海上卫星发射船的概念设计∗

2020-07-09田大肥宫经海佟姝茜

舰船电子工程 2020年5期

关键词：稳性船体火箭

郭亮田大肥宫经海佟姝茜

（1.太重（天津）滨海重型机械有限公司技术中心天津 300457）

（2.宁夏天地奔牛实业集团有限公司北京研发中心北京 100086）（3.海洋石油工程股份有限公司天津 300461）

1 引言

近年来，许多地处赤道地区的国家对发射近赤道、低倾角卫星的需求越来越旺盛。发射这类卫星，离赤道越近，运载能力损失越小，发射成本越低。因此在靠近赤道的海上进行火箭发射，成为许多航天强国争相开发的一种发射模式［1］。

但是，世界主要航天强国在赤道地区缺少合适的火箭发射场，营建新的发射场投入大，建造周期长，而且存在地缘风险。

为了应对此种情况，建造一种以船舶为平台，搭载相应的仪器设备，将其作为海上卫星发射船，用于执行海上卫星发射任务就成为顺理成章的选项。

2 技术方案应遵循的原则

在海上进行卫星发射并不是一个全新的概念，Sea launch公司已经做出了尝试，并执行了多次成功的发射任务。在海上进行卫星发射有诸多优势：1）选择在赤道附近发射运载火箭，可以增加运载火箭的有效载荷，降低发射成本；2）在空旷的海上机动选择发射地点，对周边环境影响小，尤其是能够避免火箭箭体坠落对沿线居民生命、财产安全的威胁；3）在赤道附近发射运载火箭，能够以更低的成本发射低倾角卫星，更好地满足赤道地区国家的需求。但是由于商业上的原因，此种发射模式并没有推广开来。所以应当清醒地认识到，在海上进行卫星发射虽然有多种优势，但也不可避免地存在着一些风险。主要包括：

1）须建造专用的海上发射平台，建造成本高，初期投入大。

2）在海上发射面临的环境远比陆上恶劣，技术难度高，风险大。

3）由于缺乏借鉴，同时自身风险大，推高了融资与保险成本，恶化了经济性。

针对当前阶段存在的问题，应当分两步走，逐步解决海上发射模式商业性差，风险高、收益低的缺陷：第一步，采用成熟技术，建造低成本、低风险的发射平台，从发射小型固体火箭入手，逐步摸索出一套成熟可靠的技术线路［2］；第二步，在此基础上逐步采用大型发射平台，发射大型固体火箭，甚至是液体火箭。

其中发射小型固体火箭是必须要走的重要一步，在此阶段应当探寻与海上发射相适应的商业运作模式和盈利模式。同时也是从无到有，从易到难，逐步积累技术和经验的过程。

当前要做的是走好第一步，为了保证工程项目的顺利推进，在此过程中应当遵循以下几点：

1）采用小型发射平台，发射小型固体火箭；发射平台采用成熟技术，降低建造、运行、维护成本。

2）采用技术成熟，性能可靠的火箭执行发射任务，确保成功率，提升公众和商业机构对此种发射模式的信心。

3）确保发射过程的安全、环保，打消公众在安全、环保方面的疑虑，为工程的推进开展减少阻力。

3 提出总体设计方案

根据上文提出的观点，在技术发展的初期阶段，出于节约成本与控制风险的考虑，可以将发射平台造得适当的小，与之对应的应当选择较小的运载火箭。以快舟一号甲运载火箭为例，该火箭是由中国航天科工运载技术研究院研制的三级固体运载火箭，可采用车载机动发射方式，具备一箭多星发射能力［3］。该火箭全长约20m，起飞质量约30t，最大推力约36t，最大直径1.4m，近地轨道运载能力为300kg。

围绕该型火箭，设计一种以船舶为基础的用于执行卫星发射任务的多功能海上机动发射平台，如图1所示。该发射平台水线长104.1m，型宽16.8m，型深10.0m，吃水6.0m，排水量8100t。搭载用于执行火箭发射任务的全套仪器设备，设置专用舱室，能够在航行过程中完成火箭与卫星的安装调试工作，集运输、组装、调试、起竖、发射功能于一身。

图1 海上卫星发射船总体设计方案

采用的技术方案是：在主甲板（16）中部设置主甲板舱口（15），用于火箭箭体与卫星的吊装与转运，将火箭箭体与卫星分别安置在火箭组装调试舱（6）与卫星组装调试舱（7）。组装完成，搭载卫星的火箭将被转运至火箭发射台（11），火箭发射台下设置水池（12），用以在火箭发射过程中保护主船体。水池下方是火箭燃料储存舱（3），用于储存火箭与卫星使用的液体燃料。出于安全考虑，在火箭燃料储存舱与船体其他舱室之间设置前、后隔离空舱（1）、（4）。火箭发射对于精度有较高的要求，所以在船体中部的火箭组装调试舱以下的舱室设置为压载舱（5），可以增加船舶吃水，提高船舶稳性。另外，将火箭燃料储存舱和卫星组装调试舱以下的舱室设置为前、后减摇水舱（2）、（8），进一步提高船舶稳性。将主船体尾部舱室设置为主机舱（9），用以布置主机和其他相关机械设备。在主船体后部，主机舱以上设置上层建筑（17），用于工作人员的居住和生活，并将其中一层设置为火箭发射指挥控制室（13），用以指挥控制完成火箭发射任务。将主甲板的尾部设置为直升机甲板（19），用于直升机的起降。在艏楼甲板和尾部直升机甲板周边的系泊设备平台（20）位置布置船舶常用的锚泊设备和系泊设备。

具体工作原理和过程为：海上卫星发射船在港口内接收将要发射的火箭和卫星，通过主甲板舱口（15）吊装进主船体（10）内，并分别放置在火箭组装调试舱（6）和卫星组装调试舱（7）。然后离开港口，前往预定的发射地点，并在航行过程中完成火箭与卫星的组装调试与星箭结合，为之后的发射任务做好准备。在到达预定的发射位置后，调整船体姿态，向压载舱（5）注水，增加船体吃水，保持船体稳定并向火箭发射台（11）下的水池（12）内注水。检测火箭与卫星的状态，等待合适的发射窗口。在发射窗口到来的时机，启动前、后减摇水舱（2）、（8），进一步提高船体稳性。打开主甲板舱口（15），将完成组装的火箭提升至主甲板（16）以上，然后将其转运至火箭发射台（11）。用于提升火箭的机械设备在完成任务后退回到主船体（10）内，同时关闭主甲板舱口（15），甲板上的所有人员撤离。由技术人员在火箭发射指挥控制室（13）内操作完成火箭的发射任务，并操纵雷达完成对火箭的跟踪测控任务。完成发射任务后，关闭减摇水舱，排出多余压载水，释放火箭发射台下水池内的水，驾驶船舶返回港口，等待下一次发射任务。

4 改善平台稳性

在执行海上火箭发射任务时，对船舶静止状态下的稳性有较高的要求，所以船上须设置减摇水舱。依据控制方式减摇水舱可分为被动式减摇水舱、可控被动式减摇水船和主动式减摇水舱。被动式减摇水舱由于结构形式固定，减摇频带较窄，减摇能力相对较差；主动式减摇水舱由于消耗能量较多，目前应用很少；可控被动式减摇水舱通过一定的控制，拓宽了可减摇的频带，同时耗能极小，因此被广泛应用［4］。

目前国际上可控被动式减摇水舱主要有两种形式，第一种是采用气阀开关控制空气连通道，调节水舱固有周期的气阀式可控被动式水舱。对复杂海况有较强的适应性，但同时也存在控制难度大、可靠性差，使用维护成本高，管道设备多，占用空间多等缺点。第二种是通过变化挡板开启角度改变水连通道的连通面积，拓展减摇周期的范围的可变周期减摇水舱。可以通过控制不同位置和数量的挡板开关来调节减摇水舱的工作状态，使其适应不同的航行环境，达到最佳的减摇效果［5］。具有结构设计简单、成本低、自摇周期适应性范围广的优点，但同时也存在着对复杂海况应对能力差的缺点。结合实际情况，在执行火箭发射任务的过程中，必然要选择合适的气象条件，海况不会特别恶劣。所以对减摇水舱的性能不敏感，而对建造成本和技术难度更为敏感，故决定采用第二种减摇水舱设计方案。

在设计减摇水舱时，为保证减摇水舱的减摇效果，一般要求减摇水舱满足以下几点要求［6］：

1）要求可控被动式减摇水舱固有周期、船的横摇周期以及船舶所在服务海域摇摆的最小周期尽量接近；

2）舱内水的重量在排水量的5%以内；

3）水舱内自由液面带来的稳性损失一般限制在使初稳性高减小25%的范围内［7］；

4）为使水舱内的水不冲击舱顶及不产生严重的噪声，水的移动在高度方向应不受限制，为此，水舱的高度不小于舱内水深的1.7倍［8］；

5）减摇水舱尽可能宽，而且尽量高。为避免在随浪中出现过大的艏摇运动，减摇水舱在船上的纵向位置不应过于远离船舶重心。

结合本船的实际情况，充分利用双层壳体之间的空间，分别设置前、后减摇水舱，可充分满足上述要求。可变周期减摇水舱基本结构如图2所示。水舱边舱用挡板隔开，分成Tank A和Tank B两个部分，对应设置两个空气连通道，用两个阀F1和F2控制其开关。在底部连通道设置3个旋转挡板D1，D2和D3。

图2 可变周期减摇水舱实物简图

可以通过控制F1和F2两个气阀和水舱挡板D1，D2和D3的转动，改变水舱的固有周期。根据船舶的横摇角、横摇角速度等信息以及水舱内液体的流动状态，利用叶片的角度调整水舱内液体振荡参数，使液体的流动适应船舶横摇周期的变化，达到有效减摇的目的［9］。

可变周期减摇水舱可以工作在表1所示的不同状态下。

表1 可变周期减摇水舱的4种工作状态

可变周期减摇水舱周期计算公式为［10］

式中，g为重力加速度，g=9.81m s2。

式中，A0为边舱截面积，；Bc为水舱边舱内壁间距；Dc为连通道高度；Lc为连通道宽度；Lt为两边舱长度；Bt为水舱总宽度；h为静水面深度；θ为边舱倾斜角度。具体如图3所示。

图3 可变周期减摇水舱结构简图

根据以上公式计算得出的水舱周期如表2所示。

表2 估算公式计算所得水舱周期

参考已有的实验与仿真数据，可变周期减摇水舱可以在5.5s～18s的周期范围内有效减摇，大大超出了被动式减摇水舱的工作频带，而且不产生增摇效果。谐摇处的减摇效果50%左右，平均减摇效果不小于30%［11］。这样的效果完全能够满足火箭发射过程中对船舶稳性的要求。

5 校核结构强度

火箭发射过程中会对船体产生较大冲击力，必须校核船体的结构强度能否满足要求［12］。根据《钢制海船入级规范》，设计船体在火箭发射台位置的典型强肋骨剖面，材质选为AH36。根据马艳丽等人的研究成果，当发射平台距离发动机喷口1.7m时，发射平台壁面中心点的压力为2.7atm。此种工况与本文设计方案的数据非常接近，故以此为参考。出于保守考虑，在计算时将发射平台中心壁面中心点的压力取为3atm。同时按照规范要求，在船体内底板施加13000N/m2的甲板载荷，以此为输入条件，建模计算船体结构应力。