張道昶，樊忠澤

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉,732750)

0 引言

“快速響應空間”(operationally responsive space,ORS)[1-2]是航天體系建設與應用的新概念，突破了傳統(tǒng)空間系統(tǒng)的長壽命、全功能、高造價設計理念，以快速應對突發(fā)戰(zhàn)爭和處理突發(fā)危機為目標，具有短周期、主功能、低成本的特點，響應時間成為第一標準，即衛(wèi)星發(fā)射需求提出后幾個小時內完成發(fā)射準備、入軌幾個小時甚至十幾分鐘內投入應用。

以美國為代表的航天強國正在積極發(fā)展以小衛(wèi)星、小運載等為主的快速響應空間技術，旨在提高對突發(fā)事件的快速響應能力[3-5]。美國通過“戰(zhàn)術星”試驗，探索了快速響應航天器的關鍵技術，實現(xiàn)了按需發(fā)射和快速響應的目標，正常運行狀態(tài)下能夠在24 h內對全球性突發(fā)事件做出響應。國外快速響應運載器已有多種型號，涵蓋多種發(fā)射方式，可在數(shù)天至數(shù)小時內快速將有效載荷送入空間，呈現(xiàn)出固體化、小型化趨勢[6]。

我國地理環(huán)境復雜，自然災害頻發(fā)，隨著經濟快速發(fā)展，大型事故影響日益嚴重，海外利益訴求逐年增多，需關注的熱點地區(qū)沖突逐步加劇，我空間系統(tǒng)可能受損重構，各種突發(fā)事件均需要航天器能夠及時提供對地觀測、區(qū)域通信、導航定位等功能，對航天器快速進入空間能力提出迫切要求[7-11]。

固體運載火箭具有簡單可靠、便于運輸與貯存、維護試驗方便等特點，具備快速準備與機動發(fā)射能力，是實現(xiàn)快速進入空間的有效手段[12-14]。本文討論了基于貯存的固體火箭發(fā)射任務模式，研究了貯存管理機制、任務規(guī)劃、發(fā)射流程等關鍵問題，為實現(xiàn)固體火箭應急發(fā)射、建設空間快速響應能力提供參考。

1 基于貯存的應急發(fā)射任務模式

應急發(fā)射對時效性要求極高，可通過響應時間來衡量，即從接到任務請求到為用戶提供所需空間信息服務的時間。根據(jù)文獻[15]，可將應急發(fā)射的響應時間要求分為5個等級。應急發(fā)射響應等級、響應時間要求及可能的響應模式之間的對應關系見表1。

從表1可知，貯存是提高應急發(fā)射響應等級的必要手段。

依據(jù)貯存狀態(tài)和響應時間，固體火箭貯存發(fā)射任務模式可分為3級。

(1) 待發(fā)值班模式

該模式的狀態(tài)基線是星箭對接完畢且已轉載上發(fā)射車，在發(fā)射陣地附近隱蔽待機。該模式下，星箭處于待發(fā)狀態(tài)，可以在1 h內完成發(fā)射。

(2) 整體貯存模式

該模式的狀態(tài)基線是星箭分別裝配完畢，狀態(tài)保持良好。該模式下，接到發(fā)射任務后，進行衛(wèi)星扣整流罩、星箭對接、測試、轉載等快速集成工作，之后機動待機，可以在1～24 h內完成發(fā)射。

(3) 分段貯存模式

該模式的狀態(tài)基線是火箭各級處于分離狀態(tài)，衛(wèi)星平臺與載荷分別貯存。該模式下，接到發(fā)射任務后，衛(wèi)星、火箭進行總裝、測試、快速集成工作，之后機動待機，可以在1～7 d內完成發(fā)射。

表1 應急發(fā)射響應等級、響應時間要求及可能的響應模式Table 1 Emergency response levels,response time requirements and possible response modes

2 基于目標的應急發(fā)射任務規(guī)劃

2.1 任務規(guī)劃內容及工作流程

基于目標的應急發(fā)射任務規(guī)劃是在給定任務背景下，實現(xiàn)任務目標籌劃、衛(wèi)星軌道規(guī)劃、發(fā)射任務編組、發(fā)射方案生成和任務計劃生成等功能，為應急發(fā)射各級指揮決策人員提供支持。

(1) 任務目標籌劃

針對災害監(jiān)測、應急救援、利益訴求等突發(fā)事件的空間區(qū)域信息支援任務，以任務意圖、現(xiàn)有空間系統(tǒng)實力、情報數(shù)據(jù)為輸入，開展應急發(fā)射態(tài)勢研判、分析，基于目標多屬性信息進行綜合測算排序，明確探測目標區(qū)域。

(2) 衛(wèi)星軌道規(guī)劃

以衛(wèi)星性能參數(shù)和目標區(qū)域為輸入，進行衛(wèi)星選型，開展衛(wèi)星軌道計算，基于特定規(guī)則按型號維度確定各型號衛(wèi)星對于探測目標區(qū)域的軌道優(yōu)選方案排序，提供偵察目標區(qū)域的衛(wèi)星星座及軌道參數(shù)遴選決策建議。

(3) 發(fā)射任務編組

統(tǒng)籌當前貯存裝備情況、參試隊伍能力及部署情況，確定火箭型號，開展衛(wèi)星入軌可行性檢查、空間碎片碰撞概率計算，劃分可行空域區(qū)塊，確定衛(wèi)星星座組網(wǎng)及軌道方案及火箭發(fā)射陣地組合形成發(fā)射任務編組。

(4) 發(fā)射方案優(yōu)化

根據(jù)發(fā)射任務編組，進行彈道規(guī)劃，生成火箭彈道參數(shù)(諸元起算數(shù)據(jù))，開展測控方案籌劃、發(fā)射車機動籌劃和保障方案籌劃，生成發(fā)射方案。根據(jù)衛(wèi)星星座部署計劃及火箭發(fā)射能力進行波次發(fā)射計劃分解，生成火箭發(fā)射卡片。

(5) 任務計劃生成

根據(jù)火箭發(fā)射卡片進行參試隊伍行動籌劃，明確隊伍部署，確定各衛(wèi)星發(fā)射間隔，根據(jù)碰撞預警約束和技發(fā)陣地交通約束等籌劃隊伍行動計劃，基于發(fā)射計劃和衛(wèi)星在軌運行計劃規(guī)劃保障資源及指導建議。同時開展火箭準備籌劃，對火箭下級對接、裝填轉運、整裝測試等進行時序規(guī)劃。形成諸元數(shù)據(jù)、隊伍行動時序，發(fā)射車機動路線和測控設備部署要求。

任務規(guī)劃典型工作流程如圖1所示。

2.2 彈道規(guī)劃

應急發(fā)射任務規(guī)劃的難點在于固體火箭彈道規(guī)劃問題，固體火箭由于自身的特點，其彈道設計方法無法繼承液體火箭和導彈的彈道設計方法。首先，固體火箭各級固體發(fā)動機一般采用耗盡關機，能量必須在飛行過程中全部耗盡，因而液體火箭通過控制關機時間實現(xiàn)不同任務模式下的彈道設計方法無法直接應用。其次，有效載荷入軌需要同時滿足多個軌道參數(shù)約束，固體戰(zhàn)略導彈以落點為單一終端約束的設計方法亦不適用。

2.2.1 彈道規(guī)劃難點

固體火箭彈道規(guī)劃主要有以下難點：

(1) 約束條件復雜

約束條件包括終端約束條件和飛行過程中的約束條件等。終端約束中，降交點地方時影響發(fā)射時間；軌道傾角影響發(fā)射點；軌道高度受限于運載能力；偏心率影響入軌點選擇，對于圓軌道可以任意點入軌，橢圓軌道需選擇近地點入軌，而轉移軌道能節(jié)省能量，但約束問題更復雜且需要發(fā)動機多次關機與點火，只有末級采用液體推進的火箭可以采用。中間約束條件包括飛行過程動壓、過載、測控等約束條件。同時，固體運載火箭的級數(shù)較多，彈道設計變量多，設計變量之間相互制約，耦合性強，故其彈道規(guī)劃優(yōu)化成為一類復雜的非線性問題，存在多個等式約束和不等式約束，約束條件和目標函數(shù)之間無法用明確的解析表達式表示，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法無法最大程度上尋找到其最優(yōu)解。

(2) 彈道設計能量管理難

能量管理是指在發(fā)動機工作過程中對發(fā)動機輸出的能量實時有效的控制和使用，最終實現(xiàn)入軌要求的能量消耗策略。對于未達到運載能力極限的發(fā)射任務，均需進行能量管理，才能保證最終的入軌精度。以長征-11固體火箭為例，若三級制導律僅以三級耗盡點位置為約束，不進行能量管理，僅依靠四級動力飛行段很難實現(xiàn)大跨度的能量管理，因此必須從三級動力飛行段就開始實施大跨度的能量管理，消耗多余能量，滿足衛(wèi)星入軌要求。

(3) 諸元迭代周期長

由于優(yōu)化算法很難找到最優(yōu)解，需要在標準彈道設計完成后，需要人工不斷調整參數(shù)，通過不斷迭代獲取快舟系統(tǒng)諸元參數(shù)，這一迭代過程具有不確定性。

2.2.2 彈道規(guī)劃約束條件

彈道規(guī)劃的約束條件主要包括：

(1) 任務需求

同一型運載火箭，相同的有效載荷，根據(jù)不同的任務需求，將規(guī)劃出不同的彈道。包括入軌時間、軌道類型、星座組成、載荷類型等。

(2) 運載火箭本身性能

包括火箭的運載能力、制導方式、動壓約束、軸向過載約束、整流罩分離分子熱流約束等。

(3) 有效載荷對火箭彈道設計的要求

包括有效載荷質量、有效載荷軌道要求、有效載荷入軌姿態(tài)要求等。

(4) 地面測控約束以及航落區(qū)安全性要求等。

2.2.3 彈道規(guī)劃工作流程

彈道規(guī)劃的基本工作流程如圖2所示。為滿足應急發(fā)射響應時間要求，可針對給定任務，預先進行海量彈道規(guī)劃，并將結果存入數(shù)據(jù)庫。在接到任務后，選取近似規(guī)劃結果，以終端約束變化為目標進行外推，再進行彈道計算驗證，可以大大提高彈道規(guī)劃時效性。

3 固體火箭應急發(fā)射流程

固體火箭可采用陸基、?；涂栈l(fā)射，以陸基發(fā)射為例，發(fā)射方式一般有2種，一種是熱發(fā)射，火箭吊裝在發(fā)射車起豎支架上，發(fā)射時火箭起豎，坐落在隨車發(fā)射臺上，直接點火發(fā)射；另一種是冷發(fā)射，即火箭裝填在發(fā)射筒內隨發(fā)射車機動，發(fā)射時發(fā)射筒起豎，火箭彈射出筒，空中點火。

3.1 典型熱發(fā)射火箭應急發(fā)射流程

典型熱發(fā)射固體火箭應急發(fā)射流程如圖3所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段主要工作包括：火箭系統(tǒng)總檢查測試、火箭轉移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉移至測試廳、星箭聯(lián)合檢查、轉載上發(fā)射車?？焖偌晒ぷ饕话憧稍? h內完成。

(2) 機動待機階段

機動待機階段主要工作是：機動編組、機動行進、預定點待命、設備檢測。為避免意外突防事件影響發(fā)射時間，通常會提前到達發(fā)射點或其附近待命。

(3) 應急發(fā)射階段

應急發(fā)射階段的主要工作是：狀態(tài)準備、射前檢查、衛(wèi)星測試、起豎、瞄準、諸元裝訂、點火起飛。應急發(fā)射一般可在4 h內完成；若不進行衛(wèi)星測試，可在2 h內完成；若采用自主定位定向技術，可在1 h內完成。

3.2 典型冷發(fā)射火箭應急發(fā)射流程

典型冷發(fā)射固體火箭應急發(fā)射流程如圖4所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段的主要工作包括：火箭系統(tǒng)總檢查測試、火箭轉移至裝填廳、火箭裝填進發(fā)射筒、初容室總裝(即彈射動力裝置總裝)、火箭轉移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉移至測試廳、星箭聯(lián)合檢查、轉載上發(fā)射車。快速集成工作一般可在12 h內完成。

(2) 機動待機階段

機動待機階段主要工作與熱發(fā)射固體火箭基本相同。

(3) 應急發(fā)射階段

應急發(fā)射階段的主要工作是：狀態(tài)準備、射前檢查、衛(wèi)星測試、瞄準、諸元裝訂、起豎、點火彈射、空中點火飛行。應急發(fā)射一般可在4 h內完成；若不進行衛(wèi)星測試，可在2 h內完成；若采用自主定位定向技術，可在1 h內完成。

4 應急發(fā)射任務效果評估

由于航天發(fā)射的高成本、低庫存、要求高等特殊性，快速評估航天應急發(fā)射的一個重要環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)應急發(fā)射任務的快速效果評估，需建立自動化快速評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時收集各項參數(shù)數(shù)據(jù)，通過多種評估方法，必要的情況下參考內設數(shù)據(jù)庫，快速有效完成對評估結果的分析、整理，生產評估報告。

自動化快速評估系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

(1) 指標選取

選取出候選指標，而后可對候選指標進行相干性分析、主成分分析，通過篩選和變換獲得滿足要求的指標集合。

(2) 構造指標體系

為指標設定層級并建立指標間的依賴關系，并對不宜直接度量的指標進行分解。最終建立起由效能指標和性能指標構成的指標體系。

(3) 創(chuàng)建評估方案

評估方案是對同一類型的評估對象進行評估的依據(jù)。評估方案由指標體系和各個指標的單一評估方案組成。每個指標的單一評估方案是一個由輸入指標、輸出指標、樣本數(shù)據(jù)、各類評估方法組成的計算流程。

(4) 選取/創(chuàng)建評估算法

評估算法庫提供AHP，模糊綜合評估法，灰色白化權函數(shù)聚類，TOPSIS，DEA，ADC等典型評估算法。創(chuàng)建評估流程時可以從系統(tǒng)提供的評估算法庫中直接選取，也可通過公式、腳本語言、算法插件等3種方式對現(xiàn)有評估方法庫進行擴展，構造出滿足需求的評估方法。

(5) 評估數(shù)據(jù)采集與處理

評估樣本數(shù)據(jù)包括測試數(shù)據(jù)，地基測控數(shù)據(jù)，天基測控數(shù)據(jù)，并可與Oracle，SQLServer，MySQL，MongoDB等多種數(shù)據(jù)庫適配。

(6) 創(chuàng)建評估任務

評估任務是在已建立評估方案的基礎上，針對若干明確的評估對象進行的一次具體評估活動。評估任務使用的數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)預處理模塊從各數(shù)據(jù)源獲得的數(shù)據(jù)。

(7) 執(zhí)行評估任務

按照評估方案自底向上逐層計算，獲得指標體系中所有指標關于每一個評估對象的評估結果。

(8) 查看評估結果

在評估任務正確執(zhí)行后，能夠通過多種可視化手段，查看各評估對象各指標的評估結果。

(9) 生成評估報告

評估報告中包含指標體系、評估方案、評估結果等信息。評估報告采用文字、圖表顯示各類信息。

5 結束語

針對災害監(jiān)測、熱點沖突監(jiān)視、區(qū)域信息增強、空間系統(tǒng)補網(wǎng)重構等突發(fā)事件的空間需求，對固體運載火箭和衛(wèi)星進行值班貯存，基于綜合成本評估對貯存產品實行滾動更替，并通過貯存環(huán)境控制和健康管理確?；鸺l(wèi)星狀態(tài)完好，可以實現(xiàn)成本最優(yōu)。接到發(fā)射任務后，進行任務規(guī)劃，并按照應急發(fā)射流程組織實施應急發(fā)射并確保衛(wèi)星入軌，能夠及時為突發(fā)事件提供空間信息支援。