低温运载火箭“零窗口”发射研究

2016-04-13许秀清

装备学院学报 2016年1期

关键词：火箭低温

许秀清，　张　博，　周　翔，　章　伟

(中国西昌卫星发射中心，四川西昌 615000)

低温运载火箭“零窗口”发射研究

许秀清，张博，周翔，章伟

(中国西昌卫星发射中心，四川西昌 615000)

摘要针对“嫦娥”“北斗”组网工程系列卫星提出的“零窗口”发射要求，结合低温运载火箭特点及发射场系统现状，对低温火箭“零窗口”发射技术进行了研究。从低温火箭测发系统现有的技术手段、任务组织及保障模式出发，查找系统存在的薄弱环节，从技术改进、设备可靠性增长及组织指挥方法创新等方面，制定适应低温运载火箭“零窗口”发射要求的相关技术手段和策略。

关键词低温；火箭；零窗口；快速处置

“Zero Window” Launch of Cryogenic Rockets

XU Xiuqing，ZHANG Bo，ZHOU Xiang，ZHANG Wei

(China Xichang Satellite Launch Center, Xichang Sichuan 615000, China)

AbstractTo meet “zero window” launch requirements raised by “Chang’e” mission and “Beidou” networking engineering, combining the characteristics of cryogenic rockets and status quo of launch site, the paper studies the “zero window” launch technology of cryogenic rockets. Starting from current technical approaches, task organization and support mode of test launch system of low-temperature rocket, the paper identifies the weak links of the system and makes relevant technical approaches and strategies meeting “zero window” launch requirements of cryogenic rockets in the respects like improvement of technologies, enhancement of equipment reliability and innovation of organization and command method.

Keywordscryogenic; rocket; zero window; quick dispose

发射窗口是指允许发射航天器的时间范围，又称发射时机，这个范围的大小也叫作发射窗口的宽度[1]。所谓“零窗口”是指发射窗口宽度为0或极短(一般为1 s以内)，而“零窗口”发射是指要求在发射窗口内的某个时间点(窗口前沿或最佳时间点)实施发射(亦称准时发射，要求火箭发射时间和预定点火起飞时间偏差不能超过1 s，即不允许有任何的延误与变更)。“零窗口”发射主要是针对某些特殊任务提出的苛刻要求。比如，“嫦娥”探测器发射任务每年只有2次较好的发射时机，且每次连续时间不超过3 d，每天的发射窗口只有35 min左右，如果错过发射机会，任务将可能推迟半年甚至更久[2]。因此，以“嫦娥”“北斗”组网工程为代表的卫星发射，提出了“零窗口”发射的要求。未来空间探测器对发射窗口的要求也极其苛刻，如火星探测器每隔26个月有一次发射机会[3]，金星探测器每隔19个月有一次发射机会等[4]，这就要求发射场系统必须具备“零窗口”发射的能力。

西昌发射场地处四川南部山区，夏季雷雨频繁。根据低温火箭的特点(液氢、液氧易挥发，易燃易爆，低温推进剂加注后发射程序不可逆等)，射前的恶劣天气或任何一个产品质量问题都可能对射前测试进程产生影响，带来低温推进剂加注后推迟或中止发射、错失发射窗口的重大风险。因此，对低温运载火箭而言，要实现“零窗口”发射，须从根本上克服以上各种不利因素造成的影响。

当前，西昌发射场正处于新一轮高密度任务发射期，年发射量10颗以上，任务之间首尾衔接更紧，为确保高密度任务发射进程及后续“嫦娥”“北斗”组网卫星、空间探测器等“零窗口”任务的顺利实施，充分考虑发射场系统与“零窗口”要求不相适应的因素，从技术改进、设备可靠性增长、组织指挥方法创新等方面，梳理归纳形成低温运载火箭“零窗口”发射的策略，为实现“零窗口”发射目标奠定基础。

1低温火箭“零窗口”发射制约因素

要实现低温火箭“零窗口”发射目标，须先了解低温火箭“零窗口”发射受哪些因素的制约，从而有针对性地制定保障策略。制约低温火箭“零窗口”发射的因素，除有效载荷轨道设计要求等客观因素外，发射场的组织指挥、设备设施可靠性、试验文书、场区保障及人为因素等都会对其产生影响。

1) 组织指挥。组织指挥涵盖任务的全过程，组织指挥程序的高效、优化对保障“零窗口”发射至关重要。在进入射前程序后，各个子系统、每台设备的工作时段及相互之间的配合都有严格的要求，如果稍有误差，就可能造成大系统的工作紊乱。当前发射场系统还存在以下一些不足：一是对突发情况的预计不足，对“逆流程”的掌控还不熟练，一定程度上影响了射前程序的顺利进行；二是任务组织指挥的智能化程度还不够高，现有的指挥监控系统既不能自动诊断设备出现异常的部位及原因，也不能给分系统指挥员及时提供故障状况和初步分析定位等信息，更不能快速准确地提炼出决策结论，为决策者提供技术支持等。

2) 产品质量。低温运载火箭作为国内高轨卫星发射的主型火箭，具备适应性好、继承性多、可靠性高等优点，但由于该型火箭系统复杂，且以低温推进剂作燃料，产品在测试过程中一旦出现质量问题，若不能及时归零或采取综合治理措施，就可能阻碍测试进程的顺利进行，尤其在低温推进剂加注中若出现故障，且故障难以在短时间内排除时，很可能会错过“零窗口”甚至第一发射窗口。因此，产品质量问题是制约“零窗口”发射的重要因素。

3) 设备设施。为保障“零窗口”发射，发射场设备设施可靠性高低也起着决定性作用。在高密度任务常态化条件下，场区各系统设备设施可靠性存在不同程度的下降或隐患，给发射场的测试进程，尤其是“零窗口”发射带来很大影响。如：测发电测系统箭上、地面设备经过冗余设计、可靠性增长等措施后，设备设施的可靠性有了较大提高，但部分关键设备仍存在潜在隐患及单点失效风险，这些设备一旦发生失效则必须进行更换，更换的过程极其复杂，且耗时较长；又如：测发地面系统部分设备设施在任务准备过程中易出现突发、偶发故障，特别是部分长期服役和新投用设备的可靠性、稳定性也面临极大考验。

4) 试验文书。试验文书是发射场测试操作的重要依据，若文书存在可操作性不强、覆盖性差、有歧义等问题，将直接阻碍发射场测试的顺利进行，严重时导致“三误”(误操作、误指挥、误口令)问题的发生。目前，发射场系统试验文书存在不同程度的问题，以测发系统为例，部分射前预案实用性、可操作性较差，要么故障处置时间过长，要么预案的内容不够细化，这些都与“零窗口”发射的要求不相适应。

5) 场区保障。场区保障主要包括特燃、特气、供电、空调、通信、气象保障等，场区保障是否得力，也会对“零窗口”发射产生直接影响。如：低温运载火箭对气象条件的依赖性很强，特别对火箭转场、吊装、常规加注及发射日等关键时段影响极大。若场区的气象保障不力，天气预报的准确率不高，可能给任务的测试进程尤其是射前进程产生重大影响，这样不但阻碍“零窗口”目标的实现，严重时会错过发射窗口，如某次任务雷雨天气导致发射时间推迟21 min就是个典型实例。

6) 人为因素。人为因素也是制约“零窗口”发射的因素之一，对西昌发射场而言，经过高密度任务的锻炼，岗位人员对正常测试流程下的指挥、操作比较熟练，但进入射前阶段，火箭测试状态复杂、测试项目较多，突发故障难以避免，出现异常后可供决策讨论的时间很短，某些故障模式也不在预案涵盖的范围内，若岗位人员对异常处置的流程不熟，加上射前的紧张气氛可能会对操作人员带来较大压力，从而影响其操作的熟练度。比如，运载火箭某系统发控台操作手是一个极为重要的岗位，该岗位承担火箭“点火”指令的发出，因此，针对“嫦娥”“北斗”IGSO(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit)组网系列“零窗口”发射任务，要求操作手除具备基本的专业知识和丰富的操作经验外，还应具备过硬的心理素质，在点火时刻稍稍犹豫，将会错过“零窗口”发射。

2低温火箭“零窗口”发射技术途径

低温火箭“零窗口”发射技术途径是指采用技术改进措施，提高低温运载火箭及地面测试系统的可靠性，增强测试操作自动化水平，提升低温运载火箭测试及指挥决策效率，从而实现“零窗口”发射。“零窗口”发射技术途径涵盖箭上及地面系统的技术改进措施。

2.1设备设施可靠性增长技术

对航天产品的研制程序，从设计到使用，其产品可靠性是一个递增的变量，要实现产品的高质量，必须不断改进设计和生产工艺，在研制和使用周期内不断提高产品可靠性，这种可靠性逐步递增的过程称为“可靠性增长”[5]。航天发射可靠性增长一般针对航天器产品及发射场系统设备设施而言，通过箭、地产品及设备设施的可靠性增长，达到提高航天器测试、发射及飞行可靠性的目的。提高运载火箭及发射场设备设施可靠性可大大降低射前故障发生率，从而减少射前风险，为确保“零窗口”发射奠定重要基础。发射可靠性主要是指射前箭、地产品的可靠性，即从低温推进剂加注至点火起飞时段产品的可靠性。因此，“零窗口”发射可靠性与运载火箭系统可靠性、地面保障系统可靠性密切相关。其中箭上设备的可靠性主要是与飞行可靠性相关，一旦在射前发现箭上设备故障，有可能影响“零窗口”发射，如图1所示。

提升“零窗口”发射能力最关键的是减少箭上、地面设备在射前出现问题的概率，因此，必须采取一定的可靠性增长措施，使射前产品的可靠性能得以提高。“零窗口”发射可靠性增长措施主要包括：加强元器件筛选、改进生产工艺、及时发现并消除产品故障隐患以及对同类产品故障进行举一反三等，如：在“嫦娥二号”任务前，为确保射前*分钟箭地连接器可靠脱落，实现“零窗口”发射，设计方对箭体连接器脱落电磁阀进行了冗余改进，有效避免了气脱电磁阀射前单点失效故障。通过改进，不仅减少了射前箭地产品的故障发生率，还大大降低射前故障对发射进程的影响，达到了实现“零窗口”发射的目的。

图1　“零窗口”发射可靠性框图

2.2自动化测试发射技术

采用自动化测试发射技术是实现“零窗口”发射的重要途径之一，从测控技术的发展来看，通用化的远距离测控技术是运载火箭自动化测控技术的一个重要发展方向，是提高发射场发射安全性、降低发射成本、提高设备使用率及自动化测试水平的一项重要措施[6]。西昌发射场已建成并使用远距离测试发射控制系统，实现了简单实用、安全可靠、优化系统、共享信息的目标。

由于“零窗口”发射对点火时间要求极为苛刻，但目前低温运载火箭点火动作实施仍然由人工来完成，点火时间存在一定的误差，火箭起飞时间控制未能精确到秒级。若通过改进射前测试方法，实现自动进入点火程序，达到起飞时与发射时的秒级对齐，对于实现严格意义上的“零窗口”发射，体现发射场发射能力具有重要意义。可以考虑在不改变现有点火线路，只需在火箭某系统主控微机上增添进入自动点火进程的指令，如图2所示，并具备与时统自动对时的功能，即可实现自动点火。

图2　程序自动点火信号流向图

3低温火箭“零窗口”发射策略

3.1射前动态指挥策略

目前，低温火箭测发电测系统射前测试项目的设置基本固定，但仍存在某些时段测试项目安排不饱满、耗时超标等情况。针对“零窗口”发射的苛刻要求，就是要充分利用火箭点火前的有限时间，使故障提前暴露，为故障处置赢得时间。

图3　各时段测试项目口令下达时间提前量

1) 采用“提前进入、逐步逼近”的方法，把“无窗口”变为“有窗口”，“窄窗口”变为“宽窗口”。为提前发现异常，尽可能留有一定的时间进行故障处置，规避射前故障对发射进程的影响，当前，测发系统采取“提前进入、逐步逼近”射前进程的方法，使射前程序更加适应“零窗口”发射的要求。如图3所示，进入低温推进剂加注时段后，各项工作开展时间均有所提前，以逐步逼近发射窗口前沿，但根据低温推进剂特点(易燃易爆、挥发性强、热交换大等)，指挥部最终决定各项工作提前时间不能超过30 min(低温运载火箭射前工作项目极多，且环环相扣，节省1 min均有可能挽回错失发射窗口的风险)。2) 根据起飞延时误差推算实际点火时间，确保起飞时间精准。为确保火箭准时准点发射，发射场采用理论计算与历史数据统计相结合的方法，详细分析火箭点火至起飞的时间，如：针对“嫦娥二号”卫星提出的发射时间为2010-10-01T18:59:00的要求，指挥部组织专题讨论，首先分析该型火箭一级、助推器发动机推力的建立过程，结合火箭的起飞总重量，理论计算从点火到发动机推力克服重力、火箭离开发射台的时间；在理论计算的基础上，通过统计数十发低温运载火箭历史任务从发射点火指令下达到火箭起飞的延迟时间；根据统计结果，该型火箭点火至起飞平均时间为几秒，为确保发射时间精确到秒，指挥部最终决定将发射点火指令下达时间相应提前数秒，最终火箭的起飞时间比计划时间仅推迟了0.3 s，验证了决策的正确性。

3.2射前快速应急处置策略

射前流程特别是进入射前程序以后，系统故障处置时间极短，应急处置流程控制要求极高。只有最大限度地降低故障对该时段流程的影响，才能确保“零窗口”发射。要实现此目标，需保证射前正常测试及异常处置工作顺利、有序进行。为此，低温运载火箭测发电测系统对射前几小时至点火的故障处置预案进行了逐一梳理，制定了射前各分系统快速应急处置策略(部分如表1所示)，以适应“零窗口”任务故障处置的时效性要求。

表1　火箭系统射前快速应急处置策略(部分)

3.3“零窗口”任务气象保障策略

随着近几年高密度任务的实施，年发射量近十颗，几乎覆盖每个季节。天气预报准确率不高、可靠性不够、预报决策不够科学等问题日趋显现。为解决这些问题，给发射任务提供准确可靠的气象保障，西昌发射场气象系统开展了一系列预报技术和方法研究，如：中尺度分析技术、数值预报产品检验及订正[7]、短时临近预警技术、精细化要素预报及其他预报方法(包括简化天气分类法、逐步逼近预测法、偏差分析预报法等)，这些方法成功应用于“嫦娥”“北斗”等卫星发射任务中，为“零窗口”发射气象保障提供了强有力的技术支撑。

当前发射场系统“零窗口”任务的气象保障模式主要有：常规气象资料接收与观测、高空风探测、雷电监测及天气会商等，并针对各个关键节点(包括：火箭转场、载荷转场、总检查、加注发射等)制定了专项的气象保障策略。如：在加注发射日，进入低温加注前，现场气象保障人员就位于场坪气象工作间，向指挥所发布加注前天气预报，并根据上级指示和机关要求，作好加注前天气专题汇报，明确加注前后有无降水、雷电、地面大风、高空大风等结论，若遇有危险天气，则由现场保障组向指挥所发出气象预警等。

4结束语

文中提出的“提前进入、逐步逼近”“根据起飞延时误差推算实际点火时间”的射前动态指挥策略为国内首创，已成功应用于“嫦娥二号”“嫦娥三号”及“嫦娥五号T1”等卫星发射任务；提出的“可靠性增长”技术、“射前快速处置”策略等在以往“零窗口”任务中亦得到了充分验证。目前，还有部分技术，如：自动化测试发射中的“自动点火设计”还未得到验证和实施，建议设计部门通过相关改进，进一步提高低温火箭测试发射自动化水平及“零窗口”发射能力。

参考文献(References)

[1]董书生.影响和限制航天器发射窗口的主要因素[J].现代物理知识，2009(1)：51-53.

[2]杨维廉.月球探测器发射机会分析[J].中国空间科学技术，2005,25(2)：9-12.

[3]高飞，苏宪程.火星探测器发射时机分析[J].装备学院学报，2009，20(4)：59-62.

[4]肖益.如何确定航天器的发射窗口[J].兵器知识，2007(7)：54-55.

[5]朱曦全.航天产品的可靠性增长试验方法[J].导弹与航天运载技术，2006(1)：47-48.

[6]张晨光.运载火箭新型地面测试发控系统构想[J].宇航学报，2005(3)：1-3.

[7]程丛兰.基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验[J].气象学报，2013(3)：8-10.

(编辑：李江涛)

中图分类号V19

文章编号2095-3828(2016)01-0086-05

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.018