徐 帥，楊曉論，韓秀利，馮 偉

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

隨著微小衛(wèi)星的偵察、導(dǎo)航、通信、氣象等功能日益成熟，以微小衛(wèi)星為主體的低軌衛(wèi)星星座計劃逐步由構(gòu)想走向現(xiàn)實。本文針對星座組網(wǎng)對發(fā)射資源的巨大需求，分析了箱式發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用于規(guī)?；M網(wǎng)發(fā)射的需求及特點優(yōu)勢，剖析探討系統(tǒng)研制關(guān)鍵技術(shù)，以期為實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)發(fā)射提供一種新的解決思路。

1 星座組網(wǎng)發(fā)射需求分析

近年來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，以商業(yè)運載火箭、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座、商業(yè)遙感等為代表的商業(yè)航天各領(lǐng)域快速發(fā)展，航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴大。衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、遙感等衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)與大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)交叉融合發(fā)展，推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造了巨大價值。商業(yè)衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展強勁，寬帶互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)發(fā)展?jié)摿薮?。隨著市場需求日益增大，具有多時相、寬覆蓋、立體化等獨特優(yōu)勢的遙感衛(wèi)星產(chǎn)品成為了信息時代傳播速度最快、影響面最寬、開發(fā)利用潛力最大的科技資源之一。與此同時，衛(wèi)星研制也呈現(xiàn)出體積重量小型化、功能集成多樣化、設(shè)計制造一體化、生產(chǎn)出廠規(guī)?；?、部署應(yīng)用星座化等新特點［1］，衛(wèi)星星座建設(shè)迎來爆發(fā)期。鴻雁、行云、銀河等低軌通信星座相繼推出；衛(wèi)星柔性智造中心已全面建成，按照“脈動式”節(jié)拍化生產(chǎn)小衛(wèi)星，年產(chǎn)能可達200顆以上。

目前，中國衛(wèi)星星座計劃多選擇質(zhì)量在200 kg以下的小衛(wèi)星作為建設(shè)主體，因此星座規(guī)模龐大，衛(wèi)星數(shù)量從幾百顆到上萬顆不等，且軌道傾角覆蓋全面?？梢灶A(yù)見，星座組網(wǎng)階段將產(chǎn)生大量發(fā)射任務(wù)需求，在星座運行階段，考慮到小衛(wèi)星壽命較短、數(shù)量較大，也會產(chǎn)生大量更迭補網(wǎng)需求，以上兩點將使得航天發(fā)射任務(wù)空前繁重、發(fā)射市場競爭愈發(fā)激烈。

在星座組網(wǎng)階段，國外采取以大中型火箭為主、小型火箭為輔的策略，在保證組網(wǎng)效率的同時，兼顧組網(wǎng)靈活性［2-4］。從中國現(xiàn)狀來看，使用液體火箭組網(wǎng)，雖然運力強使得組網(wǎng)效率較高，但生產(chǎn)和測發(fā)周期較長、單發(fā)成本較高、受發(fā)射計劃影響大、對發(fā)射場資源依賴度高，在可重復(fù)使用液體火箭成熟之前，成本控制較為困難。使用小型固體火箭組網(wǎng)，雖然發(fā)射次數(shù)較多，但可通過優(yōu)化產(chǎn)品配套等管理創(chuàng)新方法快速批量化生產(chǎn)、攤薄成本、創(chuàng)新研制模式、簡化測發(fā)流程、大范圍機動發(fā)射、提高軌道適應(yīng)性，成為液體火箭組網(wǎng)的有力補充。

在星座運行階段，考慮到由軌道窗口多樣性、故障發(fā)生隨機性、補網(wǎng)發(fā)射時效性等引起的補網(wǎng)時機不確定性，發(fā)射模式也將從批量集中發(fā)射向快速隨機發(fā)射轉(zhuǎn)變，機動靈活的小型固體火箭將成為迭代補網(wǎng)的主力軍。

2 箱式發(fā)射火箭特點優(yōu)勢

近年來，一些單位及民營公司積極開展快速響應(yīng)火箭研究，成功研制了CZ-11、KZ-1A、雙曲線一號、谷神星一號、力箭一號等多型快速發(fā)射固體運載火箭，多次成功實施了海上及陸基發(fā)射任務(wù)，初步具備了7 天、24 h 之內(nèi)完成700 km SSO 200～1 000 kg 載荷的快速發(fā)射能力。但目前小型固體商業(yè)火箭發(fā)射多采取一車一箭或一船一箭的方式，發(fā)射平臺專用、環(huán)境保障能力差，發(fā)射模式軌道適應(yīng)性不足，極大地限制了規(guī)?；l(fā)射的運用，不能很好地滿足星座組網(wǎng)和迭代補網(wǎng)需求。

鑒于星座組網(wǎng)衛(wèi)星多為微小衛(wèi)星，借鑒中小型導(dǎo)彈密閉發(fā)射箱儲運方案，設(shè)想基于星箭箱大規(guī)模生產(chǎn)、一體化出廠、按需隨時啟用模式，研制小、快、靈的箱式發(fā)射系統(tǒng)，將運載火箭、目標(biāo)載荷及其測試、發(fā)射、保障等系統(tǒng)高度集成至發(fā)射箱內(nèi)。發(fā)射箱集發(fā)射場的測試廠房、發(fā)射臺架、測控系統(tǒng)、綜合保障等系統(tǒng)功能于一體，實現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境自持及星箭長期貯存、升級測試。

箱式發(fā)射系統(tǒng)可以用于陸基發(fā)射和海上發(fā)射，利于培育公路、海上、鐵路發(fā)射等多樣化的發(fā)射能力。平時按計劃生產(chǎn)，星箭一體組裝貯存，隨時按需整體轉(zhuǎn)場發(fā)射，任務(wù)時效性高，可有效降低小衛(wèi)星發(fā)射對固定發(fā)射場的依賴度，適應(yīng)直接入軌、多星快速組網(wǎng)、異面軌道部署等多任務(wù)類型，降低發(fā)射成本，提高發(fā)射靈活性，縮短發(fā)射周期，是一種可以滿足小衛(wèi)星星座快速組網(wǎng)、運營維護的新型發(fā)射模式，可通過規(guī)?；\用適應(yīng)未來高密度發(fā)射任務(wù)需求，加快推動商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展。圖1為系統(tǒng)使用流程。

圖1 系統(tǒng)使用流程Fig.1 System usage process

與當(dāng)前小型固體火箭系統(tǒng)相比，箱式發(fā)射系統(tǒng)主要特點有：

a）脈動生產(chǎn)一體出廠，極大壓縮發(fā)射成本。箱式發(fā)射系統(tǒng)采用星箭箱脈動式生產(chǎn)、一體化出廠模式，可提高生產(chǎn)效率、縮短供應(yīng)鏈、降低系統(tǒng)成本，同時，產(chǎn)品出廠后，不需要使用發(fā)射場的廠房設(shè)施進行產(chǎn)品總裝、升級測試、星箭對接，簡化了測發(fā)流程，有效縮短發(fā)射周期，從產(chǎn)品生產(chǎn)、發(fā)射準(zhǔn)備兩方面縮減了發(fā)射成本。

b）發(fā)射保障要求低，極大提高發(fā)射靈活度。發(fā)射箱集成測發(fā)、測控、環(huán)境、電源等系統(tǒng)，自主定位定向，箱載箭自主上下車，發(fā)射箱內(nèi)環(huán)境自我保障，數(shù)字化遠(yuǎn)程調(diào)度，一鍵快速測試發(fā)射，具備分鐘級參數(shù)裝訂、開蓋起豎和實施隨機點位無依托發(fā)射能力，更易實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，適應(yīng)多地域多傾角發(fā)射任務(wù)的要求。圖2為箱式規(guī)?；l(fā)射示意。

圖2 箱式規(guī)模化發(fā)射示意Fig.2 The large-scale launch process of box-type systems

c）載具適應(yīng)性強，極大降低運輸成本。發(fā)射箱對外接口簡單，符合民用運輸要求，可通過民用平板車、火車或貨船等常用物流運輸手段完成轉(zhuǎn)場發(fā)射，運輸方便快捷，無需單獨研制大型運輸平臺，有效降低了系統(tǒng)研制和運輸成本。尤其是通過集裝箱船舶可實現(xiàn)遠(yuǎn)程批量轉(zhuǎn)場和大規(guī)模海上發(fā)射，滿足特殊軌道發(fā)射需求。

d）發(fā)射點位靈活，極大提高落區(qū)安全性。功能高度集成提高了發(fā)射點位選擇的靈活性，為殘骸落區(qū)選擇提供了極大便利，合理的落區(qū)規(guī)劃大大減小了發(fā)射任務(wù)對地方生產(chǎn)、生活等的不利影響，提高了發(fā)射任務(wù)安全指數(shù)。

3 箱式發(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

箱式發(fā)射模式新、技術(shù)創(chuàng)新多，要實現(xiàn)便捷運輸、環(huán)境自持、遠(yuǎn)程快速發(fā)射等功能，需要在多功能發(fā)射箱設(shè)計制造、星箭環(huán)境適應(yīng)性、遠(yuǎn)程測試發(fā)射技術(shù)等方面開展重點研究。

3.1 多功能發(fā)射箱技術(shù)

多功能發(fā)射箱是箱式發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，是快響火箭貯存、運輸、起豎、發(fā)射等功能的載體，內(nèi)部配置所有功能性設(shè)備，主要由箱體、箱蓋、開蓋機構(gòu)、發(fā)射裝置、液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、電源及電控系統(tǒng)、定瞄系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)強度滿足整箱載箭起吊要求，如圖3所示。箱體預(yù)留民用公路、鐵路平板車和船舶運輸對接接口，滿足運輸適應(yīng)性要求；箱體可自主上下車，無需輔助設(shè)備，降低發(fā)射保障條件；箱內(nèi)環(huán)境自持，為星箭提供滿足指標(biāo)要求的溫濕度等保障條件；箱內(nèi)傳感器監(jiān)測參數(shù)實時回傳，進行裝備狀態(tài)智能評估，便于實時監(jiān)測箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)、掌握發(fā)射箱狀態(tài)；選用集裝箱標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件，可與集裝箱共線生產(chǎn)，滿足大批量低成本生產(chǎn)要求；箱體采用密封設(shè)計，能夠維持長距離運輸時的內(nèi)部環(huán)境條件。

圖3 發(fā)射箱組成示意Fig.3 The composition of the launch box

3.2 衛(wèi)星水平長期貯存技術(shù)

根據(jù)規(guī)定，衛(wèi)星貯存時間超過6個月即為長期貯存。長期貯存引起的元器件老化、結(jié)構(gòu)形變等問題會對衛(wèi)星可靠性造成一定影響。星箭一體化出廠后未發(fā)射時，衛(wèi)星長期處于水平停放狀態(tài)。目前，中國微小衛(wèi)星工程中心對快響衛(wèi)星的貯存條件、貯存方法、貯存方案等做了相關(guān)研究，但對于星箭一體化水平長期貯存的方法及可靠性驗證的研究均為空白，因此針對星箭對接后的衛(wèi)星，須研究其在水平長期貯存工況下，衛(wèi)星電子元器件、典型結(jié)構(gòu)件、展開裝置、蓄電池、推進系統(tǒng)等的適應(yīng)性，分析研究衛(wèi)星主要部件貯存要求，長期貯存對衛(wèi)星的各項性能影響，以及研究整星結(jié)構(gòu)精度、結(jié)構(gòu)板強度、粘接膠粘接強度等變化情況。

3.3 火箭水平長期停放技術(shù)

箱式發(fā)射火箭采用固體發(fā)動機，固體推進劑為粘彈性物質(zhì)，固體發(fā)動機長期水平放置時可能由于自重較大而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致藥柱結(jié)構(gòu)下沉，改變藥型設(shè)計結(jié)構(gòu)，影響發(fā)動機內(nèi)彈道性能。另外，藥柱各粘接界面間的粘接性能也可能發(fā)生變化，造成燃燒室界面粘接不良甚至脫粘，形成安全隱患。目前固體發(fā)動機長時間不發(fā)射需開展內(nèi)窺鏡、超聲檢測等維護工作，數(shù)量較大時將耗費較大人力、物力、時間等成本?？紤]到箱式發(fā)射系統(tǒng)生產(chǎn)與發(fā)射計劃不匹配導(dǎo)致長期貯存的問題，同時為便于靈活使用，箱式發(fā)射火箭需具備水平長期停放能力，使用前無需再開箱進行發(fā)動機檢測，可從以下幾個方面開展工作：

a）長期水平停放狀態(tài)燃燒室藥柱完整性。

重點以不同應(yīng)力狀態(tài)和不同貯存時間條件下的推進劑和粘接界面力學(xué)性能為基礎(chǔ)，基于貯存環(huán)境條件分析，綜合考慮固化降溫、充氣壓力和重力等因素對發(fā)動機貯存的影響，開展聯(lián)合載荷作用下的計算研究，獲取重點部位應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，為推進劑及界面試件級試驗提供依據(jù)。

b）試件級長期貯存試驗研究。

開展推進劑和粘接界面試件應(yīng)力試驗，獲取不同應(yīng)力狀態(tài)和不同貯存時間條件下的推進劑和粘接界面力學(xué)性能，為燃燒室整機長期存貯性能評估提供依據(jù)。

c）整機級長期貯存試驗研究。

開展燃燒室貯存試驗，研究發(fā)動機燃燒室在貯存狀態(tài)下藥型的變化以及各界面粘接性能的變化，貯存試驗后對燃燒室進行直線加速器探傷，最后開展試車試驗驗證。

3.4 衛(wèi)星無線充電技術(shù)

考慮星箭一體化生產(chǎn)，為縮短測發(fā)周期，提高發(fā)射效率，在火箭貯存、轉(zhuǎn)運、發(fā)射的全過程中取消衛(wèi)星操作。同時，為提高分離可靠性，星箭之間不設(shè)置電氣接口。但扣罩后的衛(wèi)星電量將會隨待命時間的推移而不斷損耗，衛(wèi)星補充電量時必須進行拆卸、充電、再裝配、再測試，無疑將大大增加工作量。在不改變箭體狀態(tài)條件下，為補充衛(wèi)星電量，便于衛(wèi)星地面測試及入軌后工作，須研究復(fù)雜金屬環(huán)境下能量傳輸磁場空間分布調(diào)整與約束技術(shù)、大功率無線電能傳輸磁屏蔽技術(shù)、小型化輕量化高功率密度磁耦合機構(gòu)技術(shù)等，設(shè)計研發(fā)空間無線電能傳輸系統(tǒng)。

a）復(fù)雜金屬環(huán)境下能量傳輸磁場空間分布調(diào)整與約束技術(shù)。

基于磁耦合諧振無線能量傳輸理論（靜態(tài)、周圍無干擾），綜合考慮金屬環(huán)境與共振系統(tǒng)相互作用、接收端運動對系統(tǒng)的影響，建立考慮金屬環(huán)境、收發(fā)端相對運動等復(fù)雜因素影響下的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。

利用數(shù)值計算軟件和有限元分析軟件，基于所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型，開展參數(shù)影響規(guī)律的數(shù)值仿真和磁路分布仿真，總結(jié)歸納線圈參數(shù)、金屬特性對系統(tǒng)傳輸特性的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計方案的制定提供仿真數(shù)據(jù)支持。

基于所建立的共振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值分析手段，探討系統(tǒng)傳輸功率及效率與線圈參數(shù)（線圈匝數(shù)、尺寸、線徑等）、負(fù)載條件、耦合系數(shù)、金屬渦流損耗等的相互關(guān)系，研究金屬體表面電渦流回路通過磁路耦合對線圈阻抗及系統(tǒng)共振頻率的影響和改變程度；其次，通過有限元仿真，分析金屬材料屬性、形狀尺寸、空間相對位置等對磁場空間分布的影響，進而研究不同傳輸結(jié)構(gòu)下的能量傳輸特性。最終揭示傳輸參數(shù)、金屬環(huán)境對系統(tǒng)傳輸性能影響規(guī)律。

b）小型化、輕量化和高功率密度磁耦合機構(gòu)研究。

磁耦合機構(gòu)是新型空間發(fā)電及電源技術(shù)無線電能傳輸系統(tǒng)中能量傳輸?shù)暮诵?，由利茲線繞制的線圈、磁芯和屏蔽材料組成。對于利茲線線圈，在系統(tǒng)設(shè)計之初應(yīng)充分考慮能量傳輸需求與線圈參數(shù)的關(guān)系，避免過高的線圈自感需求，從根本上避免大量線材消耗的可能。同時，選用絞合工藝較先進的線材產(chǎn)品，進一步減小線材單位重量。對于磁芯，結(jié)合磁場仿真、熱磁有限元分析和電路仿真等多種方法，保證滿足系統(tǒng)指標(biāo)的耦合系數(shù)條件下，以不降低系統(tǒng)性能和減少磁芯用量為目標(biāo)，優(yōu)化磁芯厚度、尺寸和排布方式等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。對于屏蔽材料，首先充分考慮磁耦合機構(gòu)磁場分布情況，關(guān)注漏磁可能超限的主要位置。其次，根據(jù)磁場仿真相關(guān)結(jié)論，分析歸納屏蔽材料種類、厚度、大小及擺放位置對屏蔽效果的影響。再次，對屏蔽材料與磁耦合機構(gòu)其他參數(shù)進行一體化建模。最后，基于“電路-磁路”一體化模型，優(yōu)選確定屏蔽材料類型、用量、放置方式等關(guān)鍵參數(shù)。

3.5 遠(yuǎn)程無人測發(fā)技術(shù)

當(dāng)前星箭產(chǎn)品的智能化、無人化操作性能不足，發(fā)射任務(wù)需大量人員伴隨保障，人力、物力成本較高，任務(wù)時效性差，規(guī)?；l(fā)射能力不足。采用基于民用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程加密通信技術(shù)，構(gòu)建“指揮中心—無線通信網(wǎng)絡(luò)-箱式發(fā)射系統(tǒng)”專用指揮通信網(wǎng)，確保復(fù)雜電磁環(huán)境下安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，通過后端指揮中心遠(yuǎn)程指揮控制，實現(xiàn)箱式發(fā)射系統(tǒng)自主彈道規(guī)劃、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)裝訂、遠(yuǎn)程一鍵測試發(fā)射、數(shù)據(jù)自動判讀、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測等功能，發(fā)射平臺現(xiàn)場僅留有少數(shù)人員進行異常情況緊急處置，滿足未來多地域、大規(guī)模發(fā)射需求，有效降低單次任務(wù)人員、物資等保障需求。

遠(yuǎn)程（不小于1 000 km）控制中心利用4G 或5G公共網(wǎng)絡(luò)資源與前方發(fā)射箱進行信息交互，包含任務(wù)指令下達、交班地面主站指令，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)視前方畫面、遠(yuǎn)程監(jiān)測箭箱數(shù)據(jù)來輔助決策。控制中心與箭箱交互過程如圖4所示，交互信息包含指令、裝訂數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及遙測數(shù)據(jù)等。

圖4 箱式發(fā)射系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制示意Tab.4 The long-range control of launch process of box-type systems

4 結(jié)束語

箱式發(fā)射系統(tǒng)是一種新型快響發(fā)射系統(tǒng)，充分發(fā)揮其“小、快、靈”的特點，實現(xiàn)隨機點位的無依托發(fā)射，可使商業(yè)發(fā)射逐步擺脫受制于發(fā)射場工位數(shù)量、測發(fā)周期長等問題的困擾，進一步提升航天發(fā)射體系的快速響應(yīng)能力、天地輸送能力和運用靈活度，有效增加商業(yè)航天發(fā)射運力總量，有效緩解場內(nèi)設(shè)施面對發(fā)射任務(wù)不斷增加的緊張局面，為大規(guī)模衛(wèi)星發(fā)射提供了一種新的解決方案，有效提升中國太空領(lǐng)域戰(zhàn)略競爭力。