运载火箭固定式发射台无人值守系统设计

冯 超，赵劲彪，徐 铮，王 梁，孙 贺

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

运载火箭发射是一项高危险工作，尤其是在推进剂加注后，任何故障或失误均有可能造成运载火箭周围人员的伤亡。

国外很多火箭按照无人值守加注进行设计，例如欧洲阿里安系列可在-5 h（开始液氢大流量加注）左右实现人员撤离，美国SpaceX公司Falcon 9火箭加注开始后均能实现无人值守，加注流程采用远控模式设计。俄罗斯海射天顶号能够实现一键式自动发射，进入无人值守流程更早，自动化程度更高。Falcon 9火箭在执行AMOS-6卫星发射任务时发生爆炸，火箭与卫星一同被炸毁，同时发射平台损毁。本次失利虽然造成了重大的经济损失，但是由于严格执行射前安全规程进行了人员疏散，没有造成人员伤亡。

目前，中国现役发射台在火箭加注后还需要多项人工操作，操作人员的生命安全存在一定风险。以西昌卫星发射中心长征三号火箭捆绑型固定式发射台为例，火箭加注后需要发射台进行多项操作，人员直到临射前15 min才能撤离。此外，一旦火箭发射过程中出现故障，还需要发射台首先完成状态恢复，人员需要第一时间到现场抢险，操作人员的生命安全存在一定风险。

无人值守技术能够快速、可靠的恢复箭地连接，进行前端箭上、地面状态参数的监测、风险评估，按程序执行紧急预案，解除系统安全风险，从而提高对运载火箭发射风险的控制能力。建立发射台无人值守系统能够最大限度地减少现场值守人员，提高发射安全性和可靠性，是火箭发射流程智能化的重要环节[1]。

1 运载火箭发射流程

在火箭完成常规推进剂加注后，发射台还需要进行多项关键工作。以长征三号火箭发射流程为例：

a）火箭垂直度监测与调整。在常规推进剂加注后，通过监测火箭发动机架上传感器信号确认火箭一级、三级的垂直度。火箭通过尾部的4个支点与发射台支承臂连接，通过电控系统控制调整发射台4个支承臂的高度，对火箭垂直度进行调整。

b）配合火箭瞄准。临射前，由瞄准系统监测火箭起飞角度。火箭通过支承臂座在发射台回转部上，通过电控系统控制发射台上方向机驱动回转部转动，带动火箭转动实现方位角度调整。在进行回转前，需要人工解锁回转部上4个止动器，回转结束后重新锁紧。

c）解锁防风装置。在助推器加注连接器脱落后，需要人工解锁发射台与火箭的连接——拉杆式防风装置。具体操作为：人工向防风拉杆活塞筒充气使拉杆顶起，用专用扳手拆除4个支承臂上防风拉杆的垫圈和螺母，随后放掉储气，使防风拉杆在弹簧力的作用下缩回支承盘内。防风拉杆拆除是火箭测发总流程中临射前的强制检验项目。

d）撤收助推工作台板。其它系统完成在发射台面的工作后，需要人工拆除助推工作台板插销，再通过电控系统控制油缸缩回，撤收8个助推工作台板。

e）其他临射前工作。人工封好发射台面上的各处盖板（油源箱盖板、液压控制箱盖板各2块）；撤收4个支承臂的工作梯、4个芯级工作台板、2个引流孔盖板；人工撤收所有外露电缆、转接控制箱等电气设备，并装箱保存；人工对发射台内的电气、液压设备进行防烧蚀防护；人工关闭发射台控制间所有设备的电源和总电源。

f）应急抢险工作。发射台岗位人员在应急抢险中，需要首先恢复防风装置的连接固定，确保火箭的安全，再重新展开助推工作台板与芯级工作台板，为其它系统的抢险人员提供安全的工作平台。

火箭的常规推进剂相对稳定，而加注至火箭贮箱的液氢、液氧低温推进剂不断汽化膨胀，可能导致贮箱升压甚至爆炸[2]。液氧可通过箭上氧排接口将气态氧直接排放到大气避免升压，而液氢汽化后容易与空气的混合物爆燃，不能直接向大气排放，需要最短时间内完成氢排连接器及加泄连接器的对接。而人员在发射前均已撤离至安全区域，抢险人员回到工作岗位并完成手动对接需消耗较多时间，对人员、系统安全均具有较大威胁[3]。发射台在测试、控制和技术勤务等方面仍然存在很大的安全风险。

综上所述，随着进入空间运载能力提升和高密度任务的开展，急需改变当前人员密集型的工作模式。

2 发射台无人值守的功能要求

为确保火箭发射总流程不变，根据发射台常规推进剂加注后的操作，发射台无人值守的功能要求有：

a）防风装置远控解锁。目前中国发射台采用的防风装置有拉杆式与压杆式两种形式，考虑到一旦解锁失败可能导致的火箭发射失败严重后果，两种形式的防风装置均为人工手动操作，有人员的安全风险。防风装置解锁作为火箭测发流程的关键环节，在无人值守系统中既需要通过远控方式实现无人值守，又要保证解锁的可靠性，是无人值守系统的关键环节。国外常采用牵制释放或自动对接机构代替防风装置实现牵制发射技术[4～6]，但是该技术还无法适用于成熟型号火箭的改造，因此防风装置的远控解锁设计仍十分必要。

b）工作台板远控撤收。发射台工作台板撤收后，人员将无法站在发射台表面工作，因此此项工作为人员撤离前的最后一步工作。目前助推工作台板的撤收可以实现远控，台板插销的拔出为手动操作，芯级工作台板则完全是人工拆除。如果火箭测发流程进行优化，在人员撤离前可首先将台板插销拔出，拆除芯级工作台板，则可维持人工操作，不影响工作台板的远控撤收。但是从发射台智能化的发展趋势来说，实现工作台板的远控功能仍需要对台板插销插拔与芯级台板撤收进行远控设计。

c）方位回转远控。目前发射台电控系统可以实现远控方向机驱动回转部转动功能，回转前后所需的止动器操作为人工操作，因此需要在无人值守系统中设计可以远控自动解锁的止动器，组成完整的方位回转远控系统。

d）垂直度自动调平。目前发射台已具备垂直度数据远程监测与电控系统远控支承臂升降功能，但是垂直度监测与垂直度调整系统相互独立，实际上是通过人工判断实现，存在一定的滞后性。一旦因为外力影响导致火箭出现垂直度偏差过大的危险情况，人工操作的应急时间过长的问题就显现出来，无法确保无人值守时的安全。因此，需要为发射台增加自动调平功能，将状态监测与垂直度调整功能通过软件判断后自动执行，提高应急效率。

除以上功能需求外，临射前的机械产品撤收、部分电气产品撤收、发射台热防护均可以通过优化测发流程提前进行，但电控系统设备需要一直保持连接状态，对控制系统的可靠性要求也有所提高。

3 无人值守系统设计要求

推进剂加注后无人值守带来的问题是设备工作时间加长，可靠性要求提高，以及出现故障后的处理要求提高，因此，发射台在开展无人值守改进方案设计时，需要满足以下要求。

a）无人值守阶段。根据火箭测发流程需求，发射台需满足临射前8 h进入低温加注流程后无人值守要求，并尽量兼顾常规加注后无人值守的要求。

b）长时间工作。在启动无人值守后，发射台需要长时间带压或加电工作，确保近远控模型的无缝切换与状态保持。

c）可靠性。设备工作时间加长，意味着任务可靠性要求也相应提高，需重新开展可靠性分析，并进行相关试验，保证设备在无人值守期间的可靠性。

d）冗余设计。原来通过人员手动切换的冗余设计需要改为电动切换，或者采取其他的替代方式，以保证射前的可靠性。

e）故障诊断。无人值守后，设备出现故障时人员无法现场进行处理，只能通过远控操作，因此发射台需具备故障诊断及故障隔离功能，出现故障能够及时检测，并且采取措施隔离故障或者切换到备份系统，以保证火箭发射总流程正常进行。

f）推迟或终止发射的适应性。火箭因其他系统的原因推迟或终止发射时，发射台需启动无人值守，从远端进行发射台状态恢复，避免人员应急抢险。

4 发射台无人值守系统

4.1 防风装置远控解锁

防风装置是用于连接火箭尾部支点与发射台的关键结构，参考自动对接加注连接器的设计[7,8]，目前中国发射台防风装置采用的拉杆式与压杆式两种方案均需人工操作，无法满足无人值守要求，如图1、图2所示。

图1 压杆式防风装置Fig.1 Pressure Rod Windproof Device

图2 拉杆式防风装置Fig.2 Tie Rod Windproof Device

新设计的无人值守防风拉杆在现有基础上进行升级，主要有锁紧机构及锁销两种方案。

4.1.1 锁紧机构式防风装置

锁紧机构式防风装置与压杆式类似，采用一套平面连杆机构代替压杆压紧支点孔内壁，如图3所示。

图3 锁紧机构式防风装置Fig.3 Locking Mechanism Type Windproof Device

锁紧机构的锁紧原理为：曲柄-滑块机构锁紧，即由防风拉杆实现滑块运动，压紧杆作为曲柄运动，连杆用于连接防风拉杆与压紧杆。使用时通过向气缸内充气、放气控制拉杆的升降，拉杆带动连杆及压紧杆绕固定轴转动。需要锁紧时，通过水平的连杆实现曲柄——滑块机构自锁。为了平衡防风拉杆受力，每套防风拉杆配备2套曲柄-滑块机构同时工作。

锁紧机构式防风装置继承了压杆式适应范围大的优点，在火箭出现故障应急抢险时，即使出现箭体轻微移动或转动时仍可锁紧，并且机械结构简单，无需额外的电源或油源即可工作，易于维护。但该方式对弹簧、气缸及连杆的可靠性要求较高，火箭吊装时需要确保拉杆回缩到位，若因弹簧力下降导致连杆动作不到位导致连杆无法水平，则曲柄-滑块机构无法提供压紧杆足够的压紧力，而仅靠弹簧的压力无法满足火箭的防风要求。

锁紧机构式防风装置的使用流程为：火箭吊装并与发射台支承臂接触后，防风装置气缸放气，拉杆被弹簧力下压下并带动连杆、压紧杆绕轴转动至压紧杆伸入火箭支点孔内并压紧。此时连杆水平并顶紧压紧杆，产生对支点的压紧力。临射前，防风装置气缸充气，拉杆升起并压缩弹簧，带动连杆、压紧杆转动，当压紧杆绕转轴转动不小于40°后停止，此时压紧杆展开并让出火箭支点起飞空间，如图4所示。

图4 锁紧机构工作范围Fig.4 Working Range of Locking Mechanism

4.1.2 锁销式防风装置

锁销式防风装置与拉杆式类似，采用一套转销机构代替拉杆螺母锁紧支点。锁销的锁紧原理为：使用时向汽缸内充气使锁销杆伸出，当锁销杆插入支点孔后启动电机使之旋转至锁销杆顶端的凸台外圆弧面与支点内侧B面接触，此时减速电机停止转动并在电机自带制动器作用下制动，从而保持锁销凸台与B面的接触并持续提供压紧力，如图5所示。

图5 锁销式防风装置锁紧原理Fig.5 Locking Principle of Lock Pin Windproof Device

锁销式防风装置的纵向拉紧力大，拉紧状态易于保持，体积小。支承盘上无额外零件，不占用火箭支点空间，火箭吊装时可以避免碰撞。但该方式需增加电机及控制系统，增加的电机降低了系统的可靠度，并且控制软件需要较为复杂的防差错设计，避免因流程错误导致的解锁失效。

锁销式防风装置的靶场使用流程为：火箭吊装并与发射台支承臂接触后，锁销杆凸台与支点长圆孔呈90°并与支点内壁斜面接触自锁，从而压紧火箭支点。防风装置气缸放气后，由弹簧提供锁销杆预压力实现防松。临射前，向防风拉杆气缸充气后，启动电机带动防风拉杆转动。当锁销与支点孔平行后气缸放气，锁销杆在弹簧力下下落至支承盘内，如图6所示。

图6 锁销式防风装置工作流程Fig.6 Workflow of Lock Pin Windproof Device

4.1.3 锁紧机构式与锁销式防风装置对比

锁紧机构式与锁销式防风装置方案对比见表1。

表1 无人值守防风装置方案对比Tab.1 Scheme Comparison of Windproof Device

4.2 工作台板远控撤收方案

为实现发射台的火箭燃气流排导功能，在发射台对应火箭发动机喷管相应位置上设有 4个助推导流孔及 1个芯级导流孔，而助推工作台板和芯级工作台板专门用于填补导流孔区域，提供人员及设备在发射台上的工作平台，如图7所示。

图7 工作台板Fig.7 Workbench

目前，发射台的电控液压油缸驱动台板展收方案可以实现临射前的远控撤收，对于人工拆装的台板插销需要使用电动推杆、电液缸等形式替代，并将动作时序加入发射台软件，确保在台板展收前后插销的自动伸缩，控制软件首先后台对台板插销伸缩控制，再启动台板油缸升降台板。

4.3 方位回转远控方案

发射台的方位回转由方向机驱动，止动器对状态锁定。目前方向机有电控液压驱动和手动两种控制方式，因此可以实现远控回转，但回转后的止动器锁定则采用人工操作方式。为实现止动器的远控解锁，将远控止动器改进设计为两部分：一部分为带弹簧的单作用油缸，需要锁定时弹簧通过摇臂将基座下承环压紧而止动，需要解锁时给液压油缸通入压力油，活塞压紧弹簧实现解锁；另一部分是由手轮、螺杆和螺母组成，当火箭转场期间长时间不需要回转时，可以转动手轮，使螺杆端头顶住活塞杆的端头，使止动器处于刚性止动状态，见图8。此方案的止动器解锁与止动是通过液压系统后台实现，即通油解锁放油锁定，因此无需对发射台控制软件进行修改，可靠性也更高。

图8 远控止动器Fig.8 Remote Control Stopper

4.4 垂直度自动调平方案

发射台的垂直度调整通过支承臂的升降实现，4个支承臂90°分布并与火箭的4个象限对应，如图9所示。目前状态的垂直度调整为人工操作，即需要在调整前读取火箭水平传感器读数，再进行人工判断需要调整的支承臂并高度调整。

图9 火箭支点分布Fig.9 Rocket Fulcrum Distribution Map

支承臂的升降功能可以通过电控液压驱动或手摇方式实现，因此垂直度自动调平将水平传感器读数接入发射台电控系统，由CPU对垂直度数据进行判断。控制系统可实时监测支承臂的高度、液压系统压力等关键参数，并设置了高度超行程急停、高度差超差急停等自动报警功能，确保自动调平过程中的安全。

5 结 论

捆绑型固定式发射台作为火箭发射地面支持系统的关键产品，建立常规加注后前端无人值守系统可以提高测发流程的自动化程度，降低人员安全风险，具有重要意义。机电液一体化的发射台在进行技术设计时，具有技术难度高、专业涉及广的特点。因此，在无人值守系统建立时借鉴了国外已有技术，结合中国火箭测发流程技术特点，充分分析发射流程中的功能需求，提出以防风装置远控解锁、工作台板远控撤收、方位回转远控、垂直度自动调平为核心的技术路线及具体实施方案，在保持现有发射台功能的基础上实现了加注后的无人值守能力，满足了航天发射场智能化，航天快速发射的需求，为其它地面支持系统设备无人值守设计提供借鉴参考。