葉建設(shè)，孫 威，呂斌濤，劉延利，杜海鵬

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094;2.交通運輸部救助打撈局，北京100736)

1 引言

為保證航天員的生命安全，我國載人航天工程飛船發(fā)射的上升段設(shè)置了3個海上應(yīng)急濺落區(qū)，依托交通運輸部救撈系統(tǒng)大功率救助船建成了應(yīng)急救援保障平臺，承擔(dān)各種海況條件下搜索打撈飛船返回艙、營救航天員的任務(wù)?，F(xiàn)有海上應(yīng)急救援保障平臺，雖能滿足階段性載人航天任務(wù)要求，但高海況打撈設(shè)備、搜索定向設(shè)備等核心裝備存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要反復(fù)拆裝、維護保養(yǎng)難度大等問題，導(dǎo)致每次任務(wù)需要較長的準(zhǔn)備時間，任務(wù)成本較高，系統(tǒng)總體效能發(fā)揮不足。

按照載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，我國將在2020年前后建造空間站，解決有較大規(guī)模、長時間有人照料的空間應(yīng)用問題［1］?？臻g站工程階段，載人飛船發(fā)射任務(wù)將呈現(xiàn)出高頻度、常態(tài)化的特點，現(xiàn)有模式難以滿足任務(wù)要求。按照空間站工程特點和上升段海上應(yīng)急搜救的任務(wù)要求，設(shè)計提出了海上應(yīng)急救援保障新模式，實現(xiàn)海上應(yīng)急搜救核心裝備的“平戰(zhàn)結(jié)合”，將對我國載人航天工程的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2.1 返回艙海上應(yīng)急搜救現(xiàn)狀

2.1.1 美國的飛船返回艙海上應(yīng)急救援模式

美國的載人飛船著陸場主要選擇在大西洋和太平洋，采用的是海上回收體制。美國擁有強大的海軍，水面艦艇部隊、海軍航空兵部隊和蛙人部隊都非常強大，海上作業(yè)嫻熟?！八恰碧栐O(shè)計了32個計劃濺落區(qū)和51個應(yīng)急濺落區(qū)，171架飛機部署在全球30個機場和2艘航空母艦上?！鞍⒉_”飛船設(shè)計了4個海上著陸場和4個應(yīng)急濺落區(qū)，主著陸場部署航空母艦和3架直升機、2架飛機［2］。

美國載人飛船回收和救援工作主要由國防部承擔(dān)?！八恰碧栵w船回收時，國防部指派大西洋導(dǎo)彈靶場司令為國防部代表，授權(quán)組建國防部“水星”支援計劃辦公室，負責(zé)與NASA聯(lián)系，協(xié)調(diào)國防部各部門以及海軍、空軍、陸軍和海岸警衛(wèi)隊的工作，在休斯頓飛行指揮控制中心設(shè)立回收控制室和回收控制中心，全面指揮回收救援作業(yè)［2］。

美國載人飛船的水上救援回收工作主要由直升機投放潛水員和專用設(shè)備完成。1架救助直升機專門負責(zé)海面打撈裝具投放，搜索到返回艙后，懸停至海面返回艙上方區(qū)域范圍內(nèi)，搜救員用引導(dǎo)網(wǎng)射擊器將引導(dǎo)網(wǎng)射向返回艙，罩住返回艙后由直升機通過囊網(wǎng)整艙起吊至救助船甲板或陸地上由輪胎做成的返回艙座架，開艙營救航天員［2］。

2.1.2 蘇聯(lián)/俄羅斯的飛船返回艙海上應(yīng)急救援模式

蘇聯(lián)/俄羅斯在載人飛船著陸場的選擇與設(shè)計方面遵循“大著陸區(qū)”的原則，主要是采用陸上回收體制。聯(lián)盟號飛船主著陸場選擇在哈薩克斯坦的卡拉干達地區(qū)，三個應(yīng)急著陸區(qū)選擇在拜科努爾附件的哈薩克斯坦、北美大草原和鄂霍次克海(太平洋西北部邊海)［3］。

蘇聯(lián)/俄羅斯載人飛船的回收救援工作由空軍和海軍的專業(yè)搜救部隊以及與載人飛行有關(guān)的機構(gòu)和部門共同完成。為了搜索救援應(yīng)急濺落至海上的航天員，通常采用搜索救援直升機、空降救生汽艇、汽艇空間設(shè)備等組成海上救援系統(tǒng)。其中，汽艇配備了用于拖曳和系吊返回艙的牽引設(shè)備。另外，還包括搜索救援水陸兩用飛機和船載搜救直升機等。俄羅斯聯(lián)盟號飛船返回的海上應(yīng)急救援主要采用與美國、加拿大等國家進行國際合作的方式，每年進行一次海上應(yīng)急救援試驗。通過飛機盡可能靠近返回艙并將航天員轉(zhuǎn)移到飛機，后由全地形輪式兩棲車輛的船員完成返回艙及殘骸的回收，將其拖到岸邊并用起重機將其拉出水面［3］。

國外飛船返回艙海上應(yīng)急救援主要是面向低海況條件下完成的，高海況條件下直升機起飛受限，返回艙捕獲打撈并沒有很好的解決方案［4］。

2.1.3 我國載人飛船發(fā)射海上應(yīng)急搜救模式

我國載人飛船發(fā)射海上應(yīng)急搜救采用“海上打撈返回艙、船上救援航天員”的工作模式，由交通運輸部救撈系統(tǒng)搜救力量完成，3個海上濺落區(qū)各部署1艘主力救撈船，船上配備有搜索定向、返回艙打撈、醫(yī)療救護和遠程通信設(shè)備［5］。

在返回艙打撈方面，我國基于大功率救撈船的應(yīng)用狀態(tài)，針對飛船返回艙表面光滑、無法勾掛/系留等特點，借鑒漁業(yè)捕撈、水上污油回收等技術(shù)，自主研制了高海況打撈設(shè)備，以救撈船為母體，采用舷側(cè)拖曳柔性網(wǎng)打撈、船艉起吊的方案，初步解決了在高、低海況條件下打撈飛船返回艙、救援航天員的難題［6，7］。

在搜索定向方面，救撈船通過加裝超短波定向儀［8］，對濺落在海上的返回艙信標(biāo)信號進行搜索定位;當(dāng)出現(xiàn)常規(guī)定位手段失去效用的極端情況時，利用海上過往商船資源作為應(yīng)急搜尋的補充手段。

在通信與信息支持方面，海上各救撈船利用現(xiàn)有的海事衛(wèi)通設(shè)備完成與北京的船位數(shù)據(jù)傳輸及后支醫(yī)院的話音通信。目前，僅有離岸較近的濺落區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)與北京的視頻通信。

2.2 問題分析

1)現(xiàn)有裝備保障模式，核心裝備規(guī)模龐大、加改裝工程復(fù)雜，任務(wù)成本高，不適應(yīng)空間站工程階段“高頻度發(fā)射、常態(tài)化搜救”的要求。

現(xiàn)有高海況打撈、搜索定位等設(shè)備，是載人航天工程海上應(yīng)急搜救專用設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不具備通用性，不能為日常海事救助任務(wù)所用，每次任務(wù)裝船前需提前近2個月對設(shè)備進行全面的檢查和測試以確保設(shè)備狀態(tài)滿足裝船要求，任務(wù)后又需要將所有的專用設(shè)備全部拆卸并需要專用倉庫和場地來保存，加改裝施工周期長，維護保養(yǎng)難度大，任務(wù)成本期間基本喪失應(yīng)急救助搶險功能，對日常海上應(yīng)急救助搶險工作產(chǎn)生一定影響。

空間站工程階段“高頻度發(fā)射、常態(tài)化搜救”的特點，要求海上應(yīng)急救援保障平臺在裝備保障上應(yīng)盡力實現(xiàn)不拆不卸。需要對高海況打撈、搜索定位、醫(yī)療救護等設(shè)備進行優(yōu)化、簡化，對通信系統(tǒng)的設(shè)備硬件、軟件和鏈路資源進行一體化設(shè)計，盡量做到任務(wù)前后對裝備設(shè)施不裝卸或減少裝卸工程量，縮短船舶加改裝時間，降低加改裝經(jīng)費投入。在完全具備海上應(yīng)急救援保障能力的前提下便于設(shè)備的操作使用和維護保養(yǎng)，同時能夠作為救撈船舶的有機組成部分，在日常海上救助中發(fā)揮效能。

2)現(xiàn)有任務(wù)實施模式任務(wù)準(zhǔn)備復(fù)雜，快速響應(yīng)能力不足。

現(xiàn)有模式下，交通運輸部領(lǐng)受任務(wù)后，參試各救助局的救撈船任務(wù)前需集結(jié)至某地集中進行船舶加改裝、設(shè)備測試、打撈訓(xùn)練及演練，任務(wù)解除后，參試船舶同樣需集結(jié)至某地進行船舶復(fù)原。任務(wù)準(zhǔn)備時間長，平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換慢，不能快速形成任務(wù)狀態(tài)。

空間站工程任務(wù)特點，要求海上應(yīng)急救援保障的組織實施必須遵循新的運轉(zhuǎn)模式，切實縮短參試力量的集結(jié)時間，降低任務(wù)準(zhǔn)備的工作量，減少準(zhǔn)備周期，快速形成戰(zhàn)斗力。

3 平戰(zhàn)結(jié)合保障模式設(shè)計

我國的載人航天工程經(jīng)過20多年的建設(shè)與發(fā)展，已經(jīng)由試驗性向應(yīng)用性轉(zhuǎn)變，對于地面支持系統(tǒng)，要求更好地綜合利用國家現(xiàn)有的設(shè)施資源，系統(tǒng)建設(shè)上注重軍民融合式發(fā)展。交通運輸部救撈系統(tǒng)，是我國海上救助打撈的專業(yè)力量，也是我國載人航天任務(wù)的海上應(yīng)急救援保障的可靠力量，依托大功率救撈船，開展“平戰(zhàn)結(jié)合”建設(shè)，將其建成航天任務(wù)海上應(yīng)急救援的專門保障船，是十分必要且可行的。此處的“平”是指日常海上應(yīng)急救助任務(wù)，“戰(zhàn)”是指載人航天工程海上應(yīng)急搜救任務(wù)。平戰(zhàn)結(jié)合模式的主要設(shè)計思路是按照“安全可靠、航天適用、救撈實用、簡約經(jīng)濟”的原則，建立運轉(zhuǎn)更加高效、穩(wěn)固、有力的組織實施模式，建成更加精簡但功能齊備的裝備保障模式，滿足“平”和“戰(zhàn)”兩方面任務(wù)要求。

3.1 組織實施模式

3.1.1 組織指揮

空間站工程海上應(yīng)急救援的組織指揮工作，采用“兩級指揮、軍地融合”的模式。兩級指揮關(guān)系是:第一級為北京航天搜救指揮中心，第二級為交通運輸部救撈局牽頭成立的海上應(yīng)急搜救指揮組;軍地融合是:在任務(wù)實施過程中，充分利用交通運輸部救撈局多次承擔(dān)海上應(yīng)急救援保障任務(wù)的工作經(jīng)驗，按照平戰(zhàn)結(jié)合的原則，將交通運輸部救撈系統(tǒng)現(xiàn)有海上日常救助打撈的組織指揮體系整體納入載人航天任務(wù)聯(lián)合搜救指揮體系，并保持其內(nèi)部組織指揮的相對獨立性，以充分發(fā)揮國家海上專業(yè)救助打撈隊伍高效、快捷的組織指揮優(yōu)勢，進而大大增強航天應(yīng)急搜救系統(tǒng)的整體可靠性。

按此組織指揮模式，交通運輸部救撈系統(tǒng)應(yīng)進一步加強組織機構(gòu)建設(shè)，將載人航天工程海上應(yīng)急救援保障任務(wù)納入救撈系統(tǒng)各參試單位日常職責(zé)范圍;研究完善海上應(yīng)急救援保障平戰(zhàn)結(jié)合綜合保障制度，建立健全包括業(yè)務(wù)培訓(xùn)、考核評價、總結(jié)交流及設(shè)備設(shè)施管用養(yǎng)修等內(nèi)容的常態(tài)化工作制度要求。

3.1.2 任務(wù)實施

執(zhí)行和解除任務(wù)時實現(xiàn)平戰(zhàn)快速轉(zhuǎn)換，參試力量根據(jù)任務(wù)情況就近、就便集結(jié)登船，參試船舶從原值班待命位置起航趕赴任務(wù)海區(qū)執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)正常解除后可直接返回母港或待命點。發(fā)生飛船返回艙應(yīng)急濺落至海上情況，按任務(wù)方案實施搜索、打撈、救援任務(wù)，由北京航天搜救指揮中心統(tǒng)一指揮實施航天員及返回艙轉(zhuǎn)運、移交等后續(xù)任務(wù)。

按此任務(wù)實施模式，高海況打撈設(shè)備、搜索定向設(shè)備、指揮通信設(shè)備和部分醫(yī)療救護設(shè)備等可以作為全天候救撈船設(shè)備的組成部分，在日常海上救撈工作中發(fā)揮作用，這些設(shè)備平時為救撈船使用和維護保養(yǎng)，設(shè)備研制單位提供技術(shù)保障。每次任務(wù)時，救撈船快速由“平時狀態(tài)”轉(zhuǎn)換至“任務(wù)狀態(tài)”，只需在屬地進行短時間、小范圍的設(shè)備加改裝和任務(wù)準(zhǔn)備，實現(xiàn)從“集中大范圍加改裝”向“屬地化部分加改裝”的轉(zhuǎn)變，從而避免了現(xiàn)有模式下救撈船集中式、大范圍、長時間的加改裝和任務(wù)準(zhǔn)備，進而提高保障效率、確保任務(wù)成效。

3.2 裝備保障模式

3.2.1 船舶平臺

按照“平戰(zhàn)結(jié)合”原則，可以結(jié)合交通運輸部救撈系統(tǒng)后續(xù)船舶建造計劃，選用大功率救助船舶建成載人航天任務(wù)海上應(yīng)急救援的專業(yè)保障船。在其設(shè)計、建造工作中，統(tǒng)籌考慮高海況打撈回收設(shè)備、搜索定位設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備及專用艙室、通信指揮設(shè)備的布局和加裝等工作，實現(xiàn)裝備一次加裝、隨船使用;設(shè)備裝船后由所在船舶負責(zé)維護、保養(yǎng);強化設(shè)備操作人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高裝備“平”和“戰(zhàn)”的應(yīng)用水平。

3.2.2 新型高海況打撈設(shè)備

按照“平戰(zhàn)結(jié)合”原則設(shè)計的高海況打撈設(shè)備，在保證安全可靠的前提下，應(yīng)盡量采用船舶固有設(shè)備，簡化返回艙專用設(shè)備，做到平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時不拆不卸或少拆少卸，節(jié)約投入成本，提高快速響應(yīng)能力。

新型高海況打撈設(shè)備的設(shè)計，應(yīng)去除現(xiàn)有設(shè)備中占用后甲板很大空間的龍門架、返回艙座架等裝置，可借鑒海洋漁業(yè)臂架式拖網(wǎng)技術(shù)方法，綜合利用船舶固有的攔截臂、左右曳綱絞車和攔截臂后張緊繩絞車等設(shè)備，加裝返回艙起吊防搖裝置，聯(lián)合柔性打撈網(wǎng)，實現(xiàn)返回艙船側(cè)打撈、攔截和起吊一體化功能。新設(shè)備系統(tǒng)中，返回艙防搖裝置、打撈網(wǎng)以及返回艙簡易座架，均采用模塊化設(shè)計和快速安裝工藝，以提高系統(tǒng)設(shè)備裝拆的便利性。新型高海況打撈設(shè)備設(shè)計效果圖如圖1所示。

3.2.3 新型船載搜索定向設(shè)備

對現(xiàn)有船載定向儀進行功能改進，實現(xiàn)對返回艙多個搜索合作目標(biāo)的測向功能。同時，新研制的船載超短波定向儀加裝至救撈船后將作為隨船設(shè)備不再拆卸，由船上人員對其進行日常檢修、維護、使用，既能在載人航天任務(wù)期間完成返回艙搜索任務(wù)，也可以在日常海上救助搶險中發(fā)揮作用。

圖1 新型高海況打撈設(shè)備設(shè)計效果圖Fig.1 Effect drawing of a new design for salvage equipment under high sea condition

3.2.4 船載醫(yī)療救護設(shè)備

醫(yī)療救護系統(tǒng)建設(shè)與選定的救撈船舶設(shè)計建造同步進行，按照同時救助3名航天員的醫(yī)療救護要求，在同層甲板預(yù)設(shè)搶救、手術(shù)、保障等功能性艙室，并規(guī)范病員呼叫、視頻會商、醫(yī)療隊攜帶設(shè)備器材固定等相關(guān)接口，實現(xiàn)一次建設(shè)到位、不再反復(fù)拆卸，為長期頻繁執(zhí)行空間站工程任務(wù)提供良好的船上醫(yī)療救護條件［9］。

3.2.5 指揮通信設(shè)備

在指揮通信裝備方面，綜合利用交通應(yīng)急寬帶VSAT系統(tǒng)及資源，對船舶現(xiàn)有通信手段進行設(shè)備增配或適當(dāng)擴容，使其在裝備硬件上同時具備B區(qū)、C區(qū)和沿海區(qū)域遠程視頻通信保障能力，滿足3個應(yīng)急濺落區(qū)船舶向岸基中心1 Mbps帶寬傳輸速率要求。

4 平戰(zhàn)結(jié)合模式效益分析

4.1 任務(wù)實施效益分析

載人航天工程海上應(yīng)急救援保障任務(wù)的實施流程，主要包括任務(wù)通報、任務(wù)準(zhǔn)備、任務(wù)實施、力量復(fù)原、任務(wù)總結(jié)等5個階段。通過測算，從救援力量集結(jié)到任務(wù)結(jié)束后搜救力量復(fù)原(不包括前期救援方案編報、應(yīng)急救援設(shè)備前期檢測和試驗、任務(wù)總結(jié)等)，現(xiàn)有模式下實施1次任務(wù)需要75天，平戰(zhàn)結(jié)合模式可實現(xiàn)“平”和“戰(zhàn)”快速轉(zhuǎn)換，僅需30天，大大縮短了任務(wù)周期。同時，任務(wù)后也能快速復(fù)原，確保不影響日常海上救助搶險打撈工作。見表1。

表1 平戰(zhàn)結(jié)合模式與現(xiàn)有模式任務(wù)實施時間對比表Table 1 Comparison of implementation time for integrating routine and emergency mode and current mode

4.2 裝備效益分析

現(xiàn)有模式下，搜救打撈設(shè)備是載人航天任務(wù)的特有裝備，任務(wù)前需要加裝，任務(wù)后必須拆卸以恢復(fù)船舶的平時救助功能;采用平戰(zhàn)結(jié)合模式后，搜救設(shè)備可以在設(shè)計、采辦、使用及維護等環(huán)節(jié)與船舶實現(xiàn)了裝備一體化，既能完成載人航天任務(wù)，也不影響船舶的平時救助功能并能發(fā)揮有效作用，可大大提升救援保障平臺的整體效能。

4.3 經(jīng)濟效益分析

按現(xiàn)有模式，搜索定向、高海況打撈等設(shè)備，設(shè)計壽命均為10年。按20年10次任務(wù)計算，空間站工程中期需對全部設(shè)備進行1次更新。從載人航天工程前期任務(wù)實施效果來看，設(shè)備的更新改造、維護保養(yǎng)等費用較高。以高海況打撈設(shè)備為例，通過對設(shè)備研制生產(chǎn)、設(shè)備維護及維修保養(yǎng)、設(shè)備測試與技術(shù)支持、設(shè)備加改裝及消耗費等裝備保障各環(huán)節(jié)的成本核算，采用平戰(zhàn)結(jié)合模式進行研制生產(chǎn)，一次性投入方案設(shè)計和系統(tǒng)試驗費，設(shè)備壽命期可達20年，每次任務(wù)前后的設(shè)備維護保養(yǎng)及加改裝費大大縮減，且節(jié)省了救撈船自帶的吊機等設(shè)備的經(jīng)費投入，投入成本僅為現(xiàn)有模式的30%。

5 結(jié)論

我國載人航天工程已進入空間站工程建設(shè)階段，海上應(yīng)急救援迫切需要轉(zhuǎn)變保障模式以適應(yīng)新的任務(wù)特點和要求。采用“平戰(zhàn)結(jié)合”的保障模式，搜救裝備可實現(xiàn)與救撈船舶平臺的一體化設(shè)計，裝備保障更加精簡通用，任務(wù)實施更為順暢高效，縮減了任務(wù)成本，提高了裝備效能;同時，海上應(yīng)急救援保障“平戰(zhàn)結(jié)合”設(shè)計與實現(xiàn)，既為未來載人航天任務(wù)海上著陸場建設(shè)提供有力的裝備支撐和技術(shù)支撐，也為我國海上救助和高海況條件下的應(yīng)急搶險打撈增強了能力，應(yīng)用前景廣闊，具有重要的軍事、社會與經(jīng)濟價值。建議進一步加強論證設(shè)計，抓住時機，盡早開展并投入使用，為國民經(jīng)濟發(fā)展和載人航天工程建設(shè)做出貢獻。

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