某大型低温运载火箭无人值守加注发射技术研究

钟文安，叶 欣，朱晓乐，晏 政，张俊新

(西昌卫星发射中心，海口 571126)

0 引 言

苏联(1960年R-16导弹)、巴西(2003年VLS火箭)等都曾发生过火箭在塔架爆炸而导致大量人员伤亡的灾难性事故，教训惨痛。1992年3月22日西昌卫星发射中心长二捆火箭点火7秒后紧急关机，由于故障应急处置得当，确保了运载火箭和发射场的安全，事后航天质量与可靠性工作得到重视和大力发展，并在航天系统内确立了3.22航天质量日。2016年9月1日猎鹰9在射前静态点火测试准备中发生爆炸，由于采用自动化测试发射技术，无人员在前端现场，未造成人员伤亡。事故引起了国内航天界的广泛关注，也引发了对航天安全性的新的思考。两个月后，2016年11月3日长征五号运载火箭在文昌发射场成功首飞，实现了液氢加注后无人值守的跨越式发展，但各级在任务总结中认为，加注发射阶段仍有相当数量的人员在前端发射工位，没有实现全面的无人值守加注发射，由此提出了低温运载火箭无人值守加注发射(Cryogenic launch vehicle unmanned fueling and launching, CLVUFL)的理念。

低温运载火箭无人值守加注发射是2016年国内航天界提出一种新型测试发射理念，以往均笼统称为射前无人值守，其基本内涵目前尚未明确统一，国内仅有少量公开研究文献。文献[8]针对长征三号运载火箭加注推进剂后现场工作，设计了固定式发射台无人值守系统。文献[9]分析了国内外火箭发射场无人值守加注发射现状，提出了以火箭状态远程监测、新型连接器和火工品测试为核心的无人值守总体方案。由于运载火箭测试发射工序复杂、耦合性高，气电液等危险因素高度集中，可靠性、安全性要求极高，无人值守工程实践具有较大难度，亟需在顶层设计和总体技术上系统研究推动。当前，低温运载火箭无人值守加注发射已在多个航天部门开展课题研究和工程探索，是目前运载火箭发射技术研究的热点问题。

1 低温运载火箭无人值守加注发射的基本内涵

无人值守是从自动控制与远程监控的范畴引申出来的一个功能化描述，是传感器、物联网、人工智能等信息化技术在传统工业领域的成功应用，利用机器将人力解放出来，极大地提高了生产效率。这些无人值守工程应用具备一些共同特点，主要体现在工作内容简单、故障模式单一,工作时间长、重复性高、地点偏远或环境恶劣，其核心需求在于解放人力提升效率。运载火箭无人值守加注发射的初衷或者首要目的并不是提高人工效率，而是确保人员安全和发射可靠性，这与当前军事装备领域以人工智能为核心的无人作战系统也有所区别。

在目前的技术条件下，实现整个低温运载火箭测试发射流程的无人值守是不必要也不现实的。航天发射是一项高风险系统工程，运载火箭推进剂尤其是低温推进剂加注后，现场安全风险显著提升，发射塔架等前端核心区域人员众多，存在重大人员安全风险。由此提出低温运载火箭无人值守加注发射的基本内涵：从低温推进剂加注直至点火、以前端发射区域无人(Unmanned)为标志的新型测试发射理念，目的是使人员远离前端危险区域，确保人员安全。按人员参与程度可分为远程模式(Remote)、自动模式(Automatic)和智能模式(Intelligent)。远程模式是利用光纤或电缆，将测发控终端移至后方，主要靠人工进行远程控制和测试；自动模式是利用预先设置的计算机程序，实现自动控制和测试，出现故障时仍由人工介入控制；智能模式是基于完善的信息采集和故障诊断，实现计算机自主控制和测试。随着科技进步和对人员安全性的日益重视，无人值守是确保人员安全的必然要求，也必将成为航天发射场未来的发展趋势。

2 国内外运载火箭无人值守加注发射技术概况

美国宇航局(NASA)长期致力于航天系统的故障预测与健康管理技术，2010年制定“改变游戏规则计划(Game changing development)”，提出运载火箭测试发射的“自主化(Autonomous)”而非“自动化(Automatic)”理念，在肯尼迪航天中心构建试验台开展低温推进剂自主加注(Autonomous cryogenic loading operation, ACLO)试验研究，如图1所示，相关技术已成功应用于宇宙神5、德尔它4等各型火箭。尤其是太空探索公司SpaceX的猎鹰系列火箭，大量采用牵制释放、零秒脱落等新技术，使其发射日的加注发射工作具备很高的无人值守技术水平。

图1 肯尼迪航天中心低温推进剂自主加注系统[15]Fig.1 Autonomous cryogenic loading operation system at KSC[15]

苏联的天顶号火箭在世界上第一个采用全自动准备与发射技术，具备突出的自动化测试发射特点，发射场组装运输、火箭翻转起竖、推进剂加注、射前检查和发射均通过计算机系统自动控制完成。其中天顶号(如图2所示)发射准备时间90 min，间隔5 h即可进行下一次发射，2.5 min可自动连接25条燃料管线和3500条电路。这些自动化发射技术在后期的联盟号、安加拉号运载火箭上得到继承和发展，使俄罗斯运载火箭具备较高的无人值守技术水平。

图2 天顶号运载火箭自动化加注发射Fig.2 Automatic fueling and launching of Zenith launch vehicle

长三甲系列运载火箭是中国的金牌主力火箭，2006年开发第一代远程测发控系统，并于2013年开发面向无人介入式的第二代全自动测发控系统，在后期提出的发射场流程优化、射前无人值守等要求时，仅作部分调整便具备了射前-2 h无人值守的能力。某大型低温运载火箭是国内现役技术水平最高的新一代大型运载火箭，采用大型活动发射平台技术、低温大口径连接器零秒脱落技术和远距离测试发控方案，实现了液氢加注无人值守的设计要求，射前无人值守技术水平取得了跨越式发展。

中国长征系列火箭历年来不断进行远控改造和测发流程优化，但加注发射阶段仍有大量人员在前端危险区域，与国外运载火箭无人值守加注发射的技术水平仍有一定差距，主要体现在四个方面：1)箭地接口复杂。国内运载火箭箭地接口复杂，连接器型号多样、功能各异，有射前脱落、零秒脱落，还有手动脱落，造成加注发射程序不连贯，给无人值守带来许多约束条件。2)加注发射时间较长。国内运载火箭加注发射采用串行模式，与国外主流火箭约-4 h甚至-1 h加注发射流程还有较大差距。造成箭地设备长时间处于低温状态，结露结冰严重，使得设备出现故障的概率增加，需要人员现场检查设备状态。3)关键设备可靠性有待提高。加注发射阶段的低温连接器及法兰连接部位容易泄漏，密封可靠性不高。对比俄罗斯安加拉火箭，其球形阀零泄漏、动力管路接头全焊接，无需气检；猎鹰9、天顶号等火箭发射台采用机械备保手段，可靠性非常高。4)智能化、自动化程度不够。加注发射阶段还有大量的射前状态检查和射前功能检查依赖人工，与国外大量采用的人工智能和自动化技术还有差距。

3 某大型低温运载火箭无人值守加注发射现状及其制约因素分析

某大型低温运载火箭加注发射程序根据推进剂种类，按照先常温后低温、先液氧后液氢的加注顺序；推进剂大流量加注后，转入射前补加程序，在尽量靠近点火时补加完毕，以降低推进剂温度；加注完成后部分连接器点火前脱落，开展射前状态检查和射前功能检查；摆杆摆开、点火发射、零秒脱落，如图3 所示。

图3 某大型低温运载火箭典型加注发射程序Fig.3 Typical fueling and launching process of large cryogenic launch vehicle

从液氧加注到射前最后一批人员撤离，对前端人员数量以及主要工作进行全面梳理，前端危险区域人工测试项目共数十项，主要涉及运载火箭、发射塔架和加注系统。液氧加注、液氢加注、射前检查、射前补加各时间段，前端发射区域人数从数百人降至数十人，呈指数下降规律。现有人工测试项目，工作地点主要有运载火箭、发射塔架和加注系统三个区域，集中在箭上电气设备、塔架机电设备、低温阀门连接器等关键设备；设备类型上包括电、液、气三种类型，集中在箭上电气导通绝缘性能，以及低温系统的密封和绝热性能；工作性质可分为状态检查、设备操作、故障处置三种模式，主要包括射前状态检查、发射塔架的相关操作以及加注系统巡视冷紧；用时上，既有管道巡视、状态监视等数小时的持续性监测，也有电气测试、塔架操作等数分钟的短时间操作。

这些人工测试项目并不是松散独立的，而是存在着复杂的交叉制约与耦合关系。例如火箭舱门关闭，就必须在测试工作完成后进行。现有某大型低温运载火箭加注发射流程经过多次发射检验，是航天发射系统工程理论和多年实践经验的总结，也是现有设备可靠性水平和自动化程度下的择优结果，任何一个看似简单甚至多余的流程工序，也许都隐含深刻的可靠性、安全性考量和以往故障经验教训。例如某回路阻值测试，初始流程并无此工序，其后出现漏电故障才将其固化到流程中；也有一些诸如液氧泵启泵检查、供电空调设备监视等工作，只因设计时未考虑无人值守功能。因此，现阶段仍有相当数量的人员在现场工作主要有三点原因，如图4所示。

图4 某大型低温运载火箭无人值守加注发射制约因素分析Fig.4 Analysis on restriction factors of large cryogenic launch vehicle unmanned fueling and launching

1)关键测试项目时机靠后。火箭系统的火工品、控制器等关键设备出现故障或者误操作都有可能造成灾难性的后果，其状态检查或功能检查在流程设计上总是尽可能靠后，压缩潜在、不可预知因素的作用时间，降低状态变化或误操作导致故障的概率水平。从航天发射的历史记录来看，这种流程设计的小心谨慎是有科学依据的。据统计，1990年至2015年国外运载火箭共发生故障127起，其中电气系统故障8起,占比7%，主要表现为电缆短路、受损以及电源断电和开关问题。尤其在海南高温、高湿、高盐雾的气候条件下，传感器、集成电路等电子产品故障率都有明显上升，而火箭在低温加注后更面临冷凝水的潮湿环境，虽有氮气或热空气持续吹除，但仍旧无法消除人们对其电子电气系统的潜在通路(Sneak circuit)及其可靠性、安全性的担心。NASA对故障风险分级对待的理念或是可以借鉴，即对于小概率故障风险不作考虑；对于大概率故障风险，在火箭和发射流程设计时就已规避；对于中等概率故障风险，可以接受，但要做好针对性的预防措施和应急预案。

2)关键设备可靠性有待提高。目前某大型运载火箭低温推进剂加注和供配气系统在硬件上已经具备远控功能，然而低温系统的密封可靠性不高，推进剂液路设备在冷态下的收缩容易导致连接部位泄漏，必须通过人员现场确认连接器状态、巡视低温管道并对泄漏部位进行冷紧。尤其氢渗透扩散能力强、爆炸浓度宽、点火能量小，在液氢生产和加注过程中极易出现事故。供气系统中，某高压气体节流减压后温升可达25 ℃以上，导致高压减压器故障率较高，对其可靠供应带来严重影响，需要人员在前端状态监测和应急处置。总的来说，国内发射场地面设备采用工业标准，可靠性指标及成本投入与火箭卫星的航天标准相比存在较大差距。

3)设备不具备自动或远控功能。围绕加注和发射两类核心工序，还有很多支持保障性工作和简单设备操作，如工作平台控制、工作梯撤收、封仓打保险、配气台操作等，由于流程设计时并未考虑无人值守，设备不具备自动或远控功能，只需进行自动化、远控化功能改造，不存在技术上的限制或难题。如果前两类核心工序无人员在前端，则这些附属工作都可优化或者提前。例如平台若可提前打开，则火箭氧箱便可直接对空排放，氧排连接器设备本身及相关工序都可省略。

4 某大型低温运载火箭无人值守加注发射总体设计与实现

当前，以猎鹰火箭为典型代表的可重复使用火箭，掀起了一股降低发射成本、提高发射效益的技术潮流，但我们必须认识到，在国内现有设备可靠性水平和自动化、智能化条件下，要实现运载火箭无人值守加注发射，仍须从航天测试发射最根本的可靠性、安全性需求出发，开展无人值守加注发射顶层设计规划，进而指导技术改造和工程实践。

运载火箭无人值守加注发射技术改造涉及多种因素。1)当前技术水平。配气台、回转平台等简单设备操作，只需利用现有成熟技术进行远控/自动改造即可；而火箭电气设备可靠性、低温连接密封可靠性等受现有技术水平限制，难以在短期内从根本上改善。2)系统可靠性和成本。对现有设备设施进行无人值守技术改造有可能增加新的设备，增加系统复杂性和成本，甚至带来新的故障节点和隐患。NASA研究表明，仅增加传感器，而不能从已有信息中提取有效信息，对故障检测隔离(FDIR)没有帮助且增加系统复杂性和成本。3)综合效益。无人值守加注发射涉及火箭、航天器、发射场多个系统，同一人工测试项目可以有多种解决方式，例如推进剂加注后箭体形变，目前通过人工检查连接器并进行位置调整，也可通过低温软管柔性提升、连接器密封可靠性增长、连接器位置自动调整等多种方法实现，哪种方式最简单、最可靠、成本最低、综合效益最大，必须从航天测试发射的总体层面来权衡。因此，针对某大型低温运载火箭加注发射程序，提出综合态势感知、远程/自动控制、可靠性增长、低温加注新技术应用四种方法构成的综合解决方案，先易后难、稳步推进，不断突破无人值守制约条件，最终实现CLVUFL，如图5所示。

图5 某大型低温运载火箭无人值守加注发射总体技术路线Fig.5 The overall technology route of large cryogenic launch vehicle unmanned fueling and launching

4.1 综合态势感知

目前，某大型低温运载火箭加注发射数十项人工测试项目中，有十余项状态检查工作，主要分为三类，包括低温加注过程中的气密性检查、箭体垂直度调整、回转平台运动状态检查，以及紧急关机后现场的安全状态监测。综合态势感知是在现有测量基础上，在前端进一步拓宽信息采集渠道，获取温度场、空间位置等更多目标信息，在后端加强对信息的识别提取、精确测量和融合判断，从而代替人工对现场状态进行检查感知。

1)低温密封和绝热状态感知。由于泄漏的低温介质在沿海多风条件下的扩散方向和范围难以预测，现有气体浓度报警系统存在漏报误报问题；而且低温加注过程参数波动大，泄漏的声学和负压特征由于信噪比低也难有理想效果。因此，虽然低温加注采用远控模式，但仍然依赖人工对系统密封状态和绝热效果进行感知。美国航天飞机的危险气体检测系统(HGDS)、国内长三甲火箭的远程传输型共底安全监测系统可以监测火箭重点部位，大范围的直接监测手段仍然缺乏。利用红外热成像可直接识别低温泄漏、绝热失效的低温特征，且满足现场安全防爆要求和大范围测量需求，现已开展原理样机研制，如图6所示。该样机采用非制冷长波红外探测器(热灵敏度≤65 mK@30 ℃)，识别低温泄漏及绝热失效在红外热成像原始数据上的差异，并增加可见光图像识别泄漏的气雾特征，降低低温泄漏监测的误警率和漏警率。

图6 低温泄漏监测样机试验测试Fig.6 Tests of cryogenic leak detect prototype

2)箭体及发射塔架空间感知。发射塔架现场有大量的视频监控设备，由于难以获取准确的设备空间信息，导致火箭加注推进剂后的形变及垂直度调整、发射塔架机械操控仍需人员进行现场监测判断。数字图像相关法基于双目立体视觉原理，可对变化前后的物体三维表面进行精确测量，现已广泛应用于航空航天等多个学科领域。借鉴文献[42]移动式双目立体视觉技术自动检测列车障碍物的思路，对火箭箭体及机械结构进行双目立体测量，实时检测运动干涉并进行碰撞预警，实现发射塔架无人值守，现已开展原理样机研制，如图7所示。该样机采用2 m×2 m十字架对两个可见光传感器进行大视场精确标定(景深10～20 m，水平/垂直视角54.8°/44.5°)，通过标记点实现同名点匹配和空间信息提取，并利用多点空间位置信息实现运动轨迹重建和碰撞干涉预警。

图7 双目相机大视场标定试验测试Fig.7 Tests of binocular camera calibration in large field of view

利用红外成像和双目立体成像获取区域内的三维空间信息和温度场信息，与现有火箭及发射场地面系统大量传感器数据相结合，实现运载火箭加注发射的综合态势感知，通过指挥控制网络构建远程协同信息平台，为无人值守创造条件，并为紧急关机条件下箭体的高温烧蚀、低温保冷以及与活动发射台位移形变等安全状态评估提供决策基础。

4.2 远控/自控技术改造

某大型低温运载火箭加注发射流程现有数十项人工测试项目，涉及多个系统的工序流程操作。火箭系统主要集中在接口部位，包括氧排连接器脱落、电缆阻值测试、电气插头插拔、射前防水防热操作等；发射支持系统主要包括垂直度调整，以及撤收工作梯、避雷针护套、防风压板等；还有地面勤务保障的供气、供电、空调等设备操作。绝大部分人工测试项目并不是无人值守的关键制约因素，仅仅是因为流程设计时未考虑无人值守，设备不具备自动或远控功能，只需进行自动化、远控化功能改造，不存在技术难题。

在火箭电气系统上推广基于总线的机内测试技术(Built in test, BIT)和自动测试设备(Automatic test equipment, ATE)，可实现电缆阻值测试、设备加电状态检查等射前功能检查项目的无人值守。文献[47]提出了自动火工品短路保护与解保设计，结合箭上检控器可实现回路阻值的自动测试；采用可重复使用电池用于地面测试和发射，仅保留“真转电”一种测试状态，取消模拟电缆，省略拆装电池的人工操作。文献[8]提出发射台可进行远控化设计，实现防风装置远控解锁、工作台板远控撤收、方位回转远控、垂直度自动调整功能。箭体垂直度调整除了可通过发射台自控/远控实现外，也可通过文献[48]提出的火箭起飞后姿控系统实施偏航或俯仰调姿操作来实现。

4.3 关键设备可靠性增长

可靠性在航天发射系统工程中占绝对主导地位，所有测试发射工作均围绕其开展，若能从根本上提高设备的可靠性水平，可以极大地简化测试发射流程，为无人值守提供根本保障。

1)箭上电气系统可靠性提升。难以完全掌握和准确评估电子电气系统所有潜在的、不可预知的故障模式，是实现无人值守的关键制约因素之一。中国新建的文昌航天发射场位于沿海地区，面临严峻的三高环境问题。必须提高箭体的防水防热性能，完善火箭电气系统的密闭封装程度，通过鉴定定型固化其设备状态，提高设备的标准化、模块化和通用化水平。通过充分的可靠性和环境适应性试验，在火工品、起爆器等关键电路设计上识别和消除潜在通路，准确量化其故障概率以及平均无故障时间MTBF，将中频电缆阻值测试等项目在低温加注前完成。

2)低温密封可靠性提升。低温系统尤其是大口径加泄连接器、法兰等连接部位的密封可靠性不高，加注发射阶段仍有数十人进行管路巡视和连接器状态检查等工作。低温连接部位由于金属结构周期性收缩形变、密封圈材料蠕变、人工紧固螺栓的个体差异，其密封可靠性一直难以保证。由于低温系统可靠性设计和试验少，不同厂家不同批次的产品也往往存在差异，其泄漏风险和可靠性水平难以量化和准确评估。这种大口径低温管道连接部位的可靠密封一直是国内工程技术上的难题，亟需在零/负膨胀材料、大口径低压静密封结构上深入研究，从根本上提高低温密封的可靠性水平。

对于高压减压器压力漂移问题，现阶段可采取缓冲气瓶+压力远控调节方法，实现大流量稳定供应，避免人员在前端进行应急处置，现已纳入发射场改造规划。

4.4 低温加注应用创新

某大型低温运载火箭芯二级氢箱加泄连接器提前脱落，采用零秒脱落可实现无人值守液氢泄回；其火工品、电气系统导通绝缘检查等集中在液氧加注阶段，具有严格的时效性，且有效期较短，应用新型低温加注技术可缩短加注时间，优化射前流程，将大量人工测试项目提前至液氧加注前完成，实现从低温推进剂加注直至点火前端无人值守。

1)低温大口径侧向零秒脱落技术。国外火箭加泄连接器基本采用零秒脱落或二次对接方式，点火前可随时中止发射，安全风险小，易下中止决策，有利于提高发射程序的抗风险能力和可靠性水平。某大型低温运载火箭目前采用尾部零秒脱落，芯二级氢箱加泄连接器提前脱落，是无人值守液氢泄回的主要制约环节。与底部零秒脱落连接器不同，大口径侧向低温连接器需要在密封结构和脱落结构上进行全新设计，现已开展关键技术攻关和原理样机研制，如图8所示。该样机口径为DN100，设计有防护罩和正压吹除装置，防止在高湿度环境下严重结冰影响脱落可靠性，采用气缸和钢索模拟火箭起飞的拉力，利用液氮模拟低温推进剂，对其密封性能、防冰性能和脱落性能进行试验检验。

图8 大口径侧向零秒脱落连接器样机设计Fig.8 Prototype design of large caliber lateral zero-second separating connector

2)推进剂并行加注技术。并行加注可大大缩短加注时间，同时也对系统泄漏的安全性提出更高要求。需针对低温加注过程中泄漏发生的部位、时段，以及泄漏扩散等规律，对易出现低温泄漏的预冷和大流量加注初始阶段，采用总体并行、局部串行的加注模式，在提高加注效率的同时，错开泄漏易发的初始阶段，最大限度地降低并行加注的安全风险。现正开展液氧煤油并行加注的研究探索，对液氧煤油二度泄漏故障下的爆炸浓度范围进行试验研究。

3)快速预冷与大流量加注技术。土星五号、阿里安火箭氢箱预冷约15 min，德尔它4、天顶号等主流火箭约-4 h开始低温加注。为确保安全可靠，低温加注采取较为保守的工艺参数，某大型低温运载火箭-10 h才进入低温加注程序，系统性能还有很大的提升潜力。现正利用低温模拟贮箱开展快速预冷试验研究，通过预埋于贮箱内的温度和应力传感器，摸索安全可靠的快速预冷和大流量加注工艺。

5 结论与展望

通过分析运载火箭无人值守加注发射的技术发展和某大型低温运载火箭加注发射流程现状，得到以下三点结论：1)提出了低温运载火箭无人值守加注发射(CLVUFL)的理念和基本内涵；2)揭示了某大型低温运载火箭无人值守加注发射的主要制约因素，明确了射前无人值守技术改造的最终目标和方向；3)某大型低温运载火箭无人值守加注发射的技术升级改造是一项系统工程，本文创新地提出一种综合解决方案，并对部分关键技术进行了充分论证和检验。

运载火箭测试发射与发射场的可靠性、安全性水平以及自动化、信息化、智能化程度作为一个有机整体，是不断滚动迭代向前发展的。无人值守只是一个新的衡量尺度，其初衷是为了确保人的安全，根本上还有赖于相关装备研制和关键技术攻关。与应急机动发射、零窗口发射以及智能测试发射等一道，无人值守加注发射作为一种新型测发理念，将是中国航天发射技术的关键增长点和重要研究课题，亟待我们不断研究探索与工程实践。