空射运载火箭快速测试发射技术研究

张素明，白 斌

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

空射运载火箭一般由载机运输到空中，火箭采用空中发射方式，与地面发射运载火箭相比具有“机动、灵活、高效、廉价”的技术特点[1]。为了充分发挥空射运载火箭的这些技术特点，需要针对性设计其测试发射模式、发射流程、测发控设备，以及测发控信息应用手段等，以适应空基发射的特殊使用需求，实现快速、机动、廉价地发射小型卫星等有效载荷。

此外，火箭和载机的组合体从停机坪到空中发射这一活动过程要历经地面相对高温到空中低温的宽温域环境；在空中挂飞阶段还要承受振动及冲击等使用环境，这些发射方式带来的环境条件的变化也对测试发射提出了特殊要求，因此，需要针对空射运载火箭的测试发射技术开展研究[2]。

1 空射运载火箭的测试发射模式

根据火箭与载机的组合方式的不同，典型的空射运载火箭有吊挂式和内装式，其测试发射模式也存在一定的差异。

1.1 飞马座空射运载火箭测试发射模式

目前，美国轨道科学公司的飞马座是世界上唯一投入商业运营的空射型运载火箭，该火箭属于吊挂式发射模式，如图1 所示。其载机为公司基于洛克希德公司一架L-1011 型运输机改进而来，专门用作该火箭的发射载机[3]。

图1 吊挂式空射运载火箭飞马座地面测试Fig.1 Pegasus Rocket Testing on the Ground

该运载火箭的测试发射系统由机载发射支持设备和地面集成测试系统组成，如图2 所示。火箭在厂房内进行水平总装和测试，并完成与载荷的对接测试等，然后开展载机、地面集成测试系统、机载发射支持设备、运载火箭、有效载荷的匹配测试，测试结束后即具备载机起飞条件。

机载发射支持设备由运载火箭测试支持设备、空调设备、供配电设备、载荷机载测试支持设备以及相应的接口的链路组成。

整个火箭挂机飞行过程中，机载发射支持设备有操作面板，由飞机上的专人操作，用于监测关键参数，接收和执行地面发射指挥的指令。飞机和地面通过语音和数据通信链路进行连接。机载空调设备用于保持载荷的环境温度。另外，在载机外部安装了两部摄像装置，用于监控火箭状态。

飞马座火箭的遥测系统负责在地面测试过程、总检查过程、挂机飞行过程，以及飞行过程中的数据流。该下行链路直接发送到地面的同时也通过机载测试支持设备进行记录。

机载发射支持设备还为载荷提供8U 高，标准48.26 cm 宽的上架设备安装空间，该部分设备根据载荷任务的不同可以更换。

地面集成测试系统包括运载火箭集成测试设备和地面控制中心，具有地面准备阶段对火箭的测试功能，以及飞行阶段通过无线通信链路对火箭进行监控功能，能与载机实时进行通信。

图2 飞马座测试模式示意Fig.2 Pegasus Rocket Testing and Launching Mode

可见，飞马座火箭在设计时就最大程度地简化运载器和载荷的接口和操作复杂度，以及缩减发射准备时间。同时，机载发射支持设备的规模受限，只能安装小型设备，同时仅提供一个发射操作的人员位置。

1.2 平流层空射火箭系统测试发射模式

美国平流层发射系统公司建造了世界上最大的空射运载火箭系统，采用吊挂式空中发射方式，发射系统将采用双机身载机，携带火箭至9 km高空实施发射，如图3 所示。根据官方数据，该发射系统的载机可在两个机身之间的“中心翼”部分搭载227 t 的空射运载火箭，相当于该飞机能够同时承重3 发长征十一号运载火箭[4]。

载机分为左右两个机身，但只有右侧机身设置驾驶室，驾驶需要3 名飞行员协同工作，包括驾驶员、副驾驶和飞行工程师。载机左侧机身内部设置有用于放置航空支持设备（Airborne Support Equipment，ASE），包括飞行数据采集与控制设备，通信设备以及载荷支持设备等。巨大的机内空间和运载能力甚至可以安装火箭燃料加注设备等大型测发控设备，并且舱内采用加压设计，能将舱内设备的使用环境控制在类似地面设备的使用环境范围内。

为了提升发射的灵活性，降低对通信和地面设施的依赖，载机上设置了一套独立的移动发射场卫星通信系统，用于发射过程与地面任务控制中心通信。地面任务控制中心位于加利福利亚的莫哈韦航天航空港内，通过移动发射场卫星通信系统，不管在世界任何地方执行发射任务，载机的飞行操作和火箭的状态都可以远程监测和控制。

值得强调的是，载机上设置有一套移动式发射任务中止系统，是载机上的关键设备之一，可以在不需要地面指令的条件下自动执行发射飞行任务中止，降低了对地面发射安全控制支持设备的依赖。

图3 平流层发射系统工作模式Fig.3 Stratolaunch System Testing and Launching Mode

1.3 飞行号火箭测试发射模式

与上述不同的是，俄罗斯飞行号采用内装式测试发射模式，使用AN-124-100 型鲁斯兰飞机作为载机，火箭内置在飞机货仓内部。发射时，载机将在10～11 km 的高度上以约700 km/h 的速度飞行，并完成急跃升机动，将运载火箭从运输发射容器中投出。投放后的火箭使用稳定装置（降落伞）进行数秒的自由下落，然后起动第1 级发动机。火箭进行调整后，飞向预定轨道。

鲁斯兰飞机载有小型运载火箭和发射支持设备，能从任何跑道长于3000 m 并具有必要设施的机场起飞。飞机载着加注燃料后的运载火箭，飞往4000 km距离内的发射区，进行发射。载机上的发射准备设备包括：

a）运载火箭推进剂加注和排放设备；

b）运载火箭安装及投放设备；

c）传送运载火箭和载机状态参数到任务控制中心的设备；

d）运载火箭机载飞行任务控制设备等。

空间飞行器与飞行号在载机内组装流程见图4。

图4 有效载荷与飞行号在载机内组装测试示意Fig.4 Rocket and Payload in Ruslan Aircraft

1.4 空射火箭测试发射技术特点分析

1.4.1 空中射前测试项目

空射运载火箭的测试阶段主要包括：技术阵地测试、火箭与载机对接测试以及空中射前测试等，相比传统火箭增加了空中射前测试项目。

空中射前测试的测试内容与地面测试有很大区别，火箭随载机在空中飞行过程中，只能采用载机携带有限的测试设备进行结构不分解状态测试，测试接口和信号受限，所能进行的测试项目也较少，只能进行关键参数的监测、关键时序动作的执行和确认等。

在火箭随载机飞行时，机载测发控设备需要对火箭持续进行监测和跟踪，同时通过无线通信链路与地面监控中心进行通信。

射前通过机载测发控设备对火箭功能、性能及安全性参数进行监测及测试，执行倒计时程序。需要将点火控制系统、飞行任务中止系统、电源及配电等切换到火箭内部电源，使火箭处于发射状态，各项测试及流程正常后，按指令投放火箭。

1.4.2 机载测试发射支持设备

空射运载火箭如果采用专门设计的载机（如平流层空射火箭系统），则可能设计有专门放置机载测试发射设备的设备舱，能容纳较多测试设备，也可减少对地面测试支持设备的依赖。

但空射运载火箭的载机一般基于现有成熟飞机平台改制，受载机条件限制，相比宽大的地面火箭发射台发射方式，空射运载火箭的机载测试发射设备在体积、重量、功率、安全性等方面的限制极其严苛，需要对测试设备简化和优化设计。总体方案设计时应优化飞行阶段的测试流程，以减少机载测发控设备，提高系统的整体可靠性。

此外，如果采用外挂发射方式，对有效载荷的环境保障也是设计难点之一。同时需要增加机载设备对有效载荷提供相应的环境保障支持。

1.4.3 减少对地面设备的依赖

由于受到载机的质量和空间的限制，无法在飞机上设置大量的测试设备，机上测试设备的设计尽可能简化，只保留了基本的监测和发控功能。

在挂飞过程中，火箭和有效载荷的状态更多依靠火箭的自测试功能和遥测链路实现对火箭的状态监测功能。因此，相比于传统火箭，测试过程更加重视通过遥测链路进行。

此外，空射运载火箭的发射地点灵活多变，按照固定发射点来布置地面测控站已不能适应新的发射模式，尤其是发射首区的测控和安控需要靠载机设备来完成。

2 空射运载火箭测发控系统方案设计

针对常见的吊挂式空中发射方式，设计了一套测发控系统方案，以适应空射运载火箭机动、灵活的使用特点。

2.1 测试发控系统功能需求

2.1.1 机载测发控设备的功能需求

a）火箭挂飞期间自动监测火箭工作状态，完成测试数据自动处理、判读；

b）火箭挂飞期间为火箭测试发控提供电源；

c）与载机设备通信，获取载机飞行参数，并在火箭挂飞期间完成火箭计算机诸元数据的装订；

d）实现火箭与载机组合体的分离投放控制；

e）完成发射首区安全控制；

f）完成有效载荷环境控制（如需要）。

2.1.2 地面测发控设备的功能需求

a）地面准备阶段对火箭进行全面测试，完成火箭与飞机组合体起飞前的各项性能测试；

b）在火箭挂飞期间，通过遥测数据监视火箭的工作状态，数据自动分析，与指挥操作人员完成对火箭发射流程的协同控制。

2.2 测试发控系统总体方案

针对空射运载火箭挂飞的测试和发射控制的需求，设计了载机-地面一体化的测发控系统。测试发控系统的设计与以往型号测发控系统有所不同：

a）为了发挥空射运载火箭机动灵活的特点，机载测发控设备在火箭挂飞期间能独立完成测试和发射控制功能，同时采用少量人工干预（机上操作员完成）的工作方式。

b）为了降低对地面依赖，测试数据采用卫星通信方式传送到地面，同时火箭首区的安控由载机上的设备负责完成。

c）地面仅保留数据处理和火箭监控功能。在火箭挂机前的测试也采用机载测发控设备+技术区专用设备的方式完成，其他为了全面测试而在挂飞期间不使用的功能，均由技术区专用设备来完成，减少机上设备的复杂性，提高可靠性。

综上，设计得到的测试发控系统的分布结构如图5所示，系统由机载测发控设备、地面测发控设备两部分组成。

机载测发控设备由火箭测试设备、火箭发射控制设备、火箭通信与安控设备，以及载荷环境控制设备等组成。其中：

a）火箭测试设备完成与火箭的有线通信信号调理、飞机/火箭惯导参数交互、供配电等功能。

b）火箭发射控制设备供机上发射操作员操作，主要完成火箭实时监控和投放控制等。

c）火箭通信与安控设备负责与火箭的无线信号交互，安控管道监控和指令发出，并能通过机载卫星通信设备与地面实现数据交互。

d）载荷环境控制设备主要完成火箭挂机飞行期间的载荷环境监测与控制。

地面测试设备由箭地无线通信设备、地面卫星通信设备、云服务器，以及多个监控终端组成，主要通过无线方式和火箭、机载测发控设备实现信息交互，完成火箭挂机飞行期间的测试数据监测分析，对飞机上的操作员提供指导。

图5 测试发控系统的架构Fig.5 Architecture of Testing and Launching System for Air-launch Rocket

3 关键技术与发展趋势

3.1 一体化测试技术

一体化测试技术包括测试对象的一体化、测试通路的一体化以及测试程序的一体化设计等多方面，以解决空射运载火箭对测试设备规模、测试时间的问题。

针对空射运载火箭测试发射过程，一体化测试首先要解决箭上/机上/地面测试的一体化、测试通路的一体化等问题，要打通三者之间的测试信息交互通路。火箭挂机过程中，需要对火箭进行挂机飞行过程的测试，此时的测试信息主要依靠遥测通道进行，因此，为了更好地利用地测和遥测通道，实现测试信息的覆盖最大化，需要对地测和遥测通路进行一体化设计。

其次，要实现箭上/机上/地面一体化测试，首先需要对箭上自测试（Built-In Test，BIT）功能进行优化设计，其次要对冗余功能测试进行优化设计，再者要强化机上测试设备的测试覆盖性以及地面测试设备对测试信息的自动判读和综合分析能力。

3.2 箭机地一体故障诊断与辅助决策技术

箭机地一体化故障诊断与辅助决策技术主要解决对火箭的故障诊断、机上操作人员的辅助决策、地面测发人员的辅助决策等问题。火箭在挂机条件下，涉及到火箭健康状态、载机的健康状态以及地面系统的健康状态，如何有效整合，实现一体化健康管理，是保障发射过程安全可靠的关键技术之一。

在上述过程中，涉及到的箭-机-地一体化健康管理技术包括箭-机在地面测试维修阶段的全生命周期健康管理技术、飞行阶段的箭-机-地协同故障诊断技术、飞行阶段的箭-机-地协同故障处理技术等。

3.3 低成本、高适应性测试平台设计技术

未来空射运载火箭很可能面临一种载机对应多型火箭的状况，这就要求测发控设备，尤其是机载测发控设备的设计兼具低成本和高适应性的测试平台，包括对测试对象的适应以及对使用环境的适应等，主要包括：

a）针对测试设备设计中普遍存在的通用性差、品种繁多、利用率低、维护保障困难等共性问题，采用基于通用测试接口适配技术、自动测试标记语言技术等关键技术，实现一套通用化测试平台完成多种不同测试对象的测试。

b）平台采用标准化、模块化、开放性的体系结构，采用标准化的商用测试模块，系统测试功能可根据被测对象的不同需求进行扩充、裁减及互换，是一个能够适应多种设备共性需求的通用化测试诊断系统平台，可完成系统级和分系统级的功能验证和故障定位，实现了用一套测试系统满足多种测试与诊断的需求。

通用化测试平台极大地削减测试设备的规模，节省人力资源的投入；在满足功能性能要求的同时，提高测试效率。平台较多的采用较为成熟的货架产品，减少定制产品的开发成本和开发风险，不仅节省了经济投入，更节省了人力和资源投入；平台采用通用的思想架构，更适用于产品的更新换代和推广使用。

3.4 无人测试发射技术

随着无人机逐步向大型化和智能化发展，未来空射火箭很可能从有人空射转向无人空射，而空中发射走向无人空射，理论上是要将空中射前测试和发射过程“无人化”。

无人空射火箭需重点加强机上测发控设备的智能化水平，强化地面的数据综合和综合控制能力。机上解除所有因人而产生的制约，从而充分发挥无人化带来的复用性、智能化、一体化等先进特性，进一步提升空射系统的快速响应特性和任务适应性，无人空射的发展也将推动新一代天地运输系统研制与换代，实现高效、高可靠与低成本地进入空间。

4 结束语

空射运载火箭的技术优势越来越受到世界各国的重视，尤其是在商业航天的推动下，取得了长足的技术进步，多型产品正在开发，部分产品已投入或即将投入运行。本文结合空射运载火箭的技术特点，对国内外空射运载火箭的测发模式进行了初步分析，并对其中的关键技术和发展思路进行了梳理和展望。通过文献资料分析，短期内中国空射运载火箭很可能采用吊挂方式，本文针对性设计了一种测发控系统，供未来空射运载火箭发展参考。