但对分析结果影响不大，为了便于分析，下文以某型号火箭为对象开展配套研究。

2.1 “三垂”模式下的配套

“三垂”模式下的发射支持系统相关配套及主要功能如下：

a）活动发射平台：支撑臂、台板机构，用于箭体支撑、调平以及燃气流排导；脐带塔、摆杆机构，用于支撑箭体加注、供气、空调连接器，并能在起飞前快速摆开，让出火箭起飞安全距离；转换装置、行走装置，用于活动发射平台状态转换及转场行走；空调机组，用于保障转场过程中整流罩内温湿度环境；前置设备间，用于安装测发控设备，保障技术区和发射区的测试采用同一套设备；供配电系统、防雷接地、减振隔噪设备，用于保障前置设备间内测发控设备的使用环境。

b）喷水设备：一级喷水机构、二级喷水机构、测控系统等，用于降低火箭发射时活动发射平台上的温度和噪声，保障活动发射平台安全及前置设备间测发控设备环境。

c）供气设备：动力配气台、连接器配气台及其供气管路，用于保障箭上供气和连接器供气需求，供气设备放置在活动发射平台前置设备间内，技术区和发射区共用一套设备。

d）测控设备：测控机柜、测量传感器、电缆网等，用于动力及连接器配气台等设备的测控及信号反馈，测控设备放置在活动发射平台前置设备间内，技术区和发射区共用一套设备。

e）垂直厂房：高大的整体结构，满足箭体垂直组装的空间要求；吊装设备，用于箭体组装时的吊装工作；多层操作平台，满足箭体检查、测试操作需求；供气、供电设备，用于保障箭体测试需求。

f）固定勤务塔：回转及升降操作平台，满足箭体检查、测试操作需求；空调设备，保障转场后整流罩及前置设备间内温湿度环境；各类测试间，用于放置测试设备；顶部设有水箱，用于喷水系统供水。

g）转运轨道：能够承载活动发射平台，使活动发射平台在技术区和发射区之间进行转移。

2.2 “两平两垂”模式下的配套

“两平两垂”模式下的发射支持系统相关配套及主要功能如下：

a）发射台：支撑臂、台板机构，用于箭体支撑、调平以及燃气流排导。

b）转运车：运输车、运输托座、系固机构等产品，用于完成箭体支撑、系固以及技术区与发射区之间的运输。

c）喷水设备：一级喷水机构、二级喷水机构、测控系统等，用于降低火箭发射时活动发射平台上的温度和噪声，保障活动发射平台安全，和“三垂”模式下相比，原理相同，但由于发射台规模小，且没有前置设备间，防护简单，系统规模可以大幅度降低。

d）供气设备：发射区供气设备功能、原理、规模和“三垂”模式下基本相同，但由于技术区也要测试，因此，技术区还需配套简易测试设备。

e）测控设备：发射区测控设备功能、原理、规模和“三垂”模式下基本相同，技术区也同样需要配套简易测试设备。

f）水平厂房：吊装设备，用于箭体装卸车时的吊装工作；设有供气、供电设备，用于保障箭体简单测试需求。

g）固定勤务塔：吊装设备，满足箭体垂直组装的要求；设有回转及升降操作平台，满足箭体检查、测试操作需求；设有摆杆机构，用于支撑箭体加注、供气、空调连接器，并能在起飞前快速摆开，让出火箭起飞安全距离；设有空调设备，保障转场后整流罩及前置设备间内温湿度环境；设有各类测试间，用于放置测试设备；顶部设有水箱，用于喷水系统供水具有箭体与发射台对接用吊车设备，相对“三垂”模式，增加了吊装、摆杆设备。

2.3 “三平”模式下的配套

“三平”模式下的发射支持系统配套及功能如下：

a）发射台：支撑臂、台板机构，用于箭体支撑、调平以及燃气流排导，功能、原理、规模和“两平两垂”模式下基本相同。

b）转运车：运输车、对接装置、空调设备等产品，用于完成与起竖托架的对接、技术区与发射区之间的运输以及运输过程中整流罩内的空调保障，相对“两平两垂”模式，一个为整箭运输，一个为单模块运输，整体规模要大幅度增加。

c）起竖托架：具有支撑、调平功能，满足箭体水平对接的要求；起竖对接装置，用于在发射区将箭体从水平状态起竖到垂直状态，并与发射台对接；抱箭机构，用于转运、起竖过程中锁紧箭体，防止出现箭体滑动；摆杆，用于支撑箭体加注、供气、空调连接器，并能在起飞前快速摆开，让出火箭起飞安全距离；为加注、供气、空调管路以及测控电缆提供布局空间。

d）喷水设备：一级喷水机构、二级喷水机构、测控系统等，用于降低火箭发射时发射台上的温度和噪声，保障活动发射平台安全，功能、原理、规模和“两平两垂”模式下基本相同。

e）供气设备：供气设备功能、原理、规模和“三垂”模式下基本相同，但由于技术区也要测试，技术区和发射区都需设有一套完整设备。

f）测控设备：测控设备功能、原理、规模和“三垂”模式下基本相同，但由于技术区也要测试，技术区和发射区都需设有一套完整设备。

g）水平厂房：内部空间要有足够的长度，满足箭体水平组装的空间要求；吊装设备，用于箭体水平组装的吊装工作；供气、供电设备，用于保障箭体测试需求。

h）简易勤务塔：各类测试间，用于放置测试设备；空调设备，保障转场后整流罩及前置设备间内温湿度环境；顶部设有水箱，用于喷水系统供水。

2.4 关于配套的几点说明

上述配套是立足发射支持系统总体配套简单、易操作思路下给出的，有些系统还会有其它配套方案。

a）在“三平”测发模式下，供气设备和测发控设备在技术区及发射区都进行了配套，没采用一套移动设备方案，是因为供气设备数量多，尺寸大，如某型号配套的4 m×0.8 m×1.8 m尺寸的配气台有6个，其余还有小配气台、配气箱若干，无论是采用集装箱车载方案或集成到转运车上，带来的设计和操作难度都比较大；

b）在“两平两垂”测发模式下，勤务塔上设置了摆杆设备，没有在发射台上设置脐带塔、摆杆设备，是因为在固定勤务塔存在的情况下，摆杆设置在固定勤务塔比设置在脐带塔总体配套优化；

c）在“两平两垂”测发模式下，固定勤务塔设有箭体吊装功能，此处没有选择西昌2号工位的移动勤务塔方案，因为移动勤务塔尺寸大、造价高，使用和维护也不方便，若考虑勤务塔上设置吊车困难，也可以考虑采用汽车吊方案。

3 不同测发模式下配套对比分析

3.1 技术难度

a）3种测发模式都有成熟应用，只是“三平”测发模式在中国只有长征6、长征11使用，但由于火箭规模相对较小，在技术上只能部分借鉴。

b）“三垂”模式下，活动发射平台具有支撑、调平、排导燃气流、支撑连接器、状态转换、行走、防护前置测发控设备以及转场过程中的空调保障等功能，功能多、系统复杂，技术难度大，“三平”和“两平两垂”模式下，发射台功能简单，规模小，技术难度一般。

c）“三平”模式下，起竖托架集支撑、调平、起竖、对接、锁紧、支撑连接器等功能于一身，且考虑到转运、起竖等工况，外形尺寸和重量都要进行一定的限制，中国无成熟经验可以借鉴，技术难度非常大。

d）“三平”模式下转运车功能多、规模大、负载重，相对技术难度大，“两平两垂”模式下技术难度次之，“三垂”模式下转运功能属于活动发射平台。

e）“三垂”模式下，活动发射平台重量大，转移轨道相对技术难度最大，“三平”模式下难度次之，“两平两垂”模式下，箭体单模块运输，难度最小。

f）喷水、供气、测控等系统在3种模式下，技术难度基本相当，只是不同的模式下，配套数量和放置空间要求略有不同。

g）“三垂”模式下的组装厂房（含垂直厂房、水平厂房）非常高，且要满足测试用操作平台、供气、供电等需求，最复杂，难度最大；“三平”模式下满足测试用供气、供电等需求，难度次之；“两平两垂”模式下技术厂房内只有简单测试，难度最低。

h）“两平两垂”模式下的勤务塔包含吊车、摆杆、操作平台、水箱、测试房间等，难度最大；“三垂”模式下相对“两平两垂”模式，减少了吊车、摆杆设备，难度次之；“三平”模式下勤务塔只有水箱和设备房间，难度最低。

对上述分析列表对比，见表1。

表1 技术难度对比分析Tab.1 Technical Difficulty Contrast Analysis Table

3.2 测发流程

a）地面设备恢复阶段。“两平两垂”模式下设备在发射区可以全面测试，各系统可并行开展，测试时间最短，“三垂”和“三平”模式下，需要在技术区和发射区分别开展测试，如“三垂”模式下，活动发射平台的驱动系统需要转场过程中测试，喷水系统和加注系统的全系统测试需要活动发射平台转移到发射工位才能开展，“三平”模式下起竖装置的测试也只能在发射区才能开展，因此，此两种模式下，设备恢复时间较长。

b）火箭的组装阶段。3种模式流程时间和操作难度相当，“两平两垂”模式下，需要将箭体从技术区运输到发射区进行吊装，但由于箭体安装过程中，其余箭体模块可以运输，并行开展工作，因此对整个流程时间影响不大；

c）火箭测试，含单元测试、分系统测试、总检查、一直到进入到发射日程序前的测试阶段。“两平两垂”模式下箭体状态没有变化，除测试需求外，设备不需要断开，因此测试时间最短；“三垂”模式下，转场过程中虽然大部分箭地接口保持不变，但加注管路、供气管路、供电电缆需要重新连接，连接后管路需要置换、检查，测试时间次之；“三平”模式下，转场过程中虽然也能保持大部分箭地接口不变，但有些功能如连接器的脱落、摆杆摆开在技术区测试不充分，且同样存在连接后加注、供气管路需要置换、检查工作，测试时间最长。

d）转场，含转场及转场后状态转换。“三垂”和“三平”模式下，转场后需要状态转换，同时需要连接加注管路、供气管路、喷水管路、空调管路、供电电缆等设备，需要一定的时间，而“两平两垂”模式下，箭体的转场合并到总装时间内，转场时间不计。

e）发射流程。从发射日开始进入程序到火箭点火起飞，此流程主要和火箭相关，不同的测发模式下时间基本相同。

f）撤收流程。“三垂”模式下，需要驱动系统检查、前置设备间检查，断开加注管路、供气管路、喷水管路、空调管路、供电电缆等设备，状态转换后转运到技术厂房内，用时最长；“三平”模式下，也需要断开上述设备，状态转换后转运到技术厂房内，用时次之；而“两平两垂”模式下，只需要对发射台进行简单检查和防护即可，用时最短。

对上述分析列表对比，见表2。

表2 测发流程用时对比分析Tab.2 Time-consuming Comparative Analysis Table for Test-launch Process

3.3 经济性

同种产品的经济性主要同设备复杂程度和配套数量相关，此处根据配套设备功能结合目前设备价格体系，形成各设备经济性对比表，见表3。

表3 经济性对比分析（费用高低对比）Tab.3 Economic Comparative Analysis Table(Cost Comparison)

3.4 小 结

在相同的外界环境下，对上述结果进行综合分析，可以看出：

a）无论是从技术难度、测试流程，还是从经济上分析，“两平两垂”模式都有一些优势，但此模式下，发射区占位时间长、测试环境相对恶劣，对海南环境适应能力差，且勤务塔功能复杂、规模大，建设和维护成本较高；

b）“三垂”模式下测发控设备放置在活动发射平台前置设备间内，技术区和发射区可以共用一套设备，转场过程中保持箭地接口不变，可以极大地减少发射区占位时间，但此模式下活动发射平台系统极其复杂，且要有高大的垂直厂房、转移轨道、勤务塔，整体成本高；

c）“三平”模式下不需要高大的垂直厂房和复杂的勤务塔，转场过程中也能保持箭地接口不变，缩短发射区的占位时间，但此模式中，在当前的火箭技术状态条件下，技术区测试不能完全覆盖发射工况，且需要开展箭体水平组装、箭体整体转运精确对中起竖、集成摆杆功能的起竖托架设计等关键技术的研究，关键技术多。

4 结论

上述分析是在发射支持系统的角度上进行的，若考虑到火箭和有效载荷技术状态、高密度发射等条件下，可能会有不同的结论，如：

a）在海南环境下，若箭体模块多，火箭侧壁加注、供气、脱插等箭地接口多，需要脐带塔和摆杆来支撑，“三垂”模式相对有优势，随着箭体总体技术进步，后续构型若箭体模块少，箭地接口也少，起竖托架的技术难度会大幅度降低，“三平”模式的优势会逐渐凸显出来；

b）目前中国有效载荷多按垂直状态设计，有些会不适应水平转场状态，因此，“三平”测发模式对有效载荷的覆盖能力要弱于其它两种；

c）高密度时，“三平”模式下技术区和发射区各有一套测试设备，可以保障一发火箭在发射台上准备发射，另一发火箭可以在技术区开展测试，测发控设备配套多的劣势又会变成优势。

因此，各测发模式都有相对的优缺点，不存在最优，在测控模式的论证时，要充分考虑火箭和有效载荷技术状态、发射场位置、发射支持系统配套等关联条件后，才能设计出最为合适的测发模式。