快速响应卫星发射场快速测试技术

张国强， 邓武东， 范 凯， 吴跃莺

(1.上海卫星工程研究所， 上海 201109； 2.上海卫星装备研究所， 上海 200240)

快速响应卫星发射场快速测试技术

张国强1， 邓武东1， 范 凯1， 吴跃莺2

(1.上海卫星工程研究所， 上海 201109； 2.上海卫星装备研究所， 上海 200240)

介绍了快速响应卫星发射场快速测试流程及与火箭快速对接方法。应用结果表明卫星在发射场工作周期从35天以上缩减到7天。新型卫星翻身对接方法适用于卫星与运载火箭的水平对接，该方案操作简单且降低了卫星翻身工作对发射场厂房的设备要求，对快速响应卫星的设计和测试有一定的参考价值。

快速响应卫星； 发射场； 测试； 水平对接

0 引言

小卫星以重量轻、体积小、成本低、机动灵活的特点逐渐成为卫星发展的重要方向[1-2]。小卫星采用快速研制、快速发射和快速应用的方式，解决在轨运行卫星由于数量、轨道或性能等原因无法满足应急任务需求的难题，体现“小、快、省”特点。采用模块化、集成化和系列化的发展思路，打造公用的宽适应的小卫星平台，采用载荷即插即用技术，提供载荷快速设计和快速集成的能力，以及载荷自主运行技术等成为快速响应卫星研究和发展的重点[3-5]。在快速响应卫星研制、发射过程中，基于模块化设计以缩短总装周期，基于测试设备通用化和自动化加快测试和试验进程，基于快速发射运载火箭和快速发射机制以实现快速部署[6-7]。本文在分析快速响应卫星发射场快速测试需求及快速对接特点的基础上，提出快速测试技术的实现方法，该方法缩短了卫星在发射场的测试周期且适应快速响应运载火箭的“水平对接、水平运输”特点。

1 快速测试需求

传统卫星在发射场的测试工作按时间顺序分别在技术区和发射区进行，技术区工作主要包括卸车、技术安全检查、卫星及设备开箱自检、卫星全系统检漏、卫星改装、卫星精度测量、卫星平台电测试、卫星有效载荷电测试、卫星模飞、活动部件展开试验、光照试验、卫星加注和星箭对接，星箭转运至发射区后进行发射区测试和卫星状态设置，最后完成发射。传统卫星发射场测试周期为35天～60天。快速响应卫星主要任务在于应对突发事件，达到快速集成、测试、发射和在轨应用的目的，一般要求卫星在1周内完成发射场测试工作具备发射条件。1天内完成发射和在轨测试工作具备在轨交付及应用的条件[8]。

2 快速对接特点

传统运载火箭在发射场的测试和发射工作具有两个特点：一是运载火箭采用固定的火箭发射工位及发射塔架进行发射；二是卫星与运载对接采用垂直对接方式。发射塔架用于运载火箭箭体对接、测试和燃料加注，用于星箭对接操作、卫星测试及发射。运载火箭或者先采用水平运输方式转运至发射塔架进行箭体对接，火箭测试后再进行星箭垂直对接；或者先进行星箭垂直对接，再采用星箭垂直运输转运至发射塔架，完成星箭测试、检查后进行火箭推进剂加注，然后执行发射任务[9-10]。

快速响应运载火箭为缩短发射场测试和发射周期，减少对发射塔架的依赖性，在发射场技术区进行星箭水平对接，采用星箭水平运输方式转运至发射地点，然后通过火箭起竖车进行火箭起竖，液体火箭在起竖后进行推进剂加注，固体火箭则在起竖后直接进行发射。采用星箭水平对接和水平运输方案，运载火箭发射场集成、测试周期可缩短1天～2天。根据快速响应运载火箭的特点，快速响应卫星须具备星箭水平对接和水平运输的能力。

3 快速测试实现方法

3.1快速测试流程

传统卫星发射场测试流程项目多、耗时长，主要原因如下：

a) 卫星部分产品采用单独运输，须在发射场进行总装操作；

b) 卫星推进系统在发射场采用常压累积检漏法进行全系统检漏；

c) 卫星电测试内容不仅包含功能测试，还包含大部分分系统及单机产品的性能测试；

d) 在发射场进行活动部件展开试验、精度测量和光照试验，卫星状态须多次改变，卫星试验状态建立及总装过程耗时较长。

通过对传统卫星和快速响应卫星的特点及发射场工作项目的必要性进行分析，对卫星测试流程进行优化，以缩短测试周期。

(1) 整星运输

快速响应卫星在发射前采用模块或整星贮存的方式在卫星厂房进行存放，接到发射任务后卫星在厂房进行快速集成、测试并整星运输至发射场，卫星在发射场不进行总装操作，节省了总装及相关测试、状态确认的时间。

(2) 保压法检漏

采用“保压法检漏”代替“常压累积检漏法全系统检漏”。常压累积检漏法是在卫星推进系统充入一定工作压力的示漏气体(一般为氦气)，将卫星装入卫星包装箱内，然后每隔一定时间(一般为12 h)采集一次包装箱压力、温湿度值，并用氦质谱检漏仪读取包装箱内的氦气浓度值，采集一定次数(一般为8次～10次)的数据后，对数据进行统计分析，以判断推进系统对外漏率是否满足指标要求。保压法是在卫星推进系统充入一定工作压力的示漏气体(一般为氦气)，在一定时间(一般为24 h)持续采集系统内部压力，以判读其密封情况。“保压法检漏”操作简单，耗时短，最小可检漏率为1×10-3Pa·m3/s，可以用于判定推进系统在经历整星运输后是否发生螺接松动、焊缝开裂等质量问题。

(3) 产品状态确认

快速响应卫星在研制中对其部组件、分系统进行长时间的测试，测试项目覆盖功能及性能，提前暴露产品质量问题，在模块或整星贮存前剔除失效产品。产品依据贮存可靠性要求进行定期检测，以确保产品的功能和性能满足产品质量和可靠性要求[11]。在发射场取消卫星产品性能测试，仅对卫星蓄电池进行充电，卫星加电，通过发送遥控指令和观察遥测参数判读产品状态是否正常。

(4) 展开试验、光照试验、精度测量

卫星活动部件、有精度要求的单机以及太阳阵电池片等产品在飞机运输、铁路运输或火车运输经历的振动响应量级远小于地面试验时的振动量级，卫星在发射场可以不进行活动部件展开试验、太阳电池阵光照试验和单机精度测量[12]。

通过流程优化，快速响应卫星在发射场工作周期从传统卫星的35天以上缩减到7天，包括卸车及技术安全检查0.5天、卫星及设备开箱检查0.5天、全系统检漏1天、电测试1天、模飞0.5天、加注0.5天、星箭对接1天、星箭转运1天、卫星状态设置及发射1天。

3.2快速对接方案

快速响应运载火箭要求卫星采用水平状态进行星箭对接，对接前卫星及卫星支架须从垂直停放状态翻身90°至水平状态。目前常用的卫星翻身方法主要有两种，一种是卫星垂直停放于L型梁，采用双行车或双吊钩对整体进行翻身，另一种是利用两轴转台进行翻身。两种方法需要的卫星工装较多，包括L型梁或两轴转台，且对厂方条件要求较高，须配套双行车或双吊钩，另外，翻身过程操作复杂。为了满足卫星翻身以及水平对接的需要，设计一种新型卫星翻身对接工装，用于卫星与运载火箭的水平对接。

水平翻身对接工装主要由连接卫星框架组件、支撑腿组件、停放车等部分组成。卫星翻身过程操作步骤如下。

(1) 竖直停放

在卫星两侧安装连接卫星框架组件，将卫星吊带、一字吊具通过卸扣与连接卫星框架组件的上端吊耳相连接，利用行车起吊卫星，直至连接卫星框架组件下端进入两条支撑腿组件上端的凹槽，将这两条支撑腿组件上端的盖板合上，用紧固件拧紧，如图1(a)所示。

图1 卫星水平翻身过程示意图

(2) 90°翻转

以连接卫星框架组件下端与支撑腿组件接触的部分为旋转中心，利用行车控制卫星按照图1(b)所示方向翻转90°，直至连接卫星框架组件上端进入两条支撑腿组件上端的凹槽。

(3) 水平起吊

通过卸扣、吊带将两根一字吊具、4个花篮螺丝、安装在连接卫星框架组件上端、下端吊耳，将两条支撑腿组件上端盖板打开，利用行车将卫星起吊至运载火箭支撑舱相应高度，如图1(c)所示,通过调节吊具花篮螺丝改变卫星水平度使卫星姿态满足水平对接要求，对准刻线完成星箭水平对接。

快速响应卫星在完成星箭水平对接后整箭运输至发射区，在火箭发射前进行主动段状态设置并完成发射。水平运输过程星箭界面处的最大轴向过载系数为±1.0，最大横向过载系数为2.0，运载火箭起竖过程星箭界面处的最大轴向过载系数为±1.0，最大横向过载系数为3.0，量级均小于火箭飞行过载，因此星箭水平运输对卫星设计和力学试验无影响。

4 应用效果及前景

长征-11运载火箭是快速响应型固体运载火箭,于2015年9月在酒泉卫星发射中心完成首次飞行,成功发射了浦江一号卫星。长征-11要求卫星适应水平对接、水平运输、水平测试和整体起竖的测发模式，适应运载火箭运输、测试、发射和飞行过程中的各种环境条件，具备发射场快速对接、快速测试、快速发射的能力。浦江一号卫星采用整星运输方式，依据快速测试流程完成了卫星全系统检漏、电测试、模飞、加注、星箭对接、星箭转运及发射工作，有效工作时间7天。浦江一号卫星在轨运行各项功能性能正常，满足设计寿命要求，表明本文提出的快速测试流程及快速对接方案适用于卫星。为我国后续应用于抗震救灾、海上救援、突发事件等用途的快速响应卫星的设计、测试奠定了技术基础。保压法检漏、产品状态确认也可以应用于传统卫星以缩短发射场工作时间，提高发射场厂房、设备的利用率，加快航天装备速度。

5 结束语

本文针对快速响应卫星发射场快速测试的需求，结合快速响应运载火箭水平对接、水平运输的技术特点，提出了一种较为优化的卫星发射场测试流程，使卫星在发射场工作周期从35天以上缩减到7天，提出了一种新型卫星翻身对接方法用于实现卫星与运载火箭的水平对接，该方法操作简单且降低了对发射场厂房的设备要求。

[1] 林来兴.小卫星技术的发展和应用前景[J].中国航天， 2006，(11)： 43-47.

[2] 安君帅，张生玥，肖跃.国内外小卫星的发展现状及前景[C]//第十二届卫星通信学术年会.北京：中国通信学会卫星通信委员会、中国宇航学会卫星应用专业委员会， 2016： 89-96.

[3] 张立华.小卫星公用平台技术[J].航天器工程， 2004, 13(3)： 59-67.

[4] 牛亚峰，王杰娟，王斌.快速响应空间典型模块化平台设计特点分析[J]. 控制工程， 2010, 17： 106-109.

[5] 黄兴.快速响应卫星载荷体系化建设思路[J]. 电讯技术， 2014, 54(10)： 1321-1325.

[6] 李丽琼，曾春平，吕高见.小卫星AIT流程简化探讨[J]. 航天器工程， 2014, 24(1)： 120-125.

[7] 蔡远文，辛朝军，程龙，等.航天快速发射现状及发展[J]. 装备学院学报， 2015, 26(1)： 1-5.

[8] 高永明，吴钰飞.快速响应空间体系及应用[M]. 北京：国防工业出版社， 2011： 35-48.

[9] 蒋吉兵，朱良平，丁志强，等.新一代运载火箭测试发射流程设计方法[J]. 计算机工程与应用， 2012, 48(S2)： 451-459.

[10] Tim Duffey, Mike Hurley, Bill Raynor, et al. TACSAT-4 Early Flight Operations Including Lessons From Integration, Test, and Launch Processing[C]. The 26Annual AIAA/USU Small Satellites Conference, Utah State University Logan, Utah, 2012： 47-55.

[11] 廖明，宗益燕，张华.快速响应卫星可靠性保证技术研究[J]. 上海航天， 2014, 31(增刊)： 91-94.

[12] 张华，宗益燕.太阳电池阵运输过程的振动环境及可靠性分析[J]. 航天器环境工程， 2014, 31(5)： 536-542.

RapidTestTechnologyofOperationallyResponsive
SatelliteatCosmodrome

ZHANGGuo-qiang1,DENGWu-dong1,FANKai1,WUYue-ying2

(1.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)

Rapid test flow of operationally responsive satellite and new method used to horizontal docking were introduced. The application results showed that the period of test and launch flow can reduce from thirty-five days to seven days. The method of horizontal docking was suitable to operationally responsive launch vehicle and operationally responsive satellite. The method was easy operation and reducing requirement for cosmodrome equipment. The study is valuable to operationally responsive satellite design test and launch.

operationally responsive satellite; cosmodrome; test; horizontal docking

1671-0576(2017)02-0034-04

2016-03-21

张国强(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事卫星总体设计工作。

V474

A