重型火箭“三平”模式水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載技術(shù)探討

白文龍，賈學(xué)軍，吳新躍，王 南

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

運(yùn)載火箭的測發(fā)模式?jīng)Q定了完成發(fā)射任務(wù)采用的技術(shù)和設(shè)備，以及何種的工藝流程實(shí)施火箭的測試和發(fā)射操作。目前，水平組裝、水平測試、水平運(yùn)輸?shù)摹叭健蹦Ｊ郊按怪苯M裝、垂直測試、垂直運(yùn)輸?shù)摹叭鼓Ｊ健睘閲鴥?nèi)外應(yīng)用最廣泛的兩種測發(fā)模式。

中國運(yùn)載火箭中，“三垂”模式應(yīng)用較為成熟，如CZ-2F、CZ-5、CZ-7等。CZ-6火箭雖然采用“三平”模式，但其直徑、重量規(guī)模均較小，且未捆綁助推級，對于帶助推器的運(yùn)載火箭水平組裝技術(shù)，中國尚未開展研究應(yīng)用。適值中國重型運(yùn)載火箭研制初期，對于捆綁多個(gè)助推器的重型運(yùn)載火箭，其外廓直徑可達(dá)20 m，總長可達(dá)100 m，加注前總重約460 t，起飛質(zhì)量高達(dá)4000 t，無論采用哪種測發(fā)模式，其工程研制都將具有很高的技術(shù)難度，因此應(yīng)進(jìn)行慎重的研究論證。

本文從發(fā)射支持系統(tǒng)出發(fā)，針對帶助推器的重型火箭水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載技術(shù)進(jìn)行分析、探討，為擬采用“三平”模式的火箭研制提供參考。

1 國外火箭水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載方式介紹

上述各型號火箭水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載方案為：首先通過廠房地面設(shè)備完成全箭（含有效載荷）水平對接、組裝，然后整體吊裝轉(zhuǎn)載至轉(zhuǎn)運(yùn)起豎車（后文簡稱“轉(zhuǎn)運(yùn)車”）；有的型號（如聯(lián)盟號）將星罩組合體對接與全箭對接分步進(jìn)行，首先將全箭對接、組裝完畢吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車，然后將星罩組合體吊裝轉(zhuǎn)載至起豎車與全箭對接[2]。

圖1 能源號火箭整體吊裝轉(zhuǎn)載Fig.1 Swing and Transfer the “Energy” Rocket

2 水平對接、組裝、轉(zhuǎn)載技術(shù)分析

水平對接、組裝、轉(zhuǎn)載主要指將各級箭體及助推器模塊在水平狀態(tài)下完成對接、組裝并轉(zhuǎn)載到起豎車上的過程。該過程涉及各級箭體模塊吊裝、支撐、姿態(tài)調(diào)整、組裝連接等大量操作，選擇的方案不同，對箭體結(jié)構(gòu)要求、地面設(shè)備配套相應(yīng)會產(chǎn)生較大的影響，而隨著箭體規(guī)模增大，對方案的選擇就增加了很多限制條件。重型運(yùn)載火箭為三級火箭，最大構(gòu)型捆綁4個(gè)助推器，總長約100 m，芯級直徑10 m，助推直徑5 m，其尺寸規(guī)模已遠(yuǎn)超中國現(xiàn)有火箭規(guī)模，甚至超過了俄羅斯的能源號及美國的土星5。因此，針對重型運(yùn)載火箭外形及重量特點(diǎn)，有必要開展多種技術(shù)方案的論證，以獲取最優(yōu)方案。

以下主要列出了3種可選的水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載技術(shù)方案，分別是“分級對接、分級轉(zhuǎn)載”、“分級對接、整體轉(zhuǎn)載”及“平臺對接”。

2.1 方案1—分級對接、分級轉(zhuǎn)載

所謂分級對接、分級轉(zhuǎn)載，是指各級箭體模塊依次完成對接、依次吊裝轉(zhuǎn)載至轉(zhuǎn)運(yùn)車上，與前一級進(jìn)行對接組裝，其流程如圖2～8所示。首先將芯一級、級間段及4個(gè)助推器組裝為一級組合體并吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車，然后將芯二級、芯三級組裝為二、三級組合體并吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車與一級組合體對接，最后將星罩組合體水平吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車與二、三級組合體對接，完成整個(gè)對接、組裝及轉(zhuǎn)載過程。

該方案的特點(diǎn)是各級箭體吊裝難度小，箭體受力情況較好，但要求轉(zhuǎn)運(yùn)車多組支撐具有滿足箭體停放、滾轉(zhuǎn)、升降、橫移、進(jìn)退等多軸姿態(tài)調(diào)整功能[3]。同時(shí)，要求多組箭體支撐停放裝置具備升降、橫移、滾轉(zhuǎn)、進(jìn)退等姿態(tài)調(diào)整要求，尤其2組助推器的停放設(shè)備還應(yīng)具備橫向行走能力，為區(qū)別表示將其稱為“助推器箭體支撐停放裝置A”，另外2組不具備橫向行走能力的稱為“助推器箭體支撐停放裝置B”。

吊裝設(shè)備應(yīng)盡可能通用化設(shè)計(jì)，通過各級箭體吊點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)一套吊具滿足所有箭體模塊及組合體的吊裝工作。

在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，支撐位置與吊裝位置應(yīng)盡可能統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以減少箭體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)數(shù)量，降低箭體重量。

此方案需配套的設(shè)備及功能如表1所示。

經(jīng)典作家當(dāng)下研究的新視野——《赫爾曼·麥爾維爾的現(xiàn)代闡釋》述評 ………………………… 趙晶輝（1.109）

表1 方案1產(chǎn)品及功能配套Tab.1 Equipments and Functions of Project 1

圖2 芯一級與級間段完成對接Fig.2 Transitional Stage Abut on Core Stage I

圖3 依次完成4個(gè)助推器對接組裝Fig.3 Assemble 4 roll Boosters Together with Stage I in Turn

圖4 一級組合體整體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車Fig.4 Swing Combination of Stage I to Transferred Vehicle

圖5 芯二級與芯三級完成對接形成二、三級組合體Fig5 Stage II and Stage III Abut and Formed Combination of Stage II-III

圖6 二、三級組合體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車Fig.6 Swing Combination of Stage II-III to Transferred Vehicle

圖7 星罩組合體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車Fig.7 Swing Combination of Satellite-fairing to Transferred Vehicle

圖8 轉(zhuǎn)運(yùn)車切換至支撐轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)Fig.8 Transfferred Vehicle Prepared to Transfer Launch Vehicle

2.2 方案2—分級對接、整體轉(zhuǎn)載

分級對接、整體轉(zhuǎn)載指火箭各級箭體依次完成連接組裝后，整體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車上，其流程見圖9～14。首先將芯一級、級間段及 4個(gè)助推器組裝為一級組合體，然后依次將芯二級、芯三級及星罩組合體與前序模塊對接，全部對接組裝完畢后整體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車。

與方案1相比，該方案對吊裝要求及箭體強(qiáng)度要求較高，由于全箭或星箭組合體長度（最長可達(dá)100 m）及重量均較大，為保證整體吊裝時(shí)的箭體剛強(qiáng)度需求，需采用多點(diǎn)吊裝方案，這對吊裝同步性提出了較高要求，否則若各吊點(diǎn)受力不均，會對箭體結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度帶來風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，相比于垂直吊裝，全箭水平吊裝要求箭體具備更高的強(qiáng)度，這在一定程度上增大了火箭的自重，犧牲了火箭的運(yùn)載能力。

另外，更多的箭體支撐停放裝置需具備升降、橫移、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)調(diào)整能力，且支撐下方 2個(gè)助推器的停放對接設(shè)備還應(yīng)具備橫向移動能力[4]；優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)運(yùn)車支撐數(shù)量減少，且功能要求降低，無需進(jìn)退、滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能。

其中，當(dāng)芯三級組裝完畢后，也可以選擇將全箭吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車后，再單獨(dú)吊裝星罩組合體至轉(zhuǎn)運(yùn)車與全箭完成組裝，這在一定程度上可以降低吊裝難度及箭體強(qiáng)度要求，但難有本質(zhì)改變。

此方案需配套的設(shè)備及功能如表2所示。

表2 方案2產(chǎn)品及功能配套Tab.2 Equipments and Functions of Project 2

圖9 芯一級與級間段完成對接Fig.9 Transitional Stage Abut on Core Stage I

圖10 依次完成4個(gè)助推器對接組裝Fig10 Assemble 4 Roll Boosters Together with Stage I in Turn

圖11 芯二級對接組裝Fig.11 Stage I Abut on Combination of Stage I

圖12 芯三級對接組裝 Fig.12 Stage III Abut on Combination of Stage I-II

圖13 星罩組合體對接組裝Fig.13 Combination of Satellite-fairing Abut on Combination of Stage I-II-III

圖14 星箭組合體整體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車 Fig.14 Swing Combination of Satellite-rocket to Transferred Vehicle

2.3 方案3—平臺對接

平臺對接，是指各級箭體直接在轉(zhuǎn)運(yùn)車上進(jìn)行組裝的方案，其流程如圖 15～19所示。首先將下方的 2個(gè)助推器吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車支撐托座上，然后吊裝一級組合體與其完成連接，再依次吊裝上方的兩個(gè)助推器并與一級組合體完成連接，最后依次吊裝二級、三級及星罩組合體至轉(zhuǎn)運(yùn)車完成對接、組裝。

與方案1相比，該方案的特點(diǎn)是簡化了助推器支撐停放裝置A的功能至與B相同，只需支撐、行走功能；但轉(zhuǎn)運(yùn)車支撐1、2需增加滾轉(zhuǎn)調(diào)整功能。

與方案2相比，該方案的特點(diǎn)是簡化了地面支撐停放裝置的功能，吊裝方案為常規(guī)的雙鉤吊裝，但轉(zhuǎn)運(yùn)車需增加支撐數(shù)量及多自由度調(diào)整功能需求。

此方案需配套的設(shè)備及功能如表3所示。

表3 方案3產(chǎn)品及功能配套Tab.3 Equipments and Functions of Project 3

圖15 芯一級與級間段完成對接形成一級組合體Fig.15 Transitional Stage Abut on Core Stage I

圖16 依次吊裝助推及一級組合體至轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)行組裝Fig.16 Swing Combination of Stage I、4 Roll Boosters in Turn to Transferred Vehicle

圖17 芯二級與芯三級完成對接形成二、三級組合體Fig.17 Core Stage II and Core Stage III Formed Combination of Stage II-III

圖18 二、三級組合體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車Fig.18 Swing Combination of Stage II-III to Transferred Vehicle

圖19 星罩組合體吊裝至轉(zhuǎn)運(yùn)車完成對接、組裝Fig.19 Swing Combination of Satellite-fairing to Transferred Vehicle

2.4 方案綜合對比

對上述3種方案進(jìn)行綜合對比如表4所示。

由表4可見，方案2與方案1、方案3相比，轉(zhuǎn)運(yùn)車各支點(diǎn)功能要求最簡單，但箭體停放支撐裝置功能要求增加，更關(guān)鍵的是方案2需要星箭組合體（或全箭）采用整體吊裝形式，整體吊裝質(zhì)量約500 t，星箭組合體總長約100 m（全箭總長約74 m，質(zhì)量為400 t），若采用雙鉤吊裝，則對箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求非常高，而采用多點(diǎn)吊裝方式，勢必導(dǎo)致吊裝難度的增加，若吊裝同步性較差，則各吊點(diǎn)載荷不均衡，對箭體結(jié)構(gòu)受力同樣會帶來不利的影響，因此該方案對箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不利，會大幅增加箭體重量，犧牲運(yùn)載能力。因此俄羅斯各型號普遍采用的方案2并不適用于重型運(yùn)載。

表4 箭體水平對接、組裝、轉(zhuǎn)載技術(shù)方案對比Tab.4 The Compare about Abutment、Assembly and Transfer Techniques of Project 1, 2 and 3

方案3與方案1相比，其主要配套及功能需求基本相同，不同之處在于方案3的一級組合體（含助推）停放狀態(tài)位于平臺上，無需在地面上配套相應(yīng)設(shè)備及功能，且助推級停放對接裝置功能要求更簡單，作為補(bǔ)償，需要在轉(zhuǎn)運(yùn)車第1、第2組支撐裝置上增加滾轉(zhuǎn)調(diào)整功能，以方便一級與助推連接時(shí)的姿態(tài)調(diào)整；另外，方案3對廠房吊車噸位要求較低，綜合比較，方案3更有優(yōu)勢。

綜合上述論證，重型運(yùn)載若采用“三平”模式，建議依據(jù)方案3開展箭體水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載技術(shù)方案設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

從發(fā)射支持系統(tǒng)角度出發(fā)，通過對“三平”模式下重型火箭的水平對接、組裝及轉(zhuǎn)載技術(shù)進(jìn)行論證，提出了3種可行方案，其中方案3需要的產(chǎn)品配套和功能需求相對更為合理，建議作為優(yōu)選方案。同時(shí)針對該模式下箭體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地面設(shè)備設(shè)計(jì)提出了總體性建議，有利于箭體結(jié)構(gòu)及技術(shù)廠房內(nèi)地面設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，為重型運(yùn)載火箭測發(fā)模式論證提供借鑒與參考。

在進(jìn)行基于“三平”模式的重型運(yùn)載總體設(shè)計(jì)時(shí)，建議針對以下方面進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

a）箭體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)布局統(tǒng)一：在進(jìn)行箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮吊裝及支承要求，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)區(qū)域的統(tǒng)一，從而使加強(qiáng)區(qū)域最少化，降低箭體重量；

b）箭體吊裝方案統(tǒng)型：在總體設(shè)計(jì)階段，將各級箭體吊裝方案進(jìn)行統(tǒng)一，將其吊點(diǎn)間距統(tǒng)一或系列化，使一套箭體吊具即可實(shí)現(xiàn)各級箭體模塊及組合體的水平起吊，從而優(yōu)化吊裝流程、簡化吊具配套及使用方案；

c）箭體支撐方案統(tǒng)型：針對不同箭體模塊的停放、支撐及對接要求，對各級箭體停放支撐設(shè)備進(jìn)行功能統(tǒng)型及通用化、系列化設(shè)計(jì)，降低地面停放對接設(shè)備功能及配套方案復(fù)雜度。