秦 嶺，馮 超，王亞洲，王華生

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

0 引言

隨著以長征二號丙火箭為代表的常規(guī)液體運載火箭發(fā)射密度逐年增加，同地連續(xù)發(fā)射、多地交叉發(fā)射的情況已成常態(tài)。地面發(fā)射支持系統作為長征二號丙火箭系統的重要組成部分，具有一次投入多次使用、使用頻率高、產品差異大、檢修時間短等特點，普遍適用的航天產品保障方案已經不能滿足要求。為了適應長征二號丙火箭高密度、多地交叉發(fā)射的特點，需要制定針對性、差異化的保障方案，根據產品特點，從設計方案、檢修安排、產品生產、備件管理、人員保障等方面，對總體保障方案進行優(yōu)化［1-3］。

1 現狀分析

1.1 國外技術發(fā)展現狀

獵鷹-9火箭于2002年開始研制，是一種兩級可重復使用運載火箭，具有高可靠性、低成本和快速響應發(fā)射等特點，由美國太空探索技術公司（SpaceX）研制。該火箭推進劑采用液氧/煤油，第一級和第二級通過降落傘降落水面并回收重復使用。

獵鷹-9火箭采用水平對接、水平測試、水平轉運發(fā)射方式，水平轉運到發(fā)射中心后，進行箭地連接、綜合測試、箭體起豎、加注、發(fā)射，見圖1～2。這種方式下，火箭和有效載荷組裝在技術區(qū)一次完成，組裝條件良好，易于提高操作質量。在發(fā)射區(qū)整體起豎大大縮短了發(fā)射工位的占用時間，同時這種方式不必建造高大的測試廠房，降低了成本。

圖1 獵鷹-9火箭對接、轉運及發(fā)射場Fig.1 Falcon 9 rocket docking,transfer and launching site

圖2 獵鷹-9火箭整體起豎Fig.2 Falcon 9 rocket upright

獵鷹-9火箭的星箭水平對接方式操作簡便、發(fā)射準備時間短，不同于傳統火箭在勤務塔進行級間垂直對接、星箭垂直對接的方式。該類型火箭不需要建造工程量較大的勤務塔，火箭運輸起豎臺架兼顧臍帶塔功能。在發(fā)射區(qū)有一些必要的操作或者一些小問題需要處理，經常會利用吊車輔助完成。SpaceX 公司的發(fā)射操作原則是顯著減少操作人員以及在發(fā)射場消耗的時間。獵鷹-9火箭標稱的發(fā)射操作時間為16天（從火箭運抵發(fā)射場開始）。

1.2 中國發(fā)射支持系統現狀

長征二號丙火箭是二級常溫液體運載火箭，火箭采用“一平兩垂”測試發(fā)射方式，即水平運輸、垂直總裝、垂直測試?；鸺綘顟B(tài)的測試主要在出廠前，火箭進入發(fā)射基地后技術中心的水平狀態(tài)只進行火箭狀態(tài)恢復及簡單的單元測試工作，見圖3。之后水平運輸至發(fā)射陣地吊裝翻轉、起豎對接，主要測試為在發(fā)射陣地火箭垂直狀態(tài)的測試，見圖4?；鸺诩夹g中心測試時間為7個工作日，在發(fā)射中心測試及發(fā)射準備時間為9個工作日。

圖3 長征二號丙火箭水平測試Fig.3 Long March 2C rocket level test

圖4 長征二號丙火箭起豎Fig.4 Long March 2C rocket upright

長征三號甲系列火箭是三級液體運載火箭，同樣采用“一平兩垂”測試發(fā)射方式?；鸺诩夹g中心測試及總裝工作時間為5個工作日，在發(fā)射中心測試及發(fā)射準備時間為16個工作日。發(fā)射中心的測試發(fā)射準備時間相對于長征二號丙火箭增加了3～4個工作日，這主要是因為長征三號甲系列火箭為三級且為低溫火箭，低溫火箭的動力系統測試時間及加注前的貯箱置換和加注時間相對于長征二號丙火箭有所增加［4-5］。

2 高密度發(fā)射特點分析

自中國航天進入“十四五”時期以來，長征二號丙火箭發(fā)射任務逐年提高，年均任務量由之前的每年小于5次，猛增到如今的每年超過10次，發(fā)射任務平均時間也從原來的40天縮短到約20天，未來將逐步壓縮到15天。為適應高密度發(fā)射任務，火箭的發(fā)射地點相應增加，由原來的兩地發(fā)射，調整為三地發(fā)射，多地交叉執(zhí)行發(fā)射任務已成常態(tài)。在發(fā)射數量翻番的同時，對地面發(fā)射支持系統各產品、各崗位人員都提出了更高要求，其主要原因有以下幾點：

a）地面發(fā)射支持系統所有產品均長期存放在發(fā)射場，火箭發(fā)射結束后不隨專列返回。其中，發(fā)射臺、公路運輸車等大型設備長期露天存放，環(huán)境惡劣，對產品的環(huán)境適應性、維修性要求較高，需要確保產品可以在雨雪天氣，甚至低溫、潮濕、腐蝕環(huán)境下工作。

b）地面發(fā)射支持系統所有產品均需重復使用，在高密度發(fā)射任務時的使用頻率高，射后恢復時間短，需要制定合理且快速的設備恢復方案，對檢修備件進行科學動態(tài)管理，確保在最短時間完成產品使用前的準備工作。發(fā)射臺、連接器等產品的檢修周期甚至成為制約高密度發(fā)射的短線之一。

c）地面發(fā)射支持系統產品差異大，既有瞄準設備、加注信號箱等機電產品，又有公路運輸車、發(fā)射臺等大型機械設備。此外，3 個發(fā)射場的部分設備因與同地區(qū)其他型號可共用產品進行統型設計，產品也存在差異。

d）赴發(fā)射場現場工作的人員由于長期多地工作，各基地間產品狀態(tài)差異大，容易因疲勞或技術狀態(tài)不熟悉出現誤操作。

綜上，地面發(fā)射支持系統需要根據長征二號丙火箭高密度、多地點同步發(fā)射特點，制定差異化的產品、人員保障方案。根據地面發(fā)射支持系統所屬產品特點，將所有產品分為六大類，分類別提出優(yōu)化方案。

3 總體優(yōu)化方案

3.1 發(fā)射裝置

發(fā)射臺在每執(zhí)行一次發(fā)射任務后都需要進行例行檢修，每5次發(fā)射任務后進行中修，每10次發(fā)射任務后進行大修?；鸺D場時必須豎立在發(fā)射臺上，發(fā)射臺的檢修周期直接影響到整個火箭發(fā)射流程時間［5］。根據發(fā)射臺使用特點，制定以下方案：

a）每年年初制定發(fā)射臺檢修、更新策劃，提前至少2年啟動發(fā)射臺生產，并對未來2年的例行檢修、中修、大修所需的必要產品進行提前投產。

b）改進發(fā)射臺的設計方案，將隔熱方案由熱防護涂料隔熱方案改進為空氣引流隔熱方案，即通過厚鋼板、石棉橡膠板兩層防護，緊固方案采用游隙設計釋放鋼板熱變形內應力，緊固件采用沉頭設計延長壽命，見圖5［6］。

圖5 發(fā)射臺熱防護Fig.5 Thermal protection of launching pad

為縮短發(fā)射臺大修周期，將千斤頂、方向機、減速器設計成可拆卸組件，通過提前檢修、現場更換的方式，實現發(fā)射臺大修不返廠，將大修周期由25 天縮短為15天左右，流程見圖6。

圖6 發(fā)射臺大修流程Fig.6 Launch pad overhaul process

對于返廠更換的組件，采用多基地共用備件的方式進行管理，即使用單獨生產的一套組件進行大修更換，對拆卸下來的組件返廠進行檢修，檢修后作為下次大修更換產品。由于該型號發(fā)射臺安裝在不同基地的不同發(fā)射工位，而發(fā)射臺的大修時機受發(fā)射計劃影響存在隨機性，因此更換下來的備件往往不會安裝回原發(fā)射臺，而是根據發(fā)射臺使用計劃統籌管理，在大修時安裝在其他同型號發(fā)射臺上，從而實現對備件的滾動備份，見圖7。這樣既縮短了現場檢修時間，又降低了維護成本。

為確保發(fā)射臺承載的安全可靠，設計專門的加載工裝，采用局部加載的方式進行承載能力考核。千斤頂、減速器、方向機返廠后在廠家進行單獨加載試驗，不返廠的臺體則在現場加載，見圖8。所有加載考核前后，均進行探傷檢查，確保重新安裝的臺體無裂紋等缺陷，可以滿足大修后使用要求。

圖8 發(fā)射臺臺體現場加載工裝Fig.8 Field loading tooling of the launching pad

3.2 運輸設備

公路運輸車長期室外存放，為滿足在高密度發(fā)射任務下的使用，采用年度現場檢修的方式進行保障。每年年初進行一次全面檢修，每次發(fā)射任務期間再進行例行檢修和功能自檢。根據公路運輸車的使用特點，制定以下年度檢修方案：

a）對于車架、牽引臂、底盤、前后輪組均采用現場分解后探傷檢查，更換老化或損壞的密封件，更換潤滑脂及潤滑油，除塵除銹后現場補漆。

b）現場檢查輪胎、備胎氣壓值并進行氣密試驗。

c）在牽引車的配合下，對制動系統進行氣密封試驗，及時調整制動鋼絲繩松緊度。

d）所有檢修結束后，進行不少于10 km 的道路行駛試驗，其間對減震彈簧高度、緊急制動性能進行試驗。

對于發(fā)射使用期間常用的緊固件、輪胎、快速接頭、過濾器等備件采用組批采購、分地區(qū)備份、同類產品共用備件的方式進行管理，確保備份方案的全面。

檢修工作開展情況見圖9～10。

圖9 公路運輸車檢修Fig.9 Maintenance of road transport vehicles

圖10 公路運輸車道路行駛試驗Fig.10 Road driving test of road transport vehicle

3.3 起吊停放設備

起吊停放設備分為鐵路運輸設備、停放轉運設備、型架、吊籃及各類支架車、吊具等。起吊停放設備的種類數量較多，狀態(tài)復雜，甚至同型號火箭的不同狀態(tài)都有很大差異。根據起吊停放設備特點，制定以下保障方案：

a）優(yōu)化設計，對于功能相似的架車、吊具產品進行通用化設計，將多種使用狀態(tài)的產品通過更換轉接框、更換吊帶吊環(huán)等局部更換的方式進行規(guī)格合并，縮減產品數量，提高產品利用率。

b）同發(fā)射場各型號產品統籌使用，對于可以與其他型號共用的產品，在設計時就進行融合，交付使用后在流程不沖突的前提下，多型號共用一套設備。

c）同型號各發(fā)射場產品統籌使用，對于使用率較低的設備不按三地三套進行生產配套，只生產一套并根據任務情況進行統籌使用，避免設備長期閑置。

由于存放條件有限，部分產品裝箱或直接室外存放，一般使用壽命約15年，在壽命期內需要進行中修及大修，為不影響高密度發(fā)射任務，制定方案如下：

a）對于影響火箭安全的關鍵吊具在中修或大修時返廠檢修，返廠后更換吊帶，更換銹蝕或磨損嚴重的零件，重新組裝后進行加載試驗考核，加載質量不低于額定載荷的1.25倍，試驗結束后對吊帶、金屬零件進行探傷檢查，合格后重新返回發(fā)射場使用。

b）對于其他產品采用現場年度檢修的方式進行保障，現場對焊縫進行探傷，更換損壞的毛氈或橡膠墊，更換損壞或腐蝕的緊固件。檢修后，通過推行試驗、空載試吊等試驗確認產品滿足要求。

c）每次發(fā)射任務使用前，再對設備進行除塵、潤滑、試裝匹配檢查。對于需要通過更換零件切換狀態(tài)的產品，則根據任務總流程提前進行準備。

檢修工作開展情況見圖11。

圖11 起吊停放設備檢修Fig.11 Maintenance of lifting and parking equipment

3.4 供氣設備

供氣設備主要包含各類配氣臺、七管連接器、供氣軟管、空調送風管路等。由于發(fā)射場供氣管路為其建設時鋪設的固定管路，因此往往需要多型號共用一個配氣間，供氣設備也以固定設備為主。根據供氣設備特點，制定以下保障方案：

a）配氣臺實現區(qū)域內共享，設計方案兼顧不同型號火箭要求，盡可能減少配氣臺數量，減少拆裝、氣檢流程，保證產品狀態(tài)穩(wěn)定。

b）備件區(qū)域內集中管理，對七管連接器、配氣臺過濾器、壓力表、壓力變送器等通用產品，實現同發(fā)射場各運載型號共用備件庫。

c）采用年度檢修與例行檢修結合的方式進行保障，具體為：配氣臺每年進行過濾器更換，壓力表現場標校，大修時返廠進行分解檢修，供氣軟管、空調送風管路每年更換破損件，大修時統一更換新品。

d）七管連接器需要每次發(fā)射結束后返廠進行檢修，制定七管連接器3年的生產、檢修策劃，并根據任務安排的變化持續(xù)更新，根據需求進行組批投產。

檢修工作開展情況見圖12。

圖12 配氣臺檢修Fig.12 Maintenance of gas distribution station

3.5 加注設備

加注設備按產品主要包括常規(guī)加注連接器、加注信號箱、檢漏箱等，按用途分為氧化劑、燃燒劑兩種使用狀態(tài)。根據加注設備特點，制定以下保障方案：

a）加注設備實現區(qū)域內共享，所有產品在設計時兼顧同地區(qū)其他運載型號要求，統籌管理使用。

b）加注信號箱作為加注關鍵設備，設有一主一備，兩臺同時使用，主機出現故障時立即切換備用機繼續(xù)操作，不影響加注流程。此外，除關鍵電子元器件備件存放在靶場外，還制作一套整機備件作為所有發(fā)射場的通用備件。當產品出現現場無法解決的問題時，立即使用整機備件進行替換，始終確?，F場至少兩臺可用產品。

c）常規(guī)加注連接器需要每3次使用后返廠進行檢修，制定連接器3年的生產、檢修策劃，并根據任務安排的變化持續(xù)更新，根據需求進行組批投產。

d）上面級加注設備中的燃料罐、廢液處理罐由于長期室外存放，還需要定期對罐內剩余的燃料進行成分化驗，每次使用前進行氣密性檢查、功能自檢等準備工作。為確保一次性加注的順利完成，還對加注罐、加注控制臺等關鍵設備進行整機備份。

檢修工作開展情況見圖13。

圖13 加注設備檢修Fig.13 Maintenance of filling equipment

3.6 瞄準設備

瞄準設備主要包含瞄準儀、電控導軌及各類控制器、電纜網等。瞄準設備作為精密的光學電子儀器，一般在瞄準間內裝箱保存，并對存放環(huán)境的溫濕度有一定要求。根據瞄準設備特點，制定以下保障方案：

a）瞄準設備實現區(qū)域內共享，與同發(fā)射場其他運載型號共用產品、備件。

b）采用年度檢修與例行檢修結合的方式進行保障，具體為：瞄準設備在瞄準間內備有全套整機備件，每年產品返廠進行檢修保養(yǎng)，每次任務使用前進行除塵、電氣性能檢查及功能自檢。

檢修工作開展情況見圖14。

圖14 瞄準設備自檢Fig.14 Maintenance of sighting equipment

3.7 人員優(yōu)化

在火箭提高發(fā)射密度的同時，發(fā)射場人員總數由90 人減少到60 人，地面發(fā)射支持系統人員也由12 人縮減到9 人。為應對常態(tài)化高密度發(fā)射任務的要求，制定以下人員保障措施：

a）根據不同發(fā)射場，制定各崗位靶場人員名單，成立專業(yè)發(fā)射隊伍，每次任務從名單中選取參試人員，如發(fā)現人員崗位變動導致人力資源不足，則及時補充隊員。

b）對同一發(fā)射場的人員按崗位進行合并、統籌規(guī)劃，原則上同崗位人員在一個發(fā)射場只有一人，例如：基礎級配氣臺崗位人員兼崗執(zhí)行上面級同崗位工作，起吊停放設備崗位人員兼任其他型號崗位工作。

c）對各崗位使用流程進行精細化梳理，形成固化狀態(tài)的靶場手冊文件，在靶場采用紙質文件與電子文件結合的方式對每一步操作進行確認。

d）形成各崗位培訓教材與試題庫，由專業(yè)人員對新人進行系統培訓，考核合格后允許參加發(fā)射任務學習，學習后再次考核合格后允許作為正式隊員參加發(fā)射任務，考核結果交人力系統進行存檔。

e）根據各崗位產品的年度使用及檢修策劃，以及每項工作所需的保障資源、參與部門及廠家，對發(fā)射支持系統各項工作進行WBS 分解，按總體、單機維度逐漸增加計劃的維度和細化程度，各項工作以小時為單位，分解到具體責任人，并落實資源保障，確保各項計劃的對標完成。

4 優(yōu)化效果

優(yōu)化后的效果有：

a）發(fā)射臺每次發(fā)射后，恢復時間由原來的7天縮短為4天，大修時間由原來的25天縮短為15天。

b）運輸設備、起吊停放設備、供氣設備、加注設備基本實現現場檢修維護，對于設備改造主要安排在年度檢修中現場進行。

c）加注連接器、七管連接器等產品制定3 年使用、檢修、生產策劃，提前進行生產與檢修產品的準備。

d）統籌備件管理，對同發(fā)射場的各型號間備件統一安排，滾動備份，在確保備份有效的情況下，提高備件利用率。

e）加強人員培訓，各崗位人員進行區(qū)域統籌安排，同崗位人員同時執(zhí)行同地的各型號任務，若存在工作沖突則協調現場人員兼崗完成工作。

5 結束語

根據長征二號丙火箭高密度、多地交叉發(fā)射的特點，地面發(fā)射支持系統對所屬六大類產品制定差異化保障方案，滿足高密度下的高可靠要求，并與同發(fā)射場其他型號進行人員與設備的統籌規(guī)劃，滿足高密度產品與人員的儲備要求，提高了發(fā)射任務保障能力，也為同類型發(fā)射模式下的地面發(fā)射支持系統總體方案完善提供了借鑒。