低成本小型商用火箭应用前景及短周期测发流程探讨

杨潞锋 轩志勇 杨晓静 徐元元 刘岩云

摘  要：该文通过分析运载火箭推进剂燃料的发展方向和趋势，认为常规推进剂在退出历史舞台之前的相当长时间里，用于小型商业火箭的发射是一种很好的方式。小型商业火箭具有可以简化测发流程，缩短任务周期的优势。小型商业火箭通过创新功能设计、箭地一体化设计，可缩小设备规模，简化发射操作程序，提高火箭发射操作的安全性。

关键词：小型商用火箭  应用前景  测发流程

中图分类号：V475.1    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（a）-0022-02

随着我国商业小型卫星得到越来越广泛的应用，与之配套的小型商业运载火箭势必也将会得到长足的发展。目前我国现有的四大发射场，即酒泉、太原、西昌、文昌发射场，现有的发射工位主要是满足中大型火箭的发射需求，仅酒泉具备小型固体火箭的发射功能。小型商业卫星发射主要靠搭载中型运载火箭，即一箭多星方式进行发射，这种搭载方式往往会受到发射计划、时间、地点等因素的制约，而且一箭多星的测发流程也会相对繁琐，甚至影响单个卫星安全可靠性。

1  低成本小型运载火箭前景

随着航天技术的进步和成熟，对于中大型火箭来说，推进剂燃料低温化、火箭回收后重复利用是发展趋势。但常规推进剂火箭由于其技术成熟、可靠、便于控制，短时间内仍将是发射主力。后续随着中大型火箭燃料低温化，逐渐退出的常规推进剂燃料用于小型商业火箭的发射仍是一种很好的方式。因此，为满足日益发展的小型商业卫星的发射，提出了“低成本小型火箭”。

低成本小型火箭主要可用于300kg及以下重量微小卫星的商用航天发射活动，火箭由一级、二级、整流罩及卫星安装平台等组成，可完成200～900km太阳同步轨道的发射任务。低成本小型火箭具有发射准备周期短，单位有效载荷发射成本低、发射场地调配灵活性好等优点。

2  低成本小型火箭测试发射流程

低成本小型火箭的测发流程可在目前中大型火箭的测发流程基础上，通过创新功能设计、箭地一体化设计，实现设备模块集成化、方舱化，从而达到简化测发流程，缩短发射任务周期。

低成本小型火箭测发控系统主要负责箭上电气系统、动力系统等功能、性能检查，地面测控信息传输及指挥控制，加注过程中气液供给及控制、地面增压控制，测试发射流程控制，数据存储、判读及管理等。火箭通过铁路运至发射场后，在技术区完成火箭总装、测试、星箭对接、贮箱氮气置换、全箭吊装至起竖发射车等工作，然后通过公路转运至发射区，在发射区完成火箭起竖、电气功能检查、全系统气密性检查、火箭加注、发射等工作。

2.1 技术区测发流程

低成本小型火箭运至发射场后，在技术区主要完成火箭卸车转载、设备安装、电气系统测试、贮箱气密性检查、贮箱氮气置换、起竖发射车技术准备、火箭转载至起竖发射车、管路及电缆连接等工作。时间一般可控制在5～7d之内。产品主要技术状态如下。

（1）整箭水平状态铁路运输进入发射场，其中，组合导航控制器、电池单独包装运输，箭上火工品用短路插头保护，火工品单独运输。

（2）地面设备、产品备附件、吊具架车单独包装随铁路运输。

（3）有效载荷单独运输进入发射场。

2.2 发射区测发流程

低成本小型火箭完成技术测试工作后，通过起竖发射车转场至发射区。火箭在发射区通过起竖发射车与发射台对接，完成全箭起竖、粗瞄、管路连接、电气系统功能检查、全系统气密性检查、推进剂加注、精瞄、起竖发射车撤收、发射等工作。时间一般可控制在2～3d之内。

3  低成本小型火箭测试发射控制系统

测发控系统主要由控制分系统、遥测分系统、外安分系统、总体网等组成。

3.1 控制分系统

控制分系统地面测发设备的任务是对飞行控制系统进行参数测试、功能检查和实施火箭的发射控制。其主要功能有以下几个方面。

（1）完成箭上系统的配电、测试状态控制。

（2）完成火箭方位瞄准，遥控完成电源启动和断开。

（3）完成测试发射过程中的电压、频率、时串等信号的测量和接收，发出系统所要求的各种激励信号。

（4）后端发控台、主控微机通过光纤与前端设备相连，实施对前端设备进行控制，完成火箭控制系统的远距离测试与发射。

（5）向外系统提供有关指令和状态信息。

（6）向总体网提供相关的发控状态和测试信息。

控制系统地面设备按功能可分为发射控制、测试控制两部分。

发射控制系统主要包括发控台、前端配电机柜、地面电源等，完成测试时的状态控制、状态监视以及实施火箭的点火、紧关机处理等。

测试控制设备由后端主控微机、数据流程显示微机、数据库服务器、上网数传微机、前后端数传机柜、前置VXI计算机、一个VXI机柜、两个VXI机箱、电源控制机柜、电源滤波组合以及监视设备等组成。

3.2 遥测分系统

遥测分系统其主要功能有以下几点。

（1）负责完成遥测系统远距离供电控制、测量等。

（2）完成遥测数据的接收与解调，实时数据记录、监视及上网，數据处理和分析等。

（3）通过网络传输控制协议/IP协议进行通信，实现远距离数据交换。

3.3 外安分系统

外安分系统地面测发设备的主要功能是在系统测试和发射时，完成系统的供配电和测发控制，并对系统参数进行监测。外安分系统地面测发设备包括无线测试设备和系统测发设备，系统测发设备由前端设备和后端设备组成。前端设备包括工控机、电源机柜和前端控制柜，后端设备包括控制计算机、上网计算机、后端控制台等。无线测试设备包括干涉应答机综合测试仪、干涉仪应答机综合测试仪发射天线、干涉仪应答机综合测试仪接收天线、脉冲相参应答机综合测试仪、脉冲应答机综合测试仪天线、安全指令接受机测试发射机、安全指令接收机测试发射天线等。

3.4 总体网

总体网分硬件和软件两部分。硬件部分为星型局域网结构，由网络交换机、接口微机、网络服务器、浏览终端等组成。软件部分由系统软件和应用软件组成。总体网软件分别运行于接口微机、网络服务器和浏览终端上，具备以下功能。

（1）实时收集、监视各分系统状态信息和关键参数，进行处理、存储、打印。

（2）总检查Ⅰ、总检查Ⅱ和发射等各阶段测试信息。

（3）根据需要进行部分遥测参数、有线测试参数的实时显示和自动判读。

（4）通过遥测无线实时接收、显示箭上各单机参数，结合控制系统的有线接收数据，在总检查时对模飞时串进行判读、比对，给出判读结果。

4  低成本小型火箭发射测控

火箭发射时，通过综合利用战略支援部队现有测控网完成火箭发射飞行阶段的测控。运载火箭测控任务包括：完成火箭点火、起飞和一级飞行段的实况记录;完成火箭主动段跟踪测量，接收、记录和处理遥外测数据;实时监视和判定火箭一、二级飞行情况，火箭发生故障危机需要炸毁时实施安全控制;为飞行试验指挥机构提供遥外测监视、显示信息和安控判断信息;测定卫星入轨初始轨道;向有关单位提供其必需的试验数据和有关资料。

5  结语

该文通过分析运载火箭推进剂燃料的发展方向和趋势，认为常规挤进剂在退出历史舞台之前的相当长时间里，用于小型商业火箭的发射是一种很好的方式。小型商业火箭具有可以简化测发流程，缩短任务周期的优势。

参考文献

[1] 万全，刘占卿，王东风，等.航天发射场总体设计[M].北京：理工大学出版社，2015.

[2] 高敏忠.载人航天发射场系统（加注供气系统）[M].北京：国防工业出版社，2014：386.

[3] GJB 3138-1997，导弹与卫星试验发射场常规推进剂设计规范[S].