空间站工程载人火箭测试发射流程优化分析与研究

容 易，宋 晶，马建伟，赵 刚

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076； 3. 首都航天机械有限公司，北京，100076）

0 引 言

中国空间站将于2022年前后建成，投入使用后可以进行较大规模的空间实验活动，这是中国航天“三步走”战略最重要的目标。CZ-2F运载火箭是中国目前唯一的载人运载火箭，采用“三垂”（垂直总装、垂直测试、船箭塔组合体垂直运输）和“远距离测试发射”的测试发射模式，全箭可靠性高于0.97，航天员安全可靠性为0.997，是航天员进出中国空间站的唯一运载器。

测试发射流程是指规定运载火箭和飞船等航天产品进入发射场参加发射的物流方向（或工艺路线）、关键的技术状态、主要的工作项目及场所、各系统之间及单个项目之间的相互关系和先后次序、时间安排及质量安全控制关键节点、大系统之间的联合操作、发射区的最后工作项目和发射程序，以及安全可靠性保证措施的技术方案，是组织实施航天发射任务的基础和依据。

1 CZ-2F火箭测试发射流程

CZ-2F火箭的测试发射流程设计使用始于20世纪90年代，应用型发射测试流程根据每次任务的技术状态变化和新增任务需求进行调整。经过多次无人飞行和载人飞行，测试发射流程的正确性、有效性、适用性得到了充分考核和验证，保证了历次发射任务的顺利实施，为突破和掌握天地往返和空间出舱载人航天基本技术作出了重大贡献。空间实验室阶段，根据空间交会对接和空间实验室任务要求的一些变化，CZ-2F火箭的测试发射流程得到了进一步改进。

进入空间站阶段，CZ-2F火箭又面临新的挑战。一是发射频率增加。按照空间站长期有人照料的目标，每年需用CZ-2F火箭发射两艘神舟飞船，半年执行一次飞行任务，将航天员送入空间站，实现乘员轮换。二是新增应急救援需求。当飞船出现故障不能返回时，应急发射一艘飞船，对航天员进行紧急救援。因此，需按照“发射一发备份一发”及“滚动备份”的发射模式，即第1次发射任务有两发火箭同时进场，其中一发主份火箭用于执行发射飞船任务，另一发火箭总装测试完成后封存，用于执行可能的应急救援发射任务。后续任务只需新进场一发火箭，原先执行应急救援发射任务的火箭执行正常发射任务，新进场的火箭执行新的应急救援发射任务，以此往复。

2 CZ-2F火箭测试发射流程优化

CZ-2F单发火箭现行发射场测发流程以火箭工作线为主线，可分为技术区测试阶段、船箭塔组合体垂直转运及发射区测试阶段，如表1所示。

表1 CZ-2F单发火箭现行发射场测试发射流程Tab.1 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at the Current Launch Site

按照运载火箭测试发射流程设计的原则，对CZ-2F单发火箭现行发射场测发流程进行优化，主要集中在技术区工作，具体有如下4个方面。

a）简化发射场单元测试，只保留惯组、天线、电池、火工品发射场单元测试；

b）除惯组、速率陀螺、一级伺服机构、天线、电池和部分火工品外，其余电气系统单机均装箭运输。箭上大部分仪器随箭运输已经过CZ-2C、CZ-3A系列运载火箭的多次考核，从实际发射结果看，未出现因随箭运输导致的单机和系统问题。因此，仪器安装、产品交接及分系统测试准备减少1天；

c）第5次总检查与第1次总检查状态相同，且仅间隔2天，其保留的意义已不大，所以拟取消技术区第5次总检查。因此，火箭系统总检查减少1天；

d）部分工作内容时间优化，例如：箭体吊装和气密性检查各减少0.5天，火箭火工品测试、安装，发射区等效器测试减少2天，船箭塔对接、状态准备减少 1天等。

经过优化后的CZ-2F单发火箭发射场测发流程以火箭工作线为主线，主要对技术区测试工作进行优化，整流罩线和逃逸塔线不占主流程时间，共可减少6天的时间，如表2所示。

表2 优化后的CZ-2F单发火箭发射场测试发射流程Tab.2 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at Launch Site after Optimizing

3 两发CZ-2F火箭流程优化

空间站阶段第1次任务，按照“发射一发备份一发”的模式，根据发射场条件，先后有两发火箭进场。按照纯串行的方式开展工作。空间站第1次任务完成后，后续任务按照“滚动备份”的发射模式，每次任务只需进场一发火箭。新进场的火箭测试完毕后，执行新的应急待命任务。已经在场的火箭测试完毕后执行正常发射任务。

3.1 两发CZ-2F火箭测试发射流程的两种模式

新进场的火箭与应急转正常发射任务火箭的测发流程的“串行”和“并行”模式。

3.1.1 “串行”模式

两发CZ-2F“串行”测试发射流程的工作模式如图1所示。

图1 两发CZ-2F火箭“串行”测试发射流程Fig.1 Serial Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

执行新的应急待命任务的火箭进场后，先进行箭体恢复及交接、箭体吊装、分系统测试及匹配、总检查等工作，安装部分火工品及应急待命状态设置。继而进行执行新的应急待命任务的火箭封存及两发火箭电缆测试状态转换。为保证应急转正常火箭长期竖立停放后的测试覆盖性，需进行动力分系统测试（包括：对接七管连接器、蓄压器充气、贮箱保压和活门性能测试等）。由于在前次任务中应急转正常火箭已经完成了一轮完整的电气系统测试，因此，转正常任务火箭只开展各系统功能检查、匹配测试（减少一次大匹配测试）、总检查（减少一次总检查）及安装剩余火工品等工作。最后船箭塔组合体对接、垂直转运至发射区，完成发射区测试后，加注、发射。

与优化后的CZ-2F单发火箭发射场测试发射流程相比，两发CZ-2F火箭“串行”测试发射流程的工作量变化情况为：新进场火箭测试完成后，进行应急待命封存、两发火箭电缆测试状态转换，增加1天；应急转正常火箭测试前进行状态检查及恢复，增加1天；应急转正常火箭动力分系统测试（包括：对接七管连接器、蓄压器充气、贮箱保压和活门性能测试等工作），增加3天；应急转正常火箭各系统功能检查、匹配测试，增加2天；应急转正常火箭总检查，增加3天。共计增加10天。

整流罩线工作线与主线工作同时开展，按照先测试转正常任务的整流罩，完成测试后进合罩桁架，以竖直状态在加注扣罩间停放，等待扣罩。然后在整流罩准备厅完成新进场整流罩测试工作后，两个半罩，开口向下，以水平状态封存于整流罩准备厅。整流罩线工作时间不占主线流程。

逃逸塔线工作与主线工作同时开展，按照先测试转正常任务的固体发动机，并完成逃逸塔总装。之后开展新进场固体发动机的测试工作，测试完毕后，逃逸固体发动机水平散态存放，封存于固体发动机厂房。逃逸塔线工作时间不占主线流程。

3.1.2 “并行”模式

两发CZ-2F“并行”测试发射流程的工作模式见图2。

图2 两发CZ-2F火箭“并行”测试发射流程Fig.2 Parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新进场火箭卸车时，并行转正常任务火箭的状态检查及恢复工作；新进场火箭箭体恢复及交接，并行转正常任务火箭动力分系统测试（包括：对接七管连接器，蓄压器充气，贮箱保压和活门性能测试等）；新进场火箭吊装、气密性检查及仪器安装、分系统测试准备期间，并行转正常任务火箭的各系统功能检查、匹配、总检查等工作；之后进行两发火箭电缆测试状态转换；新进场火箭分系统测试及匹配期间，进行转正常任务火箭剩余火工品安装、船箭塔对接准备工作；随后进行新进场火箭总检查、安装部分火工品、应急待命状态设置及封存。最后转正常任务船箭塔组合体对接、垂直转运至发射区，完成发射区测试后，加注、发射。

与优化后的CZ-2F单发火箭发射场测试发射流程相比，两发CZ-2F火箭“并行”测试发射流程的工作量变化情况为：应急转正常火箭测试完毕后，进行两发火箭电缆测试状态转换，增加1天；新进场火箭分系统测试及匹配期间，进行了转正常任务火箭剩余火工品安装、船箭塔对接准备工作，减少3天；新进场火箭测试完成后，进行应急待命封存，增加1天。共计减少1天。

整流罩线工作线与主线工作同时开展，其工作顺序与“串行”测试发射流程整流罩线的工作顺序相同。但是，在“并行”测试发射流程中，火箭线的工作已不是短线，所以在优化火箭线（主线）流程的同时，还需兼顾整流罩线流程的优化；

逃逸塔线工作与主线工作同时开展，与“串行”测试发射流程相同，逃逸塔线工作时间不占主线流程。

3.1.3 “串行”和“并行”模式比较

a）与优化后的CZ-2F单发火箭发射场测试发射流程相比，两发火箭按照“串行”模式，测试发射流程增加了10天，所需投入的人力资源较少。按照“并行”模式，测试发射流程减少了1天。但“并行”测试发射流程所需投入的人力资源较多，且并行工作主要集中在流程前半段，造成“前紧后松”的工作局面。

b）受一定的客观条件所限，要保证“并行”测试发射流程的实施，需进行发射场基础设施改造。例如：受用电功率的限制，现阶段新进场火箭吊装和转正常任务火箭各系统功能检查、匹配测试无法同时开展。

c）“串行”测试发射流程，火箭线的工作是短线，用时较长，整流罩和逃逸塔均不占主线流程；“并行”测试发射流程，整流罩线的工作是短线，用时较长，所以在优化火箭线（主线）流程的同时，还需兼顾整流罩线流程的优化；

3.2 “串并行”相结合的模式

根据以上分析，可以考虑将两发CZ-2F火箭测试发射流程的“串行”和“并行”模式的优点结合起来，采用“串并行”相结合的模式，进一步提高两发CZ-2F火箭的测试发射效率。即在“串行”模式中，只并行部分工作项目。“串并行”测试发射流程如图3所示。

图3 两发CZ-2F火箭“串并行”测试发射流程Fig.3 Serial-parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新进场火箭卸车时，并行转正常任务火箭的状态检查及恢复工作，可减少1天；新进场火箭箭体恢复及交接期间，并行动力分系统测试（包括：对接七管连接器、蓄压器充气、贮箱保压和活门性能测试等），可节省3天；新进场火箭火工品安装、应急待命状态设置、封存期间，并行转正常任务火箭的匹配检查、总检查工作，可节省3天。与“串行”模式相比，可以节省7天时间，与“并行”模式相比，仅多4天。

由于“串并行”模式是在“串行”模式的基础上只并行了部分工作项目，所以可以实现用较小的人力资源投入，在相对较短时间内，完成两发火箭的测试。

与此同时，采用“串并行”相结合的模式，整流罩线工作线和逃逸塔工作线均不是短线，工作时间均不占火箭线（主线）流程，火箭线（主线）、整流罩线工作线和逃逸塔工作线进度可以保证相对一致，可以进一步提高发射场工作效率。建议空间站后续任务两发火箭的测试发射流程采用“串并行”相结合的模式。

4 结 论

本文首先介绍了CZ-2F单发火箭在发射场发射测试流程优化的具体项目。在此基础上，按照单发火箭测发流程优化的方法，根据空间站工程阶段CZ-2F火箭“发射一发备份一发”及“滚动备份”的发射模式，设计了“串行”和“并行”两种测试发射流程。与优化后的CZ-2F单发火箭发射场测试发射流程相比，按照“串行”模式，工作时间增加了10天；按照“并行模式”，工作时间可以减少1天。

在“串行”和“并行”测试发射流程的基础上，将两者的优点结合起来，设计了“串并行”测试发射流程。由于是在“串行”模式的基础上只并行了部分工作项目，“串并行”模式可比“串行”模式节省7天时间，比“并行”模式仅多4天。这样不仅可以保证人力资源的高效利用，还可以兼顾整流罩线和逃逸塔线的工作，进一步提高了发射场工作效率。建议空间站后续任务两发火箭的测试发射流程采用“串并行”相结合的模式。

空间站后续任务“串行”、“并行”以及“串并行”3种测试发射流程的优化工作，主要是在前期单发火箭流程优化的基础上对工作项目进行的统筹安排。后续流程的进一步优化应在保证测试覆盖性的同时，对具体工作项目进行优化，例如：减少惯组在发射场的标定次数、减少应急转正常火箭的分系统测试项目及总检查次数等。