适应火箭高密度发射的小型发射台快速检修技术研究

周彦均，任晓伟，冯 超，徐 铮，王华生

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

小型固定式发射台（下文简称发射台）是指用于发射串联型运载火箭的发射台，发射台固定安装在火箭发射工位，是地面发射支持系统的重要产品，其主要作用是承载火箭加注前后的质量、通过相关动作实现火箭垂直度调整和方位回转，顺畅排导火箭发射时的燃气流［1-2］。在火箭发射过程中，发射台承受高温高速燃气流的冲刷和烧蚀，受高温、振动、噪声等因素的综合影响，对其状态和性能产生一定程度的损伤，因此在发射后必须对发射台进行维修、恢复，才能执行下一次火箭发射任务。依据《运载火箭固定式发射平台使用、维护及检修通用要求》（GJB 9881—2020）的要求，发射台每执行一次发射任务要进行一次例行检修，每5 次发射任务后或任务前已经连续3 年无任务时应进行一次中修，每10次发射任务后或任务前已经连续5年无任务时应进行一次大修［2-3］。目前随着中国运载火箭发射任务的逐年增多，发射台的使用频率越来越高，每两发任务之间的间隔也越来越短（最短间隔只有4～7天），在此背景下，本文提出了发射台射后快速维修和状态恢复的技术方案，该方案经过多次实践证明可行。本文将从发射台检修工作、检修方案、实施情况3个方面对发射台快速维修技术展开研究。

1 发射台的主要检修工作

发射台由千斤顶、方向机、回转部、支撑臂、附件、栏杆等组成，如图1所示。

图1 发射台系统组成示意Fig.1 Launch station system composition diagram

从功能性能角度，发射台可以划分为承载结构、传动系统、热防护系统等，其中，承载结构包括回转部、支撑臂、千斤顶等，实现发射台的承载功能；传动系统包括减速器、垂调机构（千斤顶内的螺杆螺母传递装置）、方位回转机构等，实现发射台垂直度调整和方位回转的动作；热防护系统布置于发射台受燃气流烧蚀较为严重的部位，热防护涂层涂敷于回转部上侧表面、内侧表面，千斤顶侧面，对台体结构形成一定的防护作用［4-6］。

发射台例行检修主要包含组件完整性检查、附件检查、各活动部位检查、方向机减速器等润滑和动作检查、功能性能检查、热防护涂层检查等项目；中修包括例行检修所有项目，此外包含防风拉杆检查、内外滚道检查、高度传感器检查等项目；大修包括中修所有项目，此外包含连接螺栓检查更换、滚道清洗探伤、内外护板更换、发射台加载试验、发射台承载结构焊缝探伤、千斤顶/减速器/方向机分解检查或更换等项目。主要检修内容见表1。从表1 中可以看出，传统的发射台例行检修、中修和大修周期较长，尤其是大修项目中，发射台加载试验、千斤顶/减速器/方向机分解检查或更换等项目需要发射台整体返厂进行，与火箭高密度发射需求矛盾。

表1 发射台主要检修维护工作Tab.1 The main maintenance work of the launch pad

2 发射台快速检修、恢复技术方案

2.1 千斤顶结构改进

以往发射台的支腿采用三支管结构，与台体焊接连接。根据多年的使用维护经验和受力分析，该部位受燃气流烧蚀较为严重，同时应力水平较高，多次发射后容易产生裂纹缺陷，修补缺陷的工作量和难度较大，同时也无法彻底消除安全隐患。

如图2所示，针对此问题，在设计上进行结构改进，将千斤顶的三支管形式改为过渡框形式，将焊接连接方式改为螺栓连接方式，在增强该部位结构强度的同时，支腿实现了可单独拆卸、更换。

图2 千斤顶结构改进Fig.2 Structure improvement of jack

对两种结构的千斤顶展开了有限元计算。单元类型选用Structural Solid，Brick 8node 185，网格尺寸为0.02 m，载荷设置为垂直向下加载1 043 kN。两种千斤顶应力、变形云图如图3～6所示，三支管与过渡框结构计算对比如表2所示。

表2 三支管与过渡框结构有限元计算对比Tab.2 Comparison of finite element calculation of three-branch pipe and transition frame structure

图3 千斤顶（过渡框结构）应力云图Fig.3 Jack (transition frame structure) stress cloud diagram

图4 千斤顶（过渡框结构）位移云图Fig.4 Jack (transition frame structure) displacement cloud diagram

图5 千斤顶（三支管结构）应力云图Fig.5 Jack (three branch pipe structure) stress cloud diagram

图6 千斤顶（三支管结构）位移云图Fig.6 Jack (three branch pipe structure) displacement cloud diagram

由表2可以看出，发射台的过渡框千斤顶方案优于原三支管千斤顶方案，主要体现在以下两点：a）过渡框方案的最大应力和最大位移均小于原三支管方案，特别是最大位移，减少了74%，千斤顶的刚度有了比较大的提升；b）过渡框方案的应力分布优于原三支管方案，过渡框方案的最大应力出现在加强筋处，而千斤顶方案的最大应力出现在外套筒处。

通过结构改进，千斤顶的维修性大大增强，可单独拆卸返厂进行检修，结合滚动备份千斤顶的手段，大大节约了发射台现场检修时间。

2.2 传动机构滚动备份

如图7所示，发射台传动系统中的垂调机构（千斤顶内部结构）、减速器、方位回转机构等部件属于机械传动件，这些部件经过多次发射任务后，需要进行分解检查，确认内部零件的状态，重新装配后需要在试验工装上进行加载运行试验。其维修、装配、试验的要求较高，需要配备专用的工装、设备，发射基地现场不具备必要的保障条件。

图7 主要传动结构Fig.7 Main transmission structure

针对此情况，在技术上提出滚动备份的方案，即按用一备一的原则生产以上部件的备件，生产完成后严格按技术要求完成加载运行试验，确保其状态满足使用要求。备件平时存储在厂房内，在发射台检修期间，提前将备件运至基地，现场进行更换，更换后的部件返厂按要求进行检修（包括分解检查、重新装配、加载运行试验等），检修完成后作为发射台下次检修所用的备件，实现滚动使用。这样可以极大地减少发射台现场检修的工作量，缩短中修、大修周期。滚动备份产品检修流程如图8所示。

图8 滚动备份产品检修流程Fig.8 Rolling backup product maintenance process

2.2.1 千斤顶返厂检修

千斤顶返厂分解、清洗、探伤、维修、组装后，按照图9方式采用独立的加载工装对千斤顶进行刚度强度加载及带载伸收等试验。试验中通过加载工装油源驱动加载油缸产生不同加载载荷，进行千斤顶刚度、强度及功能性能考核。改变了传统的发射台整体出厂加载模式，将载荷等效计算分配至每个千斤顶，并逐个完成加载试验。

图9 千斤顶加载方案Fig.9 Jack loading scheme

2.2.2 减速器返厂检修

减速器返厂分解、清洗、探伤、维修、组装、注油后，采用两台减速器对扭方式进行恒转速、恒扭矩等运转试验，试验情况见图10。

图10 减速器对扭试验情况Fig.10 Loading test of reducer

2.2.3 方向机返厂检修

方向机返厂后，分解检查并进行探伤，更换方向机内的齿轮油，检查并记录已使用的齿轮油油质，装配后用手柄转动输入轴正、反转各50 圈，手动感应均匀，无噪音。

2.2.4 小 结以上3种传动机构完成返厂检修后，按照相关技术要求存放并作为后续大修滚动更换备件。

2.3 热防护系统改进

如图11所示，发射台的热防护系统一般采用涂覆防烧蚀材料的方案，由粘合剂、固化剂、骨料、表层涂覆材料按特定工艺进行施工，涂覆在发射台受燃气流烧蚀较为严重的区域，降低发射环境对台体机构的损坏［4，6］。该方案需要在现场施工，施工内容包括发射平台表面打磨、涂层材料配制、涂覆粘合剂、粘合剂固化、涂覆特层、涂层固化等工艺过程，环节较多，工作量大，周期较长（一般为3～5 天），而且受环境影响较大（大风、下雨、下雪、低温等自然环境下无法施工），直接影响发射台的恢复时间。

图11 传统热防护方案Fig.11 Traditional thermal protection scheme

针对此情况，改进了热防护方案，如图12所示，采用预制防护组件、现场螺栓安装固定的方式对重要部位进行热防护，预制防护组件由钢板和隔热材料组成，可提前生产多个备件，需要时进行现场拆卸、更换。

图12 改进后的热防护方案Fig.12 The improved thermal protection scheme

根据多次飞行试验验证，火箭起飞过程中发射台热防护组件表面承受最大静温值约为2 000 K，结合射后检修确认，部分热防护钢板存在烧蚀变形情况，发射台本体无明显变形情况，对相关区域焊缝进行打磨探伤，不存在裂纹或缺陷。以上试验证明台体表面在改进后的隔热材料的保护下，热防护效果较好。改进发射台热防护方案后，可将热防护系统维护周期缩短为1天以内。

2.4 大修方式改进

发射台传统的返厂大修方式由于周期长（6 个月以上）已逐渐不能适应火箭高密度发射形势下对发射台检修保障方面的要求，在此背景下，对发射台大修方式进行改进和优化，提出场外检修和现场检修相结合的方案，见图13。

图13 加载方案Fig.13 Loading scheme

a）场外滚动备件检修。场外检修时间不影响发射任务的执行，按本文2.2 节内容，对传动机构进行场外检修。

b）现场滚动更换。利用发射任务间隔期，把重要部件更换为滚动备份件，减少现场检修时间。

c）现场全面加严检查。从设计上识别结构薄弱环节，采取无损探伤的方式，确认结构是否存在缺陷，保证承载能力不下降。

d）完善易损件备件管理。结合多年使用经验，对发射台易损件备件库进行完善，做到现场快速更换。

e）对不能返厂检修的主体框架部分进行现场加载，大大提升了检修效率。

现场加载试验方案如图13 所示。将回转部、下框架组合体放置于十字形的加载工装上，4 个液压缸通过拉杆拉紧支臂的套筒，分别对4个支承臂施加拉载荷，从而模拟发射台承载工况。

其中加载工装由底座、油缸、连接杆、连接螺母组成，油缸通过螺栓固定在底座上，连接杆穿过支承臂套筒，通过连接螺母固定，4 个底座之间通过螺栓进行连接。加载时由液压手摇泵提供动力，按照一定的油压（所需的油缸拉力按缸径换算成对应的油压）进行加载。加载工装原理如图14所示。

现场大修的方式，解决了返厂周期长的问题，可将发射台大修时间缩短至15～20天。

2.5 小 结

本章从千斤顶结构改进设计、传动机构滚动检修备份、热防护系统改进、现场大修方式改进4个方面介绍了提高发射台快速检修、恢复的技术方案，大幅度提升了发射台小修、中修、大修效率，能够适应火箭高密度发射需求。

3 实施情况

发射台快速恢复的技术方案目前已在新生产发射台上实施，通过酒泉卫星发射基地和太原卫星发射基地近3年的火箭发射任务检修实践证明可满足火箭高密度发射的任务需求。

通过对多次例行检修、3次中修、1次大修的实际检修时间进行统计：例行检修时间约4天，中修时间约7天，现场大修时间约17天，具体天数如表3所示。

表3 优化前后的维修天数对比Tab.3 Comparison of maintenance days before and after optimization

针对小型发射台所提出的快速检修技术方案可以大大缩短发射台检修、恢复的时间，提高了发射台的保障性。

4 结论

本文以火箭高密度发射任务小型固定式发射台检修周期过长为研究背景，以实现快速检修技术为研究对象，在结构改进、增加传动机构滚动备份、热防护方式改进、大修方式改进等几个方面，完成小型固定式发射台快速检修技术的研究工作。主要研究成果如下：

a）通过改进设计、优化流程，大大缩短了发射台检修周期，为火箭高密度发射提供了有力保障条件；

b）通过优化流程，节省了人力、物力，变相提高了工厂产能，其思路也可用于相关领域其他产品；

随着中国宇航发射任务的逐年增多，火箭高密度发射任务在未来一段时间内将呈现常态化。发射台作为地面支持系统的重要设备，仍需要不断完善，以适应新形势的需求，在提高保障性方面，需要从以下几个方向进一步深入研究：

a）探索新的易维修、高性能的热防护材料和方案，进一步降低发射环境对发射台的损伤；

b）完善发射台的缺陷和故障检测手段，科学合理地预判发射台状态；

c）延长发射台的使用寿命。