周彥均，任曉偉，馮 超，徐 錚，王華生

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

0 引言

小型固定式發(fā)射臺（下文簡稱發(fā)射臺）是指用于發(fā)射串聯(lián)型運載火箭的發(fā)射臺，發(fā)射臺固定安裝在火箭發(fā)射工位，是地面發(fā)射支持系統(tǒng)的重要產品，其主要作用是承載火箭加注前后的質量、通過相關動作實現(xiàn)火箭垂直度調整和方位回轉，順暢排導火箭發(fā)射時的燃氣流［1-2］。在火箭發(fā)射過程中，發(fā)射臺承受高溫高速燃氣流的沖刷和燒蝕，受高溫、振動、噪聲等因素的綜合影響，對其狀態(tài)和性能產生一定程度的損傷，因此在發(fā)射后必須對發(fā)射臺進行維修、恢復，才能執(zhí)行下一次火箭發(fā)射任務。依據(jù)《運載火箭固定式發(fā)射平臺使用、維護及檢修通用要求》（GJB 9881—2020）的要求，發(fā)射臺每執(zhí)行一次發(fā)射任務要進行一次例行檢修，每5 次發(fā)射任務后或任務前已經連續(xù)3 年無任務時應進行一次中修，每10次發(fā)射任務后或任務前已經連續(xù)5年無任務時應進行一次大修［2-3］。目前隨著中國運載火箭發(fā)射任務的逐年增多，發(fā)射臺的使用頻率越來越高，每兩發(fā)任務之間的間隔也越來越短（最短間隔只有4～7天），在此背景下，本文提出了發(fā)射臺射后快速維修和狀態(tài)恢復的技術方案，該方案經過多次實踐證明可行。本文將從發(fā)射臺檢修工作、檢修方案、實施情況3個方面對發(fā)射臺快速維修技術展開研究。

1 發(fā)射臺的主要檢修工作

發(fā)射臺由千斤頂、方向機、回轉部、支撐臂、附件、欄桿等組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)射臺系統(tǒng)組成示意Fig.1 Launch station system composition diagram

從功能性能角度，發(fā)射臺可以劃分為承載結構、傳動系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)等，其中，承載結構包括回轉部、支撐臂、千斤頂?shù)?，實現(xiàn)發(fā)射臺的承載功能；傳動系統(tǒng)包括減速器、垂調機構（千斤頂內的螺桿螺母傳遞裝置）、方位回轉機構等，實現(xiàn)發(fā)射臺垂直度調整和方位回轉的動作；熱防護系統(tǒng)布置于發(fā)射臺受燃氣流燒蝕較為嚴重的部位，熱防護涂層涂敷于回轉部上側表面、內側表面，千斤頂側面，對臺體結構形成一定的防護作用［4-6］。

發(fā)射臺例行檢修主要包含組件完整性檢查、附件檢查、各活動部位檢查、方向機減速器等潤滑和動作檢查、功能性能檢查、熱防護涂層檢查等項目；中修包括例行檢修所有項目，此外包含防風拉桿檢查、內外滾道檢查、高度傳感器檢查等項目；大修包括中修所有項目，此外包含連接螺栓檢查更換、滾道清洗探傷、內外護板更換、發(fā)射臺加載試驗、發(fā)射臺承載結構焊縫探傷、千斤頂/減速器/方向機分解檢查或更換等項目。主要檢修內容見表1。從表1 中可以看出，傳統(tǒng)的發(fā)射臺例行檢修、中修和大修周期較長，尤其是大修項目中，發(fā)射臺加載試驗、千斤頂/減速器/方向機分解檢查或更換等項目需要發(fā)射臺整體返廠進行，與火箭高密度發(fā)射需求矛盾。

表1 發(fā)射臺主要檢修維護工作Tab.1 The main maintenance work of the launch pad

2 發(fā)射臺快速檢修、恢復技術方案

2.1 千斤頂結構改進

以往發(fā)射臺的支腿采用三支管結構，與臺體焊接連接。根據(jù)多年的使用維護經驗和受力分析，該部位受燃氣流燒蝕較為嚴重，同時應力水平較高，多次發(fā)射后容易產生裂紋缺陷，修補缺陷的工作量和難度較大，同時也無法徹底消除安全隱患。

如圖2所示，針對此問題，在設計上進行結構改進，將千斤頂?shù)娜Ч苄问礁臑檫^渡框形式，將焊接連接方式改為螺栓連接方式，在增強該部位結構強度的同時，支腿實現(xiàn)了可單獨拆卸、更換。

圖2 千斤頂結構改進Fig.2 Structure improvement of jack

對兩種結構的千斤頂展開了有限元計算。單元類型選用Structural Solid，Brick 8node 185，網格尺寸為0.02 m，載荷設置為垂直向下加載1 043 kN。兩種千斤頂應力、變形云圖如圖3～6所示，三支管與過渡框結構計算對比如表2所示。

表2 三支管與過渡框結構有限元計算對比Tab.2 Comparison of finite element calculation of three-branch pipe and transition frame structure

圖3 千斤頂（過渡框結構）應力云圖Fig.3 Jack (transition frame structure) stress cloud diagram

圖4 千斤頂（過渡框結構）位移云圖Fig.4 Jack (transition frame structure) displacement cloud diagram

圖5 千斤頂（三支管結構）應力云圖Fig.5 Jack (three branch pipe structure) stress cloud diagram

圖6 千斤頂（三支管結構）位移云圖Fig.6 Jack (three branch pipe structure) displacement cloud diagram

由表2可以看出，發(fā)射臺的過渡框千斤頂方案優(yōu)于原三支管千斤頂方案，主要體現(xiàn)在以下兩點：a）過渡框方案的最大應力和最大位移均小于原三支管方案，特別是最大位移，減少了74%，千斤頂?shù)膭偠扔辛吮容^大的提升；b）過渡框方案的應力分布優(yōu)于原三支管方案，過渡框方案的最大應力出現(xiàn)在加強筋處，而千斤頂方案的最大應力出現(xiàn)在外套筒處。

通過結構改進，千斤頂?shù)木S修性大大增強，可單獨拆卸返廠進行檢修，結合滾動備份千斤頂?shù)氖侄?，大大?jié)約了發(fā)射臺現(xiàn)場檢修時間。

2.2 傳動機構滾動備份

如圖7所示，發(fā)射臺傳動系統(tǒng)中的垂調機構（千斤頂內部結構）、減速器、方位回轉機構等部件屬于機械傳動件，這些部件經過多次發(fā)射任務后，需要進行分解檢查，確認內部零件的狀態(tài)，重新裝配后需要在試驗工裝上進行加載運行試驗。其維修、裝配、試驗的要求較高，需要配備專用的工裝、設備，發(fā)射基地現(xiàn)場不具備必要的保障條件。

圖7 主要傳動結構Fig.7 Main transmission structure

針對此情況，在技術上提出滾動備份的方案，即按用一備一的原則生產以上部件的備件，生產完成后嚴格按技術要求完成加載運行試驗，確保其狀態(tài)滿足使用要求。備件平時存儲在廠房內，在發(fā)射臺檢修期間，提前將備件運至基地，現(xiàn)場進行更換，更換后的部件返廠按要求進行檢修（包括分解檢查、重新裝配、加載運行試驗等），檢修完成后作為發(fā)射臺下次檢修所用的備件，實現(xiàn)滾動使用。這樣可以極大地減少發(fā)射臺現(xiàn)場檢修的工作量，縮短中修、大修周期。滾動備份產品檢修流程如圖8所示。

圖8 滾動備份產品檢修流程Fig.8 Rolling backup product maintenance process

2.2.1 千斤頂返廠檢修

千斤頂返廠分解、清洗、探傷、維修、組裝后，按照圖9方式采用獨立的加載工裝對千斤頂進行剛度強度加載及帶載伸收等試驗。試驗中通過加載工裝油源驅動加載油缸產生不同加載載荷，進行千斤頂剛度、強度及功能性能考核。改變了傳統(tǒng)的發(fā)射臺整體出廠加載模式，將載荷等效計算分配至每個千斤頂，并逐個完成加載試驗。

圖9 千斤頂加載方案Fig.9 Jack loading scheme

2.2.2 減速器返廠檢修

減速器返廠分解、清洗、探傷、維修、組裝、注油后，采用兩臺減速器對扭方式進行恒轉速、恒扭矩等運轉試驗，試驗情況見圖10。

圖10 減速器對扭試驗情況Fig.10 Loading test of reducer

2.2.3 方向機返廠檢修

方向機返廠后，分解檢查并進行探傷，更換方向機內的齒輪油，檢查并記錄已使用的齒輪油油質，裝配后用手柄轉動輸入軸正、反轉各50 圈，手動感應均勻，無噪音。

2.2.4 小 結以上3種傳動機構完成返廠檢修后，按照相關技術要求存放并作為后續(xù)大修滾動更換備件。

2.3 熱防護系統(tǒng)改進

如圖11所示，發(fā)射臺的熱防護系統(tǒng)一般采用涂覆防燒蝕材料的方案，由粘合劑、固化劑、骨料、表層涂覆材料按特定工藝進行施工，涂覆在發(fā)射臺受燃氣流燒蝕較為嚴重的區(qū)域，降低發(fā)射環(huán)境對臺體機構的損壞［4，6］。該方案需要在現(xiàn)場施工，施工內容包括發(fā)射平臺表面打磨、涂層材料配制、涂覆粘合劑、粘合劑固化、涂覆特層、涂層固化等工藝過程，環(huán)節(jié)較多，工作量大，周期較長（一般為3～5 天），而且受環(huán)境影響較大（大風、下雨、下雪、低溫等自然環(huán)境下無法施工），直接影響發(fā)射臺的恢復時間。

圖11 傳統(tǒng)熱防護方案Fig.11 Traditional thermal protection scheme

針對此情況，改進了熱防護方案，如圖12所示，采用預制防護組件、現(xiàn)場螺栓安裝固定的方式對重要部位進行熱防護，預制防護組件由鋼板和隔熱材料組成，可提前生產多個備件，需要時進行現(xiàn)場拆卸、更換。

圖12 改進后的熱防護方案Fig.12 The improved thermal protection scheme

根據(jù)多次飛行試驗驗證，火箭起飛過程中發(fā)射臺熱防護組件表面承受最大靜溫值約為2 000 K，結合射后檢修確認，部分熱防護鋼板存在燒蝕變形情況，發(fā)射臺本體無明顯變形情況，對相關區(qū)域焊縫進行打磨探傷，不存在裂紋或缺陷。以上試驗證明臺體表面在改進后的隔熱材料的保護下，熱防護效果較好。改進發(fā)射臺熱防護方案后，可將熱防護系統(tǒng)維護周期縮短為1天以內。

2.4 大修方式改進

發(fā)射臺傳統(tǒng)的返廠大修方式由于周期長（6 個月以上）已逐漸不能適應火箭高密度發(fā)射形勢下對發(fā)射臺檢修保障方面的要求，在此背景下，對發(fā)射臺大修方式進行改進和優(yōu)化，提出場外檢修和現(xiàn)場檢修相結合的方案，見圖13。

圖13 加載方案Fig.13 Loading scheme

a）場外滾動備件檢修。場外檢修時間不影響發(fā)射任務的執(zhí)行，按本文2.2 節(jié)內容，對傳動機構進行場外檢修。

b）現(xiàn)場滾動更換。利用發(fā)射任務間隔期，把重要部件更換為滾動備份件，減少現(xiàn)場檢修時間。

c）現(xiàn)場全面加嚴檢查。從設計上識別結構薄弱環(huán)節(jié)，采取無損探傷的方式，確認結構是否存在缺陷，保證承載能力不下降。

d）完善易損件備件管理。結合多年使用經驗，對發(fā)射臺易損件備件庫進行完善，做到現(xiàn)場快速更換。

e）對不能返廠檢修的主體框架部分進行現(xiàn)場加載，大大提升了檢修效率。

現(xiàn)場加載試驗方案如圖13 所示。將回轉部、下框架組合體放置于十字形的加載工裝上，4 個液壓缸通過拉桿拉緊支臂的套筒，分別對4個支承臂施加拉載荷，從而模擬發(fā)射臺承載工況。

其中加載工裝由底座、油缸、連接桿、連接螺母組成，油缸通過螺栓固定在底座上，連接桿穿過支承臂套筒，通過連接螺母固定，4 個底座之間通過螺栓進行連接。加載時由液壓手搖泵提供動力，按照一定的油壓（所需的油缸拉力按缸徑換算成對應的油壓）進行加載。加載工裝原理如圖14所示。

現(xiàn)場大修的方式，解決了返廠周期長的問題，可將發(fā)射臺大修時間縮短至15～20天。

2.5 小 結

本章從千斤頂結構改進設計、傳動機構滾動檢修備份、熱防護系統(tǒng)改進、現(xiàn)場大修方式改進4個方面介紹了提高發(fā)射臺快速檢修、恢復的技術方案，大幅度提升了發(fā)射臺小修、中修、大修效率，能夠適應火箭高密度發(fā)射需求。

3 實施情況

發(fā)射臺快速恢復的技術方案目前已在新生產發(fā)射臺上實施，通過酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地和太原衛(wèi)星發(fā)射基地近3年的火箭發(fā)射任務檢修實踐證明可滿足火箭高密度發(fā)射的任務需求。

通過對多次例行檢修、3次中修、1次大修的實際檢修時間進行統(tǒng)計：例行檢修時間約4天，中修時間約7天，現(xiàn)場大修時間約17天，具體天數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前后的維修天數(shù)對比Tab.3 Comparison of maintenance days before and after optimization

針對小型發(fā)射臺所提出的快速檢修技術方案可以大大縮短發(fā)射臺檢修、恢復的時間，提高了發(fā)射臺的保障性。

4 結論

本文以火箭高密度發(fā)射任務小型固定式發(fā)射臺檢修周期過長為研究背景，以實現(xiàn)快速檢修技術為研究對象，在結構改進、增加傳動機構滾動備份、熱防護方式改進、大修方式改進等幾個方面，完成小型固定式發(fā)射臺快速檢修技術的研究工作。主要研究成果如下：

a）通過改進設計、優(yōu)化流程，大大縮短了發(fā)射臺檢修周期，為火箭高密度發(fā)射提供了有力保障條件；

b）通過優(yōu)化流程，節(jié)省了人力、物力，變相提高了工廠產能，其思路也可用于相關領域其他產品；

隨著中國宇航發(fā)射任務的逐年增多，火箭高密度發(fā)射任務在未來一段時間內將呈現(xiàn)常態(tài)化。發(fā)射臺作為地面支持系統(tǒng)的重要設備，仍需要不斷完善，以適應新形勢的需求，在提高保障性方面，需要從以下幾個方向進一步深入研究：

a）探索新的易維修、高性能的熱防護材料和方案，進一步降低發(fā)射環(huán)境對發(fā)射臺的損傷；

b）完善發(fā)射臺的缺陷和故障檢測手段，科學合理地預判發(fā)射臺狀態(tài)；

c）延長發(fā)射臺的使用壽命。