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   1   

大型低溫液體運(yùn)載火箭射前特點(diǎn)和約束

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1.1

射前流程制約因素

射前進(jìn)入加注發(fā)射流程后要順序完成低溫推進(jìn)劑加注、發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷、射前增壓和氣液連接器脫落等工作，主要有以下3個(gè)方面的特點(diǎn)：

1）各系統(tǒng)間、同一系統(tǒng)各模塊間的指揮操作與口令交互密集，一旦出現(xiàn)故障需并行開(kāi)展正常測(cè)發(fā)動(dòng)作和故障應(yīng)急處置，指揮操作難度大。

2）各系統(tǒng)工作環(huán)環(huán)相扣、緊密關(guān)聯(lián)、耦合復(fù)雜，相互制約，一旦某系統(tǒng)出現(xiàn)故障必然影響其他系統(tǒng)正常動(dòng)作的執(zhí)行。且受低溫環(huán)境和狹小空間限制，故障處置時(shí)間和手段受限，不利于“零窗口”發(fā)射目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3）射前關(guān)鍵動(dòng)作臨近點(diǎn)火時(shí)刻，如關(guān)閉加注閥、貯箱增壓和氣液連接器脫落等。故障發(fā)生的時(shí)刻越靠近點(diǎn)火時(shí)刻，應(yīng)急處置越緊張，甚至沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行應(yīng)急處置，很有可能錯(cuò)過(guò)發(fā)射窗口。

1.2

地面設(shè)備設(shè)施制約因素

液體運(yùn)載火箭加注發(fā)射離不開(kāi)地面設(shè)備設(shè)施的支撐保障。為保障“零窗口”發(fā)射，設(shè)備設(shè)施可靠性起著決定性作用。加注發(fā)射作為測(cè)試發(fā)射的關(guān)鍵時(shí)段和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，有著不同于分系統(tǒng)、總檢查等測(cè)試時(shí)段的特點(diǎn)，出現(xiàn)故障后不僅影響測(cè)試發(fā)射流程的順利進(jìn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)低溫推進(jìn)劑泄漏、壓力容器超壓等重大安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著高密度任務(wù)常態(tài)化進(jìn)行，地面設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷大幅度增加，其可靠性直接制約任務(wù)保障能力，需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.3

軌控運(yùn)動(dòng)干擾流場(chǎng)發(fā)展歷程

在世界各國(guó)的航天發(fā)射過(guò)程中，都要嚴(yán)格遵守“火箭發(fā)射天氣標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)則。這套規(guī)則規(guī)定了“對(duì)發(fā)射場(chǎng)區(qū)雷電、降水、淺層風(fēng)和高空風(fēng)”的指標(biāo)要求，發(fā)射時(shí)不滿(mǎn)足任何一條就必須推遲火箭的發(fā)射。氣象條件最?lèi)毫拥奈牟教彀l(fā)射場(chǎng)位于海南省文昌地區(qū)，此地為熱帶海洋性季風(fēng)氣候，發(fā)射場(chǎng)區(qū)多雷電、局地短時(shí)強(qiáng)降水、淺層風(fēng)、高空風(fēng)風(fēng)向多變等天氣現(xiàn)象，天氣復(fù)雜難報(bào)。若場(chǎng)區(qū)氣象保障不力，天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確，會(huì)給射前流程帶來(lái)重大影響，妨礙“零窗口”發(fā)射目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。SpaceX“獵鷹”火箭就多次因?yàn)樘鞖庠蚨七t發(fā)射。

1.4

組織指揮制約因素

組織指揮涵蓋射前全過(guò)程，正確的組織指揮是確保“零窗口”發(fā)射的關(guān)鍵。進(jìn)入射前流程后，組織指揮需統(tǒng)籌各分系統(tǒng)按階段完成相應(yīng)工作，因程序復(fù)雜、動(dòng)作多、可靠性要求高的特點(diǎn)，各分系統(tǒng)、各產(chǎn)品設(shè)備的工作時(shí)段及相互之間的配合都有嚴(yán)格要求，如果稍有誤差就會(huì)造成大系統(tǒng)的工作紊亂。射前流程如遇故障，可供決策討論的時(shí)間很短，故障發(fā)生后各系統(tǒng)、各崗位人員還需協(xié)同配合、準(zhǔn)確操作，使應(yīng)急處置的過(guò)程更加高效順暢，對(duì)于確保“零窗口”發(fā)射至關(guān)重要。

   2   

“零窗口”發(fā)射技術(shù)方案

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低溫動(dòng)力系統(tǒng)在射前的工作重點(diǎn)是完成低溫推進(jìn)劑加注和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)預(yù)冷。除箭上系統(tǒng)需要高可靠工作外，同時(shí)需要地面設(shè)備設(shè)施的配合，主要包括連接器、配氣臺(tái)和地面加注設(shè)備等。這些地面設(shè)備設(shè)施通過(guò)箭地之間的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭的發(fā)射支持。針對(duì)此特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大型低溫運(yùn)載火箭“零窗口”發(fā)射技術(shù)需要著重解決低溫動(dòng)力系統(tǒng)的預(yù)冷技術(shù)、高可靠箭地低溫管路涌泉抑制技術(shù)、統(tǒng)一供配氣與零秒脫落連接器技術(shù)、配氣臺(tái)冗余技術(shù)和地面加注技術(shù)。

2.1

低溫動(dòng)力系統(tǒng)預(yù)冷技術(shù)

為了保證低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)，在點(diǎn)火前需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充分預(yù)冷。低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷方式直接決定了火箭射前操作程序和箭地接口的復(fù)雜性。目前，國(guó)內(nèi)外低溫發(fā)動(dòng)機(jī)常用的預(yù)冷方式有浸泡預(yù)冷、排放預(yù)冷、循環(huán)預(yù)冷。通過(guò)綜合比較發(fā)現(xiàn)，循環(huán)預(yù)冷技術(shù)方案較排放預(yù)冷技術(shù)方案箭地連接關(guān)系簡(jiǎn)單，無(wú)需配置排放連接器和排放管路，大大簡(jiǎn)化了箭地接口，也簡(jiǎn)化了射前操作流程，消除了射前極易出現(xiàn)問(wèn)題的連接器泄漏、脫落故障等風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)循環(huán)預(yù)冷是一種主動(dòng)預(yù)冷方式，較浸泡預(yù)冷更容易滿(mǎn)足低溫發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的預(yù)冷條件。因此，在箭上空間和系統(tǒng)復(fù)雜度可接受的條件下，采用循環(huán)預(yù)冷技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)大型低溫液體運(yùn)載火箭“零窗口”發(fā)射。

2.2

高可靠箭地低溫管路涌泉抑制技術(shù)

大型低溫液體運(yùn)載火箭往往具有大長(zhǎng)細(xì)比輸送管，在液氧加注結(jié)束后，距離點(diǎn)火時(shí)刻還往往有一段停放時(shí)間。在停放過(guò)程中，箭上低溫管路和地面低溫管路相通，如果低溫管路中的液氧處于靜止不流動(dòng)的狀態(tài)，盡管管路進(jìn)行了外絕熱處理，仍然會(huì)有環(huán)境漏熱導(dǎo)致箭地低溫管路中出現(xiàn)涌泉現(xiàn)象。在涌泉的回流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象，出現(xiàn)壓力波動(dòng)并產(chǎn)生巨大的壓力峰。大型低溫液體火箭射前加注階段壓力曲線(xiàn)如下圖所示。

該壓力峰值可能造成推進(jìn)劑輸送管路、導(dǎo)管、泵腔和活門(mén)支架的損壞。為了確保運(yùn)載火箭的發(fā)射可靠性，需要在設(shè)計(jì)之初就考慮采用涌泉抑制技術(shù)，避免出現(xiàn)壓力沖擊。常用的涌泉抑制技術(shù)有氦氣鼓泡、自動(dòng)補(bǔ)加、循環(huán)回流、內(nèi)外管輸送和主動(dòng)排放等，具體采用哪種涌泉抑制技術(shù)需要綜合考慮系統(tǒng)規(guī)模和可靠性、射前操作復(fù)雜度以及流程可行性等。通常大型低溫火箭輸送系統(tǒng)的涌泉抑制技術(shù)可結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷技術(shù)和推進(jìn)劑管理技術(shù)統(tǒng)籌考慮。對(duì)于箭上輸送管路漏熱導(dǎo)致的涌泉，如果火箭采用了循環(huán)預(yù)冷技術(shù)，可以采用循環(huán)回流實(shí)現(xiàn)涌泉抑制。對(duì)于地面加注管路漏熱導(dǎo)致的涌泉，可以借助地面加注管路的排放管路，采用主動(dòng)排放的涌泉抑制技術(shù)。

2.3

統(tǒng)一供配氣和零秒脫落連接器技術(shù)

在運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛前，供氣連接器需要可靠脫落，確保火箭安全起飛。通常在臨近點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行低溫貯箱的增壓，低溫推進(jìn)劑與氣枕之間溫差大、換熱劇烈，一次增壓后氣枕壓力由于換熱會(huì)快速下降，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氣枕壓力越來(lái)越低，導(dǎo)致不能滿(mǎn)足低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求和低溫貯箱的載荷要求。因此，為了提高任務(wù)適應(yīng)能力，貯箱增壓路的供氣需要一直保持，具備時(shí)刻對(duì)低溫貯箱補(bǔ)壓的能力，確保點(diǎn)火時(shí)刻貯箱氣枕壓力能夠滿(mǎn)足低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求。這需要采用零秒脫落連接器技術(shù)，最大限度延長(zhǎng)供氣時(shí)間，提高火箭“零窗口”發(fā)射可靠性。下圖為大型低溫液體火箭的中心球鎖零秒脫落連接器，該連接器通過(guò)支架安裝在火箭支撐臂上。火箭起飛時(shí)，拉索控制連接器脫落，限位索作為備保手段提高零秒連接器脫落可靠性。

2.4

配氣臺(tái)冗余控制技術(shù)

大型低溫液體運(yùn)載火箭的動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)地面供配氣系統(tǒng)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）供氣項(xiàng)目種類(lèi)多、指標(biāo)精度高。

（2）實(shí)時(shí)供氣的高可靠性。

（3）無(wú)人值守情況下對(duì)供氣故障的快速修復(fù)能力。

配氣臺(tái)有必要采用冗余控制方案，在實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下，提高實(shí)時(shí)供氣的可靠性，增強(qiáng)無(wú)人值守情況下對(duì)故障的應(yīng)對(duì)能力，確保滿(mǎn)足大型低溫液體火箭“零窗口”發(fā)射的供氣可靠性。

2.5

地面加注技術(shù)

低溫推進(jìn)劑加注是液體運(yùn)載火箭射前發(fā)射流程組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，地面加注技術(shù)對(duì)射前流程時(shí)間、運(yùn)載火箭及發(fā)射臺(tái)安全、箭體結(jié)構(gòu)載荷、射前供氣、供液及供電消耗、箭上地面設(shè)備可靠性等均有重要影響。低溫推進(jìn)劑易相變消耗，往往將推進(jìn)劑加注操作置于火箭發(fā)射日，且盡量臨近發(fā)射時(shí)刻，一旦加注系統(tǒng)出現(xiàn)故障，直接影響射前流程的順利進(jìn)行，因此“零窗口”發(fā)射要求對(duì)低溫加注系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。此外，為了保證低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠工作和性能，貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑的溫度必須滿(mǎn)足一定的要求，而貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑溫度實(shí)際受到加注過(guò)程和停放時(shí)間的顯著影響。如果采用全過(guò)冷加注技術(shù)，則加注結(jié)束后不需要停放過(guò)程，即可滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)低溫推進(jìn)劑溫度的要求，可以大大縮短射前流程時(shí)間，減少人力資源需求，有利于規(guī)避沿海發(fā)射場(chǎng)多變的不利氣象條件，提高運(yùn)載火箭發(fā)射可靠性。

   3   

發(fā)射窗口主動(dòng)拓展技術(shù)

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對(duì)于“零窗口”發(fā)射任務(wù)，不再需要運(yùn)載火箭的推遲發(fā)射能力，可以對(duì)這部分原本用于推遲發(fā)射的能力進(jìn)行挖潛，提前用到正常發(fā)射流程中，以增加正常發(fā)射流程中故障處置時(shí)間，等效將發(fā)射窗口進(jìn)行拓展。

   4   

“零窗口”任務(wù)測(cè)試發(fā)射策略

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測(cè)試發(fā)射流程和發(fā)射場(chǎng)的任務(wù)保障能力也是運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)“零窗口”發(fā)射目標(biāo)的重要因素。測(cè)試發(fā)射流程是工程各系統(tǒng)在發(fā)射場(chǎng)開(kāi)展各項(xiàng)工作的基本依據(jù)。優(yōu)化的測(cè)試發(fā)射流程對(duì)于縮短測(cè)試發(fā)射周期、提高應(yīng)急處置能力具有重要意義。發(fā)射場(chǎng)任務(wù)保障涉及供電、供氣、供液和氣象保障等，相關(guān)設(shè)備設(shè)施的可靠性和氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度直接影響運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射流程的進(jìn)行。

4.1

測(cè)發(fā)流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)“零窗口”發(fā)射要求，經(jīng)過(guò)對(duì)各系統(tǒng)射前流程的充分論證，綜合考慮可靠性、操作復(fù)雜性等因素，按照“確保全面完整、堅(jiān)持安全可靠、增加時(shí)間裕度、力求集約高效”原則對(duì)測(cè)發(fā)流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）深度挖掘各系統(tǒng)的潛力，將射前動(dòng)作適當(dāng)提前，尤其是將臨近點(diǎn)火時(shí)刻的動(dòng)作提前，如有故障可盡早將故障暴露出來(lái)，為故障處置留出盡量多的時(shí)間。

2）將射前各系統(tǒng)動(dòng)作解耦，不再互為前置條件，使得各系統(tǒng)都能充分利用火箭點(diǎn)火前的時(shí)間，降低發(fā)射日突發(fā)故障對(duì)“零窗口”發(fā)射的影響。

3）根據(jù)各系統(tǒng)射前關(guān)鍵動(dòng)作，充分分析各系統(tǒng)的故障模式，制定故障處置預(yù)案，將故障處置措施規(guī)程化，將故障處置時(shí)間精細(xì)化，以便在故障出現(xiàn)時(shí)能夠準(zhǔn)確定位、精確操作、快速處置。

4.2

提高任務(wù)保障能力

1）提高設(shè)備設(shè)施可靠性。

2）提高氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

3）射前動(dòng)態(tài)組織指揮。

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