張國(guó)強(qiáng), 鄧武東, 范 凱, 吳躍鶯
(1.上海衛(wèi)星工程研究所, 上海 201109; 2.上海衛(wèi)星裝備研究所, 上海 200240)
快速響應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)快速測(cè)試技術(shù)
張國(guó)強(qiáng)1, 鄧武東1, 范 凱1, 吳躍鶯2
(1.上海衛(wèi)星工程研究所, 上海 201109; 2.上海衛(wèi)星裝備研究所, 上海 200240)
介紹了快速響應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)快速測(cè)試流程及與火箭快速對(duì)接方法。應(yīng)用結(jié)果表明衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)工作周期從35天以上縮減到7天。新型衛(wèi)星翻身對(duì)接方法適用于衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的水平對(duì)接,該方案操作簡(jiǎn)單且降低了衛(wèi)星翻身工作對(duì)發(fā)射場(chǎng)廠房的設(shè)備要求,對(duì)快速響應(yīng)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和測(cè)試有一定的參考價(jià)值。
快速響應(yīng)衛(wèi)星; 發(fā)射場(chǎng); 測(cè)試; 水平對(duì)接
小衛(wèi)星以重量輕、體積小、成本低、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)逐漸成為衛(wèi)星發(fā)展的重要方向[1-2]。小衛(wèi)星采用快速研制、快速發(fā)射和快速應(yīng)用的方式,解決在軌運(yùn)行衛(wèi)星由于數(shù)量、軌道或性能等原因無(wú)法滿足應(yīng)急任務(wù)需求的難題,體現(xiàn)“小、快、省”特點(diǎn)。采用模塊化、集成化和系列化的發(fā)展思路,打造公用的寬適應(yīng)的小衛(wèi)星平臺(tái),采用載荷即插即用技術(shù),提供載荷快速設(shè)計(jì)和快速集成的能力,以及載荷自主運(yùn)行技術(shù)等成為快速響應(yīng)衛(wèi)星研究和發(fā)展的重點(diǎn)[3-5]。在快速響應(yīng)衛(wèi)星研制、發(fā)射過(guò)程中,基于模塊化設(shè)計(jì)以縮短總裝周期,基于測(cè)試設(shè)備通用化和自動(dòng)化加快測(cè)試和試驗(yàn)進(jìn)程,基于快速發(fā)射運(yùn)載火箭和快速發(fā)射機(jī)制以實(shí)現(xiàn)快速部署[6-7]。本文在分析快速響應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)快速測(cè)試需求及快速對(duì)接特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出快速測(cè)試技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法,該方法縮短了衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試周期且適應(yīng)快速響應(yīng)運(yùn)載火箭的“水平對(duì)接、水平運(yùn)輸”特點(diǎn)。
傳統(tǒng)衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試工作按時(shí)間順序分別在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)進(jìn)行,技術(shù)區(qū)工作主要包括卸車(chē)、技術(shù)安全檢查、衛(wèi)星及設(shè)備開(kāi)箱自檢、衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、衛(wèi)星改裝、衛(wèi)星精度測(cè)量、衛(wèi)星平臺(tái)電測(cè)試、衛(wèi)星有效載荷電測(cè)試、衛(wèi)星模飛、活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)、光照試驗(yàn)、衛(wèi)星加注和星箭對(duì)接,星箭轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)后進(jìn)行發(fā)射區(qū)測(cè)試和衛(wèi)星狀態(tài)設(shè)置,最后完成發(fā)射。傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試周期為35天~60天??焖夙憫?yīng)衛(wèi)星主要任務(wù)在于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件,達(dá)到快速集成、測(cè)試、發(fā)射和在軌應(yīng)用的目的,一般要求衛(wèi)星在1周內(nèi)完成發(fā)射場(chǎng)測(cè)試工作具備發(fā)射條件。1天內(nèi)完成發(fā)射和在軌測(cè)試工作具備在軌交付及應(yīng)用的條件[8]。
傳統(tǒng)運(yùn)載火箭在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試和發(fā)射工作具有兩個(gè)特點(diǎn):一是運(yùn)載火箭采用固定的火箭發(fā)射工位及發(fā)射塔架進(jìn)行發(fā)射;二是衛(wèi)星與運(yùn)載對(duì)接采用垂直對(duì)接方式。發(fā)射塔架用于運(yùn)載火箭箭體對(duì)接、測(cè)試和燃料加注,用于星箭對(duì)接操作、衛(wèi)星測(cè)試及發(fā)射。運(yùn)載火箭或者先采用水平運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射塔架進(jìn)行箭體對(duì)接,火箭測(cè)試后再進(jìn)行星箭垂直對(duì)接;或者先進(jìn)行星箭垂直對(duì)接,再采用星箭垂直運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射塔架,完成星箭測(cè)試、檢查后進(jìn)行火箭推進(jìn)劑加注,然后執(zhí)行發(fā)射任務(wù)[9-10]。
快速響應(yīng)運(yùn)載火箭為縮短發(fā)射場(chǎng)測(cè)試和發(fā)射周期,減少對(duì)發(fā)射塔架的依賴(lài)性,在發(fā)射場(chǎng)技術(shù)區(qū)進(jìn)行星箭水平對(duì)接,采用星箭水平運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射地點(diǎn),然后通過(guò)火箭起豎車(chē)進(jìn)行火箭起豎,液體火箭在起豎后進(jìn)行推進(jìn)劑加注,固體火箭則在起豎后直接進(jìn)行發(fā)射。采用星箭水平對(duì)接和水平運(yùn)輸方案,運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)集成、測(cè)試周期可縮短1天~2天。根據(jù)快速響應(yīng)運(yùn)載火箭的特點(diǎn),快速響應(yīng)衛(wèi)星須具備星箭水平對(duì)接和水平運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>
3.1快速測(cè)試流程
傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試流程項(xiàng)目多、耗時(shí)長(zhǎng),主要原因如下:
a) 衛(wèi)星部分產(chǎn)品采用單獨(dú)運(yùn)輸,須在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行總裝操作;
b) 衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在發(fā)射場(chǎng)采用常壓累積檢漏法進(jìn)行全系統(tǒng)檢漏;
c) 衛(wèi)星電測(cè)試內(nèi)容不僅包含功能測(cè)試,還包含大部分分系統(tǒng)及單機(jī)產(chǎn)品的性能測(cè)試;
d) 在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)、精度測(cè)量和光照試驗(yàn),衛(wèi)星狀態(tài)須多次改變,衛(wèi)星試驗(yàn)狀態(tài)建立及總裝過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。
通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星和快速響應(yīng)衛(wèi)星的特點(diǎn)及發(fā)射場(chǎng)工作項(xiàng)目的必要性進(jìn)行分析,對(duì)衛(wèi)星測(cè)試流程進(jìn)行優(yōu)化,以縮短測(cè)試周期。
(1) 整星運(yùn)輸
快速響應(yīng)衛(wèi)星在發(fā)射前采用模塊或整星貯存的方式在衛(wèi)星廠房進(jìn)行存放,接到發(fā)射任務(wù)后衛(wèi)星在廠房進(jìn)行快速集成、測(cè)試并整星運(yùn)輸至發(fā)射場(chǎng),衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)不進(jìn)行總裝操作,節(jié)省了總裝及相關(guān)測(cè)試、狀態(tài)確認(rèn)的時(shí)間。
(2) 保壓法檢漏
采用“保壓法檢漏”代替“常壓累積檢漏法全系統(tǒng)檢漏”。常壓累積檢漏法是在衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)充入一定工作壓力的示漏氣體(一般為氦氣),將衛(wèi)星裝入衛(wèi)星包裝箱內(nèi),然后每隔一定時(shí)間(一般為12 h)采集一次包裝箱壓力、溫濕度值,并用氦質(zhì)譜檢漏儀讀取包裝箱內(nèi)的氦氣濃度值,采集一定次數(shù)(一般為8次~10次)的數(shù)據(jù)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以判斷推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)外漏率是否滿足指標(biāo)要求。保壓法是在衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)充入一定工作壓力的示漏氣體(一般為氦氣),在一定時(shí)間(一般為24 h)持續(xù)采集系統(tǒng)內(nèi)部壓力,以判讀其密封情況?!氨悍z漏”操作簡(jiǎn)單,耗時(shí)短,最小可檢漏率為1×10-3Pa·m3/s,可以用于判定推進(jìn)系統(tǒng)在經(jīng)歷整星運(yùn)輸后是否發(fā)生螺接松動(dòng)、焊縫開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題。
(3) 產(chǎn)品狀態(tài)確認(rèn)
快速響應(yīng)衛(wèi)星在研制中對(duì)其部組件、分系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目覆蓋功能及性能,提前暴露產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,在模塊或整星貯存前剔除失效產(chǎn)品。產(chǎn)品依據(jù)貯存可靠性要求進(jìn)行定期檢測(cè),以確保產(chǎn)品的功能和性能滿足產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求[11]。在發(fā)射場(chǎng)取消衛(wèi)星產(chǎn)品性能測(cè)試,僅對(duì)衛(wèi)星蓄電池進(jìn)行充電,衛(wèi)星加電,通過(guò)發(fā)送遙控指令和觀察遙測(cè)參數(shù)判讀產(chǎn)品狀態(tài)是否正常。
(4) 展開(kāi)試驗(yàn)、光照試驗(yàn)、精度測(cè)量
衛(wèi)星活動(dòng)部件、有精度要求的單機(jī)以及太陽(yáng)陣電池片等產(chǎn)品在飛機(jī)運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸或火車(chē)運(yùn)輸經(jīng)歷的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)遠(yuǎn)小于地面試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)量級(jí),衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)可以不進(jìn)行活動(dòng)部件展開(kāi)試驗(yàn)、太陽(yáng)電池陣光照試驗(yàn)和單機(jī)精度測(cè)量[12]。
通過(guò)流程優(yōu)化,快速響應(yīng)衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)工作周期從傳統(tǒng)衛(wèi)星的35天以上縮減到7天,包括卸車(chē)及技術(shù)安全檢查0.5天、衛(wèi)星及設(shè)備開(kāi)箱檢查0.5天、全系統(tǒng)檢漏1天、電測(cè)試1天、模飛0.5天、加注0.5天、星箭對(duì)接1天、星箭轉(zhuǎn)運(yùn)1天、衛(wèi)星狀態(tài)設(shè)置及發(fā)射1天。
3.2快速對(duì)接方案
快速響應(yīng)運(yùn)載火箭要求衛(wèi)星采用水平狀態(tài)進(jìn)行星箭對(duì)接,對(duì)接前衛(wèi)星及衛(wèi)星支架須從垂直停放狀態(tài)翻身90°至水平狀態(tài)。目前常用的衛(wèi)星翻身方法主要有兩種,一種是衛(wèi)星垂直停放于L型梁,采用雙行車(chē)或雙吊鉤對(duì)整體進(jìn)行翻身,另一種是利用兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行翻身。兩種方法需要的衛(wèi)星工裝較多,包括L型梁或兩軸轉(zhuǎn)臺(tái),且對(duì)廠方條件要求較高,須配套雙行車(chē)或雙吊鉤,另外,翻身過(guò)程操作復(fù)雜。為了滿足衛(wèi)星翻身以及水平對(duì)接的需要,設(shè)計(jì)一種新型衛(wèi)星翻身對(duì)接工裝,用于衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的水平對(duì)接。
水平翻身對(duì)接工裝主要由連接衛(wèi)星框架組件、支撐腿組件、停放車(chē)等部分組成。衛(wèi)星翻身過(guò)程操作步驟如下。
(1) 豎直停放
在衛(wèi)星兩側(cè)安裝連接衛(wèi)星框架組件,將衛(wèi)星吊帶、一字吊具通過(guò)卸扣與連接衛(wèi)星框架組件的上端吊耳相連接,利用行車(chē)起吊衛(wèi)星,直至連接衛(wèi)星框架組件下端進(jìn)入兩條支撐腿組件上端的凹槽,將這兩條支撐腿組件上端的蓋板合上,用緊固件擰緊,如圖1(a)所示。
圖1 衛(wèi)星水平翻身過(guò)程示意圖
(2) 90°翻轉(zhuǎn)
以連接衛(wèi)星框架組件下端與支撐腿組件接觸的部分為旋轉(zhuǎn)中心,利用行車(chē)控制衛(wèi)星按照?qǐng)D1(b)所示方向翻轉(zhuǎn)90°,直至連接衛(wèi)星框架組件上端進(jìn)入兩條支撐腿組件上端的凹槽。
(3) 水平起吊
通過(guò)卸扣、吊帶將兩根一字吊具、4個(gè)花籃螺絲、安裝在連接衛(wèi)星框架組件上端、下端吊耳,將兩條支撐腿組件上端蓋板打開(kāi),利用行車(chē)將衛(wèi)星起吊至運(yùn)載火箭支撐艙相應(yīng)高度,如圖1(c)所示,通過(guò)調(diào)節(jié)吊具花籃螺絲改變衛(wèi)星水平度使衛(wèi)星姿態(tài)滿足水平對(duì)接要求,對(duì)準(zhǔn)刻線完成星箭水平對(duì)接。
快速響應(yīng)衛(wèi)星在完成星箭水平對(duì)接后整箭運(yùn)輸至發(fā)射區(qū),在火箭發(fā)射前進(jìn)行主動(dòng)段狀態(tài)設(shè)置并完成發(fā)射。水平運(yùn)輸過(guò)程星箭界面處的最大軸向過(guò)載系數(shù)為±1.0,最大橫向過(guò)載系數(shù)為2.0,運(yùn)載火箭起豎過(guò)程星箭界面處的最大軸向過(guò)載系數(shù)為±1.0,最大橫向過(guò)載系數(shù)為3.0,量級(jí)均小于火箭飛行過(guò)載,因此星箭水平運(yùn)輸對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)和力學(xué)試驗(yàn)無(wú)影響。
長(zhǎng)征-11運(yùn)載火箭是快速響應(yīng)型固體運(yùn)載火箭,于2015年9月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成首次飛行,成功發(fā)射了浦江一號(hào)衛(wèi)星。長(zhǎng)征-11要求衛(wèi)星適應(yīng)水平對(duì)接、水平運(yùn)輸、水平測(cè)試和整體起豎的測(cè)發(fā)模式,適應(yīng)運(yùn)載火箭運(yùn)輸、測(cè)試、發(fā)射和飛行過(guò)程中的各種環(huán)境條件,具備發(fā)射場(chǎng)快速對(duì)接、快速測(cè)試、快速發(fā)射的能力。浦江一號(hào)衛(wèi)星采用整星運(yùn)輸方式,依據(jù)快速測(cè)試流程完成了衛(wèi)星全系統(tǒng)檢漏、電測(cè)試、模飛、加注、星箭對(duì)接、星箭轉(zhuǎn)運(yùn)及發(fā)射工作,有效工作時(shí)間7天。浦江一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行各項(xiàng)功能性能正常,滿足設(shè)計(jì)壽命要求,表明本文提出的快速測(cè)試流程及快速對(duì)接方案適用于衛(wèi)星。為我國(guó)后續(xù)應(yīng)用于抗震救災(zāi)、海上救援、突發(fā)事件等用途的快速響應(yīng)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、測(cè)試奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。保壓法檢漏、產(chǎn)品狀態(tài)確認(rèn)也可以應(yīng)用于傳統(tǒng)衛(wèi)星以縮短發(fā)射場(chǎng)工作時(shí)間,提高發(fā)射場(chǎng)廠房、設(shè)備的利用率,加快航天裝備速度。
本文針對(duì)快速響應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)快速測(cè)試的需求,結(jié)合快速響應(yīng)運(yùn)載火箭水平對(duì)接、水平運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)特點(diǎn),提出了一種較為優(yōu)化的衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試流程,使衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)工作周期從35天以上縮減到7天,提出了一種新型衛(wèi)星翻身對(duì)接方法用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的水平對(duì)接,該方法操作簡(jiǎn)單且降低了對(duì)發(fā)射場(chǎng)廠房的設(shè)備要求。
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RapidTestTechnologyofOperationallyResponsive
SatelliteatCosmodrome
ZHANGGuo-qiang1,DENGWu-dong1,FANKai1,WUYue-ying2
(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)
Rapid test flow of operationally responsive satellite and new method used to horizontal docking were introduced. The application results showed that the period of test and launch flow can reduce from thirty-five days to seven days. The method of horizontal docking was suitable to operationally responsive launch vehicle and operationally responsive satellite. The method was easy operation and reducing requirement for cosmodrome equipment. The study is valuable to operationally responsive satellite design test and launch.
operationally responsive satellite; cosmodrome; test; horizontal docking
1671-0576(2017)02-0034-04
2016-03-21
張國(guó)強(qiáng)(1984-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作。
V474
A