批产卫星发射场快速测发模式保障能力研究

董苏惠、陈曙辉、康位位、崔长文 /63601 部队

微小卫星以其技术含量高、功能密集、成本低、性能好、研制周期短、质量轻、体积小等优点成为目前最具批量生产潜力的实用型航天器。随着技术的发展和商业模式的创新，新的航天应用业务正在逐渐形成，商业微小卫星星座正在实现从试验型向应用型的过渡，试图在复杂的大型卫星建立的传统天基应用市场上占据一席之地。空客与OneWeb公司计划发射900 颗近地轨道卫星，短时间内快速建成一座大型数字大桥，为世界未来几十亿人群提供经济高效的互联网服务；中国航天科工集团有限公司计划在未来5 年内发射156 颗低轨通信卫星用于建设全球卫星无线通信网络；中欧航天科技集团有限公司公布了近年数量庞大的小卫星发射计划。

卫星大规模星座技术的快速发展对发射场的保障能力提出了新挑战。国内发射场组织保障模式以单星或多星为主，由于小子样的生产方式，为了达到卫星功能、寿命、可靠性等指标要求，导致发射场测试项目多、周期长、系统复杂，卫星大规模进场测试会造成发射场保障压力呈几何级增长。考虑经济及可靠性因素，大规模的卫星星座一般经过一次设计，批量生产，多轮迭代。因此批产卫星状态一致、继承度高、成熟性好，有批量测试、快速部署要求。因此，对现有卫星发射场测试发射流程进行梳理，探索适用于批量化生产模式的小微卫星快速集成测试方案及发射场保障模式十分必要。

本文介绍了卫星在发射场测试发射一般流程，分析批产卫星发射场测试特点，研究适用于微小卫星批量化任务组织模式，在此基础上提出了提升发射场保障能力的技术途径，旨在提升批产卫星发射场任务组织和保障能力，提高批产卫星的发射场测试效率。

一、批产卫星发射场测试特点

单颗卫星在发射场的测试工作按时间顺序分别在技术区和发射区进行，技术区工作主要包括卸车、卫星及设备开箱自检、卫星全系统检漏、卫星精度测量、卫星平台电测试、卫星有效载荷电测试、卫星模飞、活动部件展开试验、光照试验、卫星加注和星箭对接，星箭转运至发射区后进行发射区测试和卫星状态设置，最后完成发射。科研星在发射场测试周期为35 ～60 天，卫星发射场测试流程项目多、耗时长，主要有卫星发射场阶段经常进行全系统检漏；发射场进行多次精测；发射场进行活动部件展开试验，卫星试验状态建立及总装过程耗时较长；卫星电测冗余项多4 个方面原因。

批产卫星具有批量生产、状态固化、技术成熟、成本低的特点，有批量测试、批量发射、快速组网的要求。产品出厂状态、验收质量、过程管理同时覆盖多星，在发射场测试阶段根据技术成熟度及卫星出厂状态对发射流程进行必要性梳理，缩短卫星发射测试时间，提高部署效率。

批产卫星在出厂前开展的系统级力学环境试验中，已经验证了卫星能够承载的发射环境，结合产品多批次的在轨验证，对于检漏、精测、活动部件展开等因考虑运输造成的安装或泄露问题而在发射场复测的项目可以取消。在卫星电测方面，对于批产卫星而言，卫星型号一致，测试设备状态相同，仅需经过单次覆盖测试，比较单批次的一致性和出厂前的一致性即可，优化整星测试，需要简化单机、分系统测试。

1.批产卫星发射场流程设计

根据批产卫星发射场测试特点对批产卫星发射场流程进行设计，批产卫星发射场工作流程包括卫星卸车、测试准备、技术区测试、加注、星箭联合操作，发射区状态检查及实施发射。取消了科研卫星流程中的全系统检漏、卫星精度测量，以技术区单次覆盖性测试优化卫星平台、载荷、模飞等多次冗余测试代替。取消活动部件展开试验，发射区星箭联合检查优化为一次，流程设计如图1 所示。

图1 批产卫星发射场流程

流程设计包含各子流程所需的发射场技术文件及所需保障条件，发射场主要承担卫星在发射场测试发射过程中的吊装、转运、供电、供气、空调、通信、加注等技术勤务保障。其保障能力对批产卫星批量测试、批量部署有重要影响，由于影响保障能力因素多且复杂，很难判定批产卫星保障能力制约条件，所以预先对各项子流程中的保障条件进行梳理，分析保障瓶颈提供先验信息。以推进剂加注为例，加注准备包括管路清洗、注管路连接、转注、预抽真空。在发射场推进剂加注主要包括加贮箱加注、加注后静置及贮箱压力复测，其中，各项工作关键操作动作及保障需求见表1。

表1 加注子流程保障需求

2.批产卫星发射场流程建模

Arena 是一款由美国罗克韦尔公司在 SIMAN/CINEMA 仿真建模系统基础上开发的，用于离散事件系统仿真的仿真工具。Arena 具有通用的可视化仿真环境，兼具了仿真程序语言的柔性和仿真软件的易用性优势，被广泛应用于制造业、服务、医疗、日常生产作业、军事、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价等建模与仿真研究中。使用Arena 仿真软件对批产卫星发射场流程进行仿真可以直观地发现发射场测试中存在的问题。

在批产卫星发射场流程实际参数的基础上，使用Arena仿真软件进行建模，表2 中列出了仿真模型中定义的各实体在具体生产流程中所代表的流程及该流程所需的时间。以某型卫星为例，卫星重量约700kg，本体尺寸约为1.5m(X)×1.5m(Y)×1.3m(Z)，厂房保障条件如下，测试厅可容纳6 颗卫星同时进行测试，测试厅出箱用吊车1 部，最大保障10 颗星的供电功率。转载间可容纳2 颗星的卸车空间，卸车用吊车一部。加注厅可容纳6颗星加注空间，加注设备1 套。扣罩厅可容纳3 颗星的操作空间，扣罩厅吊车1 部。采用某型运载可一箭3 星发射。设置系统参数每天工作时间为8 小时，待发射卫星总数100 颗，每天有两颗卫星进厂，将100 颗卫星全部发射作为流程结束，得到发射场流程逻辑仿真模型。

表2 仿真模型与实际流程对应表

根据上述逻辑模型及输入数据分析利用 Arena 软件进行系统仿真运行，输出报告的基准时间单位为小时，100 颗卫星发射完毕需1756 个小时。等待时间较长的流程分别为发射、发射区星箭联合检查、星箭联合操作、技术区测试。

二、优化与分析

1.并行测试

根据系统仿真运行，技术区等待时间65.48 小时，限制卫星测试效率的资源约束为测试设备、人员、测试厅。若批产卫星测试设备满足自动化、并行测试，即一套地面综合测试设备，将不同卫星连接到测试系统进行并行测试，保证各测试任务的独立性。同时，实现测试流程自动执行、卫星测试信息的智能判读，减少人员参与。取消设备、人员约束条件重新运行该模型，结果如图2 所示，总流程时间为1657 小时。结果显示通过并行测试，卫星发射总流程缩短近100 小时，且技术区测试流程卫星没有等待时间，表明测试厅及自动化并行测试设备满足批产卫星批量测试要求。

2.进厂速度

每次进场2 颗星，考虑厂房吊车、测试厅、加注厅等闲置时间过长，降低了资源的利用率。拟提升进厂速度，使得资源利用率提升，以减少批产卫星整体流程时间。假设每日进厂卫星数量提升一倍，4 颗卫星同时进厂，技术区及发射区采用并行测试技术，仿照该流程，总流程时间1652 小时，各子流程等待时间变化不大，提升效率并不明显，星箭联合操作、发射区星箭联合检查以及发射仍是制约该流程的重要因素，在未提升发射场保障能力的前提下，盲目提升进厂速度，会使发射场资源更加紧张，总流程时间不会缩短。

3.增加扣罩厅设施

星箭联合操作需要近2 天时间，资源约束为扣罩厅吊车、运载舱位、扣罩厅面积。若采用新建星箭对接厅、增加对接厅吊车的方式增加批产卫星效率，模拟该流程，增加星箭对接厅面积及吊车个数，结果如图2 所示，需要增加吊车至2 部，同时厂房面积能够同时容纳6 颗星并行的进行星箭对接操作，才可将总流程缩短至1249 小时，节约总时间为507 小时。

图2 星箭联合操作效率提升

4. 增加发射舱位

根据系统仿真运行，星箭联合检查、发射是重要制约因素，这2 项流程中占用资源主要为运载舱位，采用增加发射工位或采用重型运载器使得运载舱位增加的方案，卫星采用并行测试，每日2 颗卫星进厂，仿真结果如图3 所示，仅通过增加运载舱位可减少至总流程时间为1162 小时，且增加至4星同时发射，流程时间不再缩短。若增加舱位的同时优化扣罩厅设施设备，面积使其容纳6颗星并行操作，操作用吊车2 部，随着运载发射舱位的增加，总流程时间不断减少，同时发射6颗卫星，总流程时间为870 小时，节省约1/2 时间。

图3 提升发射工位

根据批产卫星发射场工作流程利用Arena 进行建模，分析其测试发射现状和发射场保障能力瓶颈。通过模型分析提出了通过同时采用并行测试、增加发射舱位至6 星、提高扣罩厅设施设备的流程优化方案，可提升效率约50%。

本文对科研卫星和批产卫星的特点进行梳理，针对批产卫星批量生产、批量测试、批量发射、状态一致的特点对批产卫星发射场测试流程进行设计。根据批产卫星发射场工作流程利用Arena 进行建模，分析其测试发射现状和发射场保障能力瓶颈。通过模型分析提出了通过并行测试、增加发射工位、提高扣罩厅设施设备的流程优化方案。将工业工程方法应用到批产卫星发射场工作中，为后续推动发射场保障条件完善、提升批产卫星任务实施效率提供基础。