美国重型运载火箭大型结构运输方案简析

张绿云 杨开（北京航天长征科技信息研究所）

1 引言

美国重型运载火箭包括土星-5（Saturn-5）火箭、航天飞机和在研的“航天发射系统”（SLS），其大直径结构包括土星-5火箭的一、二、三子级，航天飞机的外贮箱和四段式固体助推器，以及SLS的芯级和五段式固体助推器。在完成生产和试验后，所有部件都要运到肯尼迪航天中心进行总装和发射。

美国重型运载火箭最主要的生产、试验和发射区位于沿海或沿河地区，非常便于利用水运的方式进行大直径结构的运输，因此水上运输是其采用的最主要的运输方案，而将公路运输、铁路运输和飞机空运作为补充方案。

美国重型运载火箭生产和试车地点分布情况

2 水上运输

水上运输方案对于大直径结构的运输非常有利：一方面是因为船舶运输能力比较强，而且便于根据需求对船舶进行适应性改进；另一方面则是与水路相比，公路和铁路等方式的通行条件更好，对于大直径结构造成的限制比较少。

采用水上运输方案的大直径结构包括土星-5火箭的一子级和二子级、航天飞机的外贮箱以及SLS火箭的芯级。

土星-5火箭的一子级

土星-5一子级的运输路线为米丘德-斯坦尼斯航天中心-肯尼迪航天中心，从米丘德到斯坦尼斯航天中心为内河运输，采用敞开式的驳船运输；从斯坦尼斯航天中心到肯尼迪航天中心属于外海运输，为避免海上空气的侵蚀，采用封闭式的驳船运输。

一子级在米丘德完成制造后，首先利用专用运输车从厂房转运至港口，之后通过吊装的方式对一子级进行装船，然后经过内河运输至密斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心会采用起吊方式，直接将火箭级段从驳船上吊装至试验台。为了方便操作，斯坦尼斯航天中心修建了多条通往试验台的河道。

土星-5火箭的二子级

土星-5火箭二子级的制造地点位于加利福尼亚州北西尔滩，试验地点同样在斯坦尼斯航天中心（早期样机的试验地点在加利福尼亚州的圣苏珊娜基地实验室）。完成试验后，运往肯尼迪航天中心进行总装和发射。

圣苏珊娜基地实验室与西尔滩工厂中间仅相隔了一个洛杉矶，最初美国曾考虑直接通过公路进行运输，但是由于二子级直径太大，通过公路进行长途运输存在一定的风险（包括振动、环境、天气以及道路障碍等造成的影响），最后采取了公路运输和水上运输的组合方式，缩短了公路运输的距离。

二子级在西尔滩工厂完成生产制造后，通过卡车经短途运输到达港口，距离大约几千米，有宽阔的四车道公路。然后，通过封闭式驳船从加利福尼亚州经巴拿马运河运至米丘德。随后，二子级改由敞开式驳船运输到斯坦尼斯航天中心，并通过起吊方式竖立在试验台上。二子级完成试车后，通过封闭式驳船运往肯尼迪航天中心。

航天飞机的外贮箱

航天飞机外贮箱主要包括液氧贮箱、液氢贮箱和箱间段，长约47m、直径约8.4m。外贮箱在米丘德组装厂完成组装后，安装在轮式地面运输平台上，之后通过牵引车运抵1.6km之外的码头。

外贮箱到达码头之后，由工作人员将其与运输平台一同装载至停靠在码头的“飞马座”（Pegasus）驳船（长约68.6m）内，并通过液压卡锁将其牢牢固定在驳船上，防止运输过程中出现滑动与震动。运输过程中，“飞马座”驳船由一艘轮船进行牵引，总航行距离达到1600多千米，总航行时间为4～5天。

SLS火箭的芯级

SLS火箭的芯级在米丘德进行生产和装配，之后运往斯坦尼斯航天中心进行试验，最后运往肯尼迪航天中心进行总装发射。目前，SLS芯级还没有完成制造，根据NASA公布的流程文件，其运输流程可以分为6个主要环节。

（1）芯级准备

相关工作包括：①将芯级水平固定在多功能运输系统上；②锁闭芯级发动机；③安装并检查保护设施；④安装并检查测量、环境控制以及监测设施；⑤将相关设备打包封装。

芯级的运输车称为多功能运输系统，分为多功能承载设备和模块化自驱运输设备两部分。多功能运输系统分为前后两部分，由于有了驱动单元，所以不再需要牵引车辆。多功能承载设备结构下方为自驱动运输设备提供余隙，同时提供与驳船甲板连接的接口。模块化自驱运输设备为动力模块，由2个或多个协同模块组成，可将芯级和多功能运输系统从底部托起，完成其从装配厂房至码头之间、港口至试验设施之间、厂房内、码头至总装大楼之间的地面转运。

（2）地面转运

在芯级开始转运前，首先要检查多功能运输系统，并启动测量、环境控制以及监测等设备。然后，芯级通过多功能运输系统以极低的速度完成转运。

（3）装船与卸船

芯级装船与卸船通过滚装/滚卸方式完成。在执行滚装/滚卸之前，将“飞马座”驳船停靠在码头安全位置，提供安全、合适的连接位置。芯级滚装/滚卸依靠多功能运输系统，芯级发动机指向驳船尾部，检测等专用设备放置在驳船指示位置，并通过基座、松紧螺丝扣等系紧设备完成产品的固定。

“飞马座”驳船是美国为满足航天飞机外贮箱运输需求而专门设计和制造的，为了适应SLS芯级，美国在2014-2015年对“飞马座”驳船进行了升级，增加了长度和高度。改进后的“飞马座”驳船长94.4m、宽15.24m；载货甲板长73.2m、宽10.9m、高12.8m。封闭式主甲板可以有效防止设备受到海水侵害和天气的影响，但不提供环境控制。

主甲板用于安放芯级及其支撑系统（便于转运及与甲板的连接），以及其他硬件设施。主甲板内配备有受控照明设施，并安装了6台摄像机，可完整和连续地监视、记录货物区域。为保护芯级，在主甲板上还安装了一列D形环、开有槽沟的孔眼和支承耳。此外，驳船还留有足够空间，用于固定结构和维护设备的存储。

“飞马座”驳船通过拖船进行移动，其动力由2台200kW的发电机（或岸电）提供。到达码头后，驳船将通过船尾的前缘结构与码头壁凹处对接（压舱）。

（4）水路运输

水路运输分为4个阶段。

第一阶段从米丘德的码头至斯坦尼斯航天中心试验区码头的内河航道运输，总距离为64.4km。此段运输路线中，驳船由2艘拖船进行牵引。

在斯坦尼斯航天中心试验区完成产品卸船之后，“飞马座”驳船离开试验区停泊在距离2.4km处的码头，其目的是为了在芯级试验过程中，保护驳船免受损伤。芯级完成试验之后，驳船将返回试验区，完成芯级装船。

第二阶段从斯坦尼斯航天中心试验区至密西西比河海湾港口，总距离为99.8km。本段运输过程中，驳船首先由2艘拖船进行牵引，在海湾近岸内航道与海湾港口海峡交叉位置（离岸9.9km），改由一艘海洋拖船进行牵引。

第三阶段从密西西比河海湾港经由墨西哥海湾到达弗罗里达州卡纳维拉尔港口的海上航行。运输过程中，驳船由一艘海洋拖船进行牵引，运输总距离约为1313km。

第四阶段是从卡纳维拉尔港口至垂直装配大楼附近的肯尼迪航天中心码头的内河航道运输，总距离为29.3km，驳船由一艘内河船提供牵引，且位于驳船正前方的一艘辅助拖船将用于提升驳船的控制与机动能力。

（5）芯级处理

芯级移动工作包括采用吊车和起竖装置完成芯级的升降，通过垂直装配大楼内的起吊设备完成芯级的垂直起竖等。

（6）芯级检查

运送和接收机构的代表负责从“飞马座”驳船各个角度完成芯级状态和文件的检查。首先，通过目测对芯级的可视区域进行检测；其次，将硬件转移至垂直装配大楼之后，再次对芯级进行检测，对肉眼检测的局限性进行弥补；最后，对于未能通过检测的硬件，需要将其运回米丘德重新进行处理。

3 公路运输

重型运载火箭的大直径结构采取公路进行运输时，会在尺寸、质量等方面受到限制，所以公路运输都是作为一种接驳和补充的运输方案，运输距离比较短。

土星-5火箭的一、二、三子级，以及航天飞机外贮箱、SLS芯级，在采用水上运输、飞机空运的过程中，都以公路运输作为补充方案，完成制造地、试验地、发射场地与港口及空运站之间的运输。由于运输的结构尺寸都非常大，因此也都采用了专门定制的专用运输车辆。

马歇尔航天飞行中心1963年为土星-5火箭一子级设计了专用运输车。一子级运输车采用模块化概念，由多个基础模块拼接而成，每个基础模块有2个可独立操控的车轮，共12个模块、24个车轮。整个运输车分为前后2段，分别承载一子级的前端和尾端。基础模块都有独立的动力转向系统，通过计算机连接，保持转向角度一致。而且，基础模块的正反转向角度都可以达到90°，因此运输车可以横向移动。运输车的牵引装置为M-26坦克牵引车，质量55t，动力为179kW，装有27t的压载水，与运输车的质量相平衡。牵引车和运输车的总长度约70m，速度为8km/h。

另外，美国空间探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭也采用了公路运输的方式。该火箭的特征是通过捆绑形式实现更大运载能力，芯一级和2枚助推器基本相同，所以主体结构的直径都和芯级相同，为3.7m，便于采用公路运输的方式。

4 铁路运输

固体助推器在出厂时已经完成了装药，对于运输条件的要求比较苛刻，运输过程的操作不慎就有可能造成重大事故。因此，采用受自然环境影响较小的铁路运输方式，为其提供较为稳定的运输环境。此外，美国航天飞机四段式固体助推器和SLS重型运载火箭五段式固体助推器的直径均为3.7m，相比于重型火箭芯级直径（一般为10米级）要小很多，也为铁路运输提供了可能性。

固体助推器均由轨道-ATK公司负责研制与生产，各组成部分在犹他州普罗蒙特里的工厂进行组装，并在附近的场地进行试验，之后通过专用火车转运至肯尼迪航天中心。由于固体助推器总装之后的长度很大（航天飞机固体助推器长45m，SLS重型火箭的固体助推器长54m），需要采取分段式运输方式，各分段放置在轨道车支架上，由蛤壳式保护盖通过铰链从上方进行包裹，在整个运输过程中对其加以保护。

轨道车由1辆机车进行牵引，铁路运输历时7天，全程大约为3900km，最大运行速度为40km/h，但通常情况下都低于这个速度，为16～24km/h。因为运输途中需要通过吊桥，为了顺利通过吊桥，在各分段之间加装空的间隔段，以分散质量，保证不会超过桥梁的承载能力。

美国为重型火箭建设的专用铁路设施主要包括肯尼迪航天中心内部的轨道系统，全长大约21km，由专门的人员负责维护。

肯尼迪航天中心轨道系统的建设开始于1963年，正值“阿波罗”（Applo）项目地面基础设施建设时期。当时的轨道可承载质量为50～70t的货运车。但在航天飞机项目开始之后，受到盐雾、湿气等的影响，木质枕木、铁轨等都受到了一定程度的损坏。之后，由佛罗里达州东海岸铁路公司（FEC）对铁道系统进行翻新，采用焊接接头而非螺栓结合，并采用混凝土枕木代替木质枕木，可大大减少维修量，并可将枕木的使用期延长至50～60年。1983年，NASA从东海岸铁路公司获得该段铁路系统的管理和使用权。

5 飞机空运

飞机空运的方案能够大幅缩短运输时间，提高运输效率，但是受限于飞机的尺寸和运载能力，飞机空运所能运输的结构尺寸有限。美国只有土星-5火箭的三子级采用了飞机空运的方案。首先，三子级直径为6.6m，比一子级和二子级的10m直径小很多。其次，三子级既作为土星-5火箭的三子级，也用作土星-1B火箭的二子级，所以发射数量更多，对运输效率的要求更高。所以，美国为三子级选择了飞机空运的方案。

火箭三子级在亨廷顿海滩进行总装，试验地点位于萨克拉门托。完成试验后，再通过“超级古柏”飞机空运至肯尼迪航天中心，进行土星-5火箭的总装和发射。由于从萨克拉门托运往肯尼迪航天中心的距离比较长，中间有可能会停留3～4次，以应对突发的恶劣天气。

“超级古柏”飞机是将三架B-377飞机的驾驶舱、机身前部和机翼进行组合改装而成，采用涡轮螺旋桨发动机。该飞机的最大载重为23814kg，满载条件下的最大航程为907km，7.6km高度的巡航速度为750km/h，货仓容积为1104m3。在运送三子级时，从飞机前部装载火箭级段，将整个机身前部搭建在铰链上，而铰链位于机翼前缘。为了能够把三子级装载到飞机上，采用了专门的货物起重拖车，该拖车利用剪刀式升降原理操作，可以抬高三子级将其搬运到飞机的货舱里。在空运过程中，采用轻型遮盖物遮盖三子级顶部和尾部的暴露区域。此外，“超级古柏”飞机内部装有测量仪器，在飞行中监测三子级的压力、湿度、温度和振动数据。

6 小结

美国重型运载火箭大直径结构的生产、试验以及火箭发射地点基本都设在海岸或河岸，因此，美国主要倚重其强大的水上运输能力，利用改装驳船来实现大直径结构在生产、试验和发射地点之间的远程运输。除此之外，再辅以公路运输、铁路运输和飞机空运等作为补充运输方案，满足大直径结构在生产、试验、发射场地与港口及空运站之间的接驳需求，以及其他某些特定的要求，如运输过程中产品的稳定性和安全性以及运输效率等。此外，美国重型运载火箭的运输能力具有比较好的延续性和继承性，相关基础设施以及运输方案都得以延续和保留，可以为新一代重型运载火箭的运输所用，整体的利用率也比较高。