固體火箭應(yīng)急發(fā)射任務(wù)規(guī)劃及發(fā)射流程研究*

張道昶，樊忠澤

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉,732750)

0 引言

“快速響應(yīng)空間”(operationally responsive space,ORS)[1-2]是航天體系建設(shè)與應(yīng)用的新概念，突破了傳統(tǒng)空間系統(tǒng)的長壽命、全功能、高造價(jià)設(shè)計(jì)理念，以快速應(yīng)對突發(fā)戰(zhàn)爭和處理突發(fā)危機(jī)為目標(biāo)，具有短周期、主功能、低成本的特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間成為第一標(biāo)準(zhǔn)，即衛(wèi)星發(fā)射需求提出后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成發(fā)射準(zhǔn)備、入軌幾個(gè)小時(shí)甚至十幾分鐘內(nèi)投入應(yīng)用。

以美國為代表的航天強(qiáng)國正在積極發(fā)展以小衛(wèi)星、小運(yùn)載等為主的快速響應(yīng)空間技術(shù)，旨在提高對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力[3-5]。美國通過“戰(zhàn)術(shù)星”試驗(yàn)，探索了快速響應(yīng)航天器的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了按需發(fā)射和快速響應(yīng)的目標(biāo)，正常運(yùn)行狀態(tài)下能夠在24 h內(nèi)對全球性突發(fā)事件做出響應(yīng)。國外快速響應(yīng)運(yùn)載器已有多種型號，涵蓋多種發(fā)射方式，可在數(shù)天至數(shù)小時(shí)內(nèi)快速將有效載荷送入空間，呈現(xiàn)出固體化、小型化趨勢[6]。

我國地理環(huán)境復(fù)雜，自然災(zāi)害頻發(fā)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大型事故影響日益嚴(yán)重，海外利益訴求逐年增多，需關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)沖突逐步加劇，我空間系統(tǒng)可能受損重構(gòu)，各種突發(fā)事件均需要航天器能夠及時(shí)提供對地觀測、區(qū)域通信、導(dǎo)航定位等功能，對航天器快速進(jìn)入空間能力提出迫切要求[7-11]。

固體運(yùn)載火箭具有簡單可靠、便于運(yùn)輸與貯存、維護(hù)試驗(yàn)方便等特點(diǎn)，具備快速準(zhǔn)備與機(jī)動(dòng)發(fā)射能力，是實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)入空間的有效手段[12-14]。本文討論了基于貯存的固體火箭發(fā)射任務(wù)模式，研究了貯存管理機(jī)制、任務(wù)規(guī)劃、發(fā)射流程等關(guān)鍵問題，為實(shí)現(xiàn)固體火箭應(yīng)急發(fā)射、建設(shè)空間快速響應(yīng)能力提供參考。

1 基于貯存的應(yīng)急發(fā)射任務(wù)模式

應(yīng)急發(fā)射對時(shí)效性要求極高，可通過響應(yīng)時(shí)間來衡量，即從接到任務(wù)請求到為用戶提供所需空間信息服務(wù)的時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，可將應(yīng)急發(fā)射的響應(yīng)時(shí)間要求分為5個(gè)等級。應(yīng)急發(fā)射響應(yīng)等級、響應(yīng)時(shí)間要求及可能的響應(yīng)模式之間的對應(yīng)關(guān)系見表1。

從表1可知，貯存是提高應(yīng)急發(fā)射響應(yīng)等級的必要手段。

依據(jù)貯存狀態(tài)和響應(yīng)時(shí)間，固體火箭貯存發(fā)射任務(wù)模式可分為3級。

(1) 待發(fā)值班模式

該模式的狀態(tài)基線是星箭對接完畢且已轉(zhuǎn)載上發(fā)射車，在發(fā)射陣地附近隱蔽待機(jī)。該模式下，星箭處于待發(fā)狀態(tài)，可以在1 h內(nèi)完成發(fā)射。

(2) 整體貯存模式

該模式的狀態(tài)基線是星箭分別裝配完畢，狀態(tài)保持良好。該模式下，接到發(fā)射任務(wù)后，進(jìn)行衛(wèi)星扣整流罩、星箭對接、測試、轉(zhuǎn)載等快速集成工作，之后機(jī)動(dòng)待機(jī)，可以在1～24 h內(nèi)完成發(fā)射。

(3) 分段貯存模式

該模式的狀態(tài)基線是火箭各級處于分離狀態(tài)，衛(wèi)星平臺與載荷分別貯存。該模式下，接到發(fā)射任務(wù)后，衛(wèi)星、火箭進(jìn)行總裝、測試、快速集成工作，之后機(jī)動(dòng)待機(jī)，可以在1～7 d內(nèi)完成發(fā)射。

表1 應(yīng)急發(fā)射響應(yīng)等級、響應(yīng)時(shí)間要求及可能的響應(yīng)模式Table 1 Emergency response levels,response time requirements and possible response modes

2 基于目標(biāo)的應(yīng)急發(fā)射任務(wù)規(guī)劃

2.1 任務(wù)規(guī)劃內(nèi)容及工作流程

基于目標(biāo)的應(yīng)急發(fā)射任務(wù)規(guī)劃是在給定任務(wù)背景下，實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)籌劃、衛(wèi)星軌道規(guī)劃、發(fā)射任務(wù)編組、發(fā)射方案生成和任務(wù)計(jì)劃生成等功能，為應(yīng)急發(fā)射各級指揮決策人員提供支持。

(1) 任務(wù)目標(biāo)籌劃

針對災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急救援、利益訴求等突發(fā)事件的空間區(qū)域信息支援任務(wù)，以任務(wù)意圖、現(xiàn)有空間系統(tǒng)實(shí)力、情報(bào)數(shù)據(jù)為輸入，開展應(yīng)急發(fā)射態(tài)勢研判、分析，基于目標(biāo)多屬性信息進(jìn)行綜合測算排序，明確探測目標(biāo)區(qū)域。

(2) 衛(wèi)星軌道規(guī)劃

以衛(wèi)星性能參數(shù)和目標(biāo)區(qū)域?yàn)檩斎?，進(jìn)行衛(wèi)星選型，開展衛(wèi)星軌道計(jì)算，基于特定規(guī)則按型號維度確定各型號衛(wèi)星對于探測目標(biāo)區(qū)域的軌道優(yōu)選方案排序，提供偵察目標(biāo)區(qū)域的衛(wèi)星星座及軌道參數(shù)遴選決策建議。

(3) 發(fā)射任務(wù)編組

統(tǒng)籌當(dāng)前貯存裝備情況、參試隊(duì)伍能力及部署情況，確定火箭型號，開展衛(wèi)星入軌可行性檢查、空間碎片碰撞概率計(jì)算，劃分可行空域區(qū)塊，確定衛(wèi)星星座組網(wǎng)及軌道方案及火箭發(fā)射陣地組合形成發(fā)射任務(wù)編組。

(4) 發(fā)射方案優(yōu)化

根據(jù)發(fā)射任務(wù)編組，進(jìn)行彈道規(guī)劃，生成火箭彈道參數(shù)(諸元起算數(shù)據(jù))，開展測控方案籌劃、發(fā)射車機(jī)動(dòng)籌劃和保障方案籌劃，生成發(fā)射方案。根據(jù)衛(wèi)星星座部署計(jì)劃及火箭發(fā)射能力進(jìn)行波次發(fā)射計(jì)劃分解，生成火箭發(fā)射卡片。

(5) 任務(wù)計(jì)劃生成

根據(jù)火箭發(fā)射卡片進(jìn)行參試隊(duì)伍行動(dòng)籌劃，明確隊(duì)伍部署，確定各衛(wèi)星發(fā)射間隔，根據(jù)碰撞預(yù)警約束和技發(fā)陣地交通約束等籌劃隊(duì)伍行動(dòng)計(jì)劃，基于發(fā)射計(jì)劃和衛(wèi)星在軌運(yùn)行計(jì)劃規(guī)劃保障資源及指導(dǎo)建議。同時(shí)開展火箭準(zhǔn)備籌劃，對火箭下級對接、裝填轉(zhuǎn)運(yùn)、整裝測試等進(jìn)行時(shí)序規(guī)劃。形成諸元數(shù)據(jù)、隊(duì)伍行動(dòng)時(shí)序，發(fā)射車機(jī)動(dòng)路線和測控設(shè)備部署要求。

任務(wù)規(guī)劃典型工作流程如圖1所示。

2.2 彈道規(guī)劃

應(yīng)急發(fā)射任務(wù)規(guī)劃的難點(diǎn)在于固體火箭彈道規(guī)劃問題，固體火箭由于自身的特點(diǎn)，其彈道設(shè)計(jì)方法無法繼承液體火箭和導(dǎo)彈的彈道設(shè)計(jì)方法。首先，固體火箭各級固體發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用耗盡關(guān)機(jī)，能量必須在飛行過程中全部耗盡，因而液體火箭通過控制關(guān)機(jī)時(shí)間實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)模式下的彈道設(shè)計(jì)方法無法直接應(yīng)用。其次，有效載荷入軌需要同時(shí)滿足多個(gè)軌道參數(shù)約束，固體戰(zhàn)略導(dǎo)彈以落點(diǎn)為單一終端約束的設(shè)計(jì)方法亦不適用。

2.2.1 彈道規(guī)劃難點(diǎn)

固體火箭彈道規(guī)劃主要有以下難點(diǎn)：

(1) 約束條件復(fù)雜

約束條件包括終端約束條件和飛行過程中的約束條件等。終端約束中，降交點(diǎn)地方時(shí)影響發(fā)射時(shí)間；軌道傾角影響發(fā)射點(diǎn)；軌道高度受限于運(yùn)載能力；偏心率影響入軌點(diǎn)選擇，對于圓軌道可以任意點(diǎn)入軌，橢圓軌道需選擇近地點(diǎn)入軌，而轉(zhuǎn)移軌道能節(jié)省能量，但約束問題更復(fù)雜且需要發(fā)動(dòng)機(jī)多次關(guān)機(jī)與點(diǎn)火，只有末級采用液體推進(jìn)的火箭可以采用。中間約束條件包括飛行過程動(dòng)壓、過載、測控等約束條件。同時(shí)，固體運(yùn)載火箭的級數(shù)較多，彈道設(shè)計(jì)變量多，設(shè)計(jì)變量之間相互制約，耦合性強(qiáng)，故其彈道規(guī)劃優(yōu)化成為一類復(fù)雜的非線性問題，存在多個(gè)等式約束和不等式約束，約束條件和目標(biāo)函數(shù)之間無法用明確的解析表達(dá)式表示，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法無法最大程度上尋找到其最優(yōu)解。

(2) 彈道設(shè)計(jì)能量管理難

能量管理是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量實(shí)時(shí)有效的控制和使用，最終實(shí)現(xiàn)入軌要求的能量消耗策略。對于未達(dá)到運(yùn)載能力極限的發(fā)射任務(wù)，均需進(jìn)行能量管理，才能保證最終的入軌精度。以長征-11固體火箭為例，若三級制導(dǎo)律僅以三級耗盡點(diǎn)位置為約束，不進(jìn)行能量管理，僅依靠四級動(dòng)力飛行段很難實(shí)現(xiàn)大跨度的能量管理，因此必須從三級動(dòng)力飛行段就開始實(shí)施大跨度的能量管理，消耗多余能量，滿足衛(wèi)星入軌要求。

(3) 諸元迭代周期長

由于優(yōu)化算法很難找到最優(yōu)解，需要在標(biāo)準(zhǔn)彈道設(shè)計(jì)完成后，需要人工不斷調(diào)整參數(shù)，通過不斷迭代獲取快舟系統(tǒng)諸元參數(shù)，這一迭代過程具有不確定性。

2.2.2 彈道規(guī)劃約束條件

彈道規(guī)劃的約束條件主要包括：

(1) 任務(wù)需求

同一型運(yùn)載火箭，相同的有效載荷，根據(jù)不同的任務(wù)需求，將規(guī)劃出不同的彈道。包括入軌時(shí)間、軌道類型、星座組成、載荷類型等。

(2) 運(yùn)載火箭本身性能

包括火箭的運(yùn)載能力、制導(dǎo)方式、動(dòng)壓約束、軸向過載約束、整流罩分離分子熱流約束等。

(3) 有效載荷對火箭彈道設(shè)計(jì)的要求

包括有效載荷質(zhì)量、有效載荷軌道要求、有效載荷入軌姿態(tài)要求等。

(4) 地面測控約束以及航落區(qū)安全性要求等。

2.2.3 彈道規(guī)劃工作流程

彈道規(guī)劃的基本工作流程如圖2所示。為滿足應(yīng)急發(fā)射響應(yīng)時(shí)間要求，可針對給定任務(wù)，預(yù)先進(jìn)行海量彈道規(guī)劃，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。在接到任務(wù)后，選取近似規(guī)劃結(jié)果，以終端約束變化為目標(biāo)進(jìn)行外推，再進(jìn)行彈道計(jì)算驗(yàn)證，可以大大提高彈道規(guī)劃時(shí)效性。

3 固體火箭應(yīng)急發(fā)射流程

固體火箭可采用陸基、海基和空基發(fā)射，以陸基發(fā)射為例，發(fā)射方式一般有2種，一種是熱發(fā)射，火箭吊裝在發(fā)射車起豎支架上，發(fā)射時(shí)火箭起豎，坐落在隨車發(fā)射臺上，直接點(diǎn)火發(fā)射；另一種是冷發(fā)射，即火箭裝填在發(fā)射筒內(nèi)隨發(fā)射車機(jī)動(dòng)，發(fā)射時(shí)發(fā)射筒起豎，火箭彈射出筒，空中點(diǎn)火。

3.1 典型熱發(fā)射火箭應(yīng)急發(fā)射流程

典型熱發(fā)射固體火箭應(yīng)急發(fā)射流程如圖3所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段主要工作包括：火箭系統(tǒng)總檢查測試、火箭轉(zhuǎn)移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉(zhuǎn)移至測試廳、星箭聯(lián)合檢查、轉(zhuǎn)載上發(fā)射車?？焖偌晒ぷ饕话憧稍? h內(nèi)完成。

(2) 機(jī)動(dòng)待機(jī)階段

機(jī)動(dòng)待機(jī)階段主要工作是：機(jī)動(dòng)編組、機(jī)動(dòng)行進(jìn)、預(yù)定點(diǎn)待命、設(shè)備檢測。為避免意外突防事件影響發(fā)射時(shí)間，通常會提前到達(dá)發(fā)射點(diǎn)或其附近待命。

(3) 應(yīng)急發(fā)射階段

應(yīng)急發(fā)射階段的主要工作是：狀態(tài)準(zhǔn)備、射前檢查、衛(wèi)星測試、起豎、瞄準(zhǔn)、諸元裝訂、點(diǎn)火起飛。應(yīng)急發(fā)射一般可在4 h內(nèi)完成；若不進(jìn)行衛(wèi)星測試，可在2 h內(nèi)完成；若采用自主定位定向技術(shù)，可在1 h內(nèi)完成。

3.2 典型冷發(fā)射火箭應(yīng)急發(fā)射流程

典型冷發(fā)射固體火箭應(yīng)急發(fā)射流程如圖4所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段的主要工作包括：火箭系統(tǒng)總檢查測試、火箭轉(zhuǎn)移至裝填廳、火箭裝填進(jìn)發(fā)射筒、初容室總裝(即彈射動(dòng)力裝置總裝)、火箭轉(zhuǎn)移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉(zhuǎn)移至測試廳、星箭聯(lián)合檢查、轉(zhuǎn)載上發(fā)射車?？焖偌晒ぷ饕话憧稍?2 h內(nèi)完成。

(2) 機(jī)動(dòng)待機(jī)階段

機(jī)動(dòng)待機(jī)階段主要工作與熱發(fā)射固體火箭基本相同。

(3) 應(yīng)急發(fā)射階段

應(yīng)急發(fā)射階段的主要工作是：狀態(tài)準(zhǔn)備、射前檢查、衛(wèi)星測試、瞄準(zhǔn)、諸元裝訂、起豎、點(diǎn)火彈射、空中點(diǎn)火飛行。應(yīng)急發(fā)射一般可在4 h內(nèi)完成；若不進(jìn)行衛(wèi)星測試，可在2 h內(nèi)完成；若采用自主定位定向技術(shù)，可在1 h內(nèi)完成。

4 應(yīng)急發(fā)射任務(wù)效果評估

由于航天發(fā)射的高成本、低庫存、要求高等特殊性，快速評估航天應(yīng)急發(fā)射的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急發(fā)射任務(wù)的快速效果評估，需建立自動(dòng)化快速評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，通過多種評估方法，必要的情況下參考內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)庫，快速有效完成對評估結(jié)果的分析、整理，生產(chǎn)評估報(bào)告。

自動(dòng)化快速評估系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

(1) 指標(biāo)選取

選取出候選指標(biāo)，而后可對候選指標(biāo)進(jìn)行相干性分析、主成分分析，通過篩選和變換獲得滿足要求的指標(biāo)集合。

(2) 構(gòu)造指標(biāo)體系

為指標(biāo)設(shè)定層級并建立指標(biāo)間的依賴關(guān)系，并對不宜直接度量的指標(biāo)進(jìn)行分解。最終建立起由效能指標(biāo)和性能指標(biāo)構(gòu)成的指標(biāo)體系。

(3) 創(chuàng)建評估方案

評估方案是對同一類型的評估對象進(jìn)行評估的依據(jù)。評估方案由指標(biāo)體系和各個(gè)指標(biāo)的單一評估方案組成。每個(gè)指標(biāo)的單一評估方案是一個(gè)由輸入指標(biāo)、輸出指標(biāo)、樣本數(shù)據(jù)、各類評估方法組成的計(jì)算流程。

(4) 選取/創(chuàng)建評估算法

評估算法庫提供AHP，模糊綜合評估法，灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，TOPSIS，DEA，ADC等典型評估算法。創(chuàng)建評估流程時(shí)可以從系統(tǒng)提供的評估算法庫中直接選取，也可通過公式、腳本語言、算法插件等3種方式對現(xiàn)有評估方法庫進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)造出滿足需求的評估方法。

(5) 評估數(shù)據(jù)采集與處理

評估樣本數(shù)據(jù)包括測試數(shù)據(jù)，地基測控?cái)?shù)據(jù)，天基測控?cái)?shù)據(jù)，并可與Oracle，SQLServer，MySQL，MongoDB等多種數(shù)據(jù)庫適配。

(6) 創(chuàng)建評估任務(wù)

評估任務(wù)是在已建立評估方案的基礎(chǔ)上，針對若干明確的評估對象進(jìn)行的一次具體評估活動(dòng)。評估任務(wù)使用的數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊從各數(shù)據(jù)源獲得的數(shù)據(jù)。

(7) 執(zhí)行評估任務(wù)

按照評估方案自底向上逐層計(jì)算，獲得指標(biāo)體系中所有指標(biāo)關(guān)于每一個(gè)評估對象的評估結(jié)果。

(8) 查看評估結(jié)果

在評估任務(wù)正確執(zhí)行后，能夠通過多種可視化手段，查看各評估對象各指標(biāo)的評估結(jié)果。

(9) 生成評估報(bào)告

評估報(bào)告中包含指標(biāo)體系、評估方案、評估結(jié)果等信息。評估報(bào)告采用文字、圖表顯示各類信息。

5 結(jié)束語

針對災(zāi)害監(jiān)測、熱點(diǎn)沖突監(jiān)視、區(qū)域信息增強(qiáng)、空間系統(tǒng)補(bǔ)網(wǎng)重構(gòu)等突發(fā)事件的空間需求，對固體運(yùn)載火箭和衛(wèi)星進(jìn)行值班貯存，基于綜合成本評估對貯存產(chǎn)品實(shí)行滾動(dòng)更替，并通過貯存環(huán)境控制和健康管理確?；鸺l(wèi)星狀態(tài)完好，可以實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)。接到發(fā)射任務(wù)后，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并按照應(yīng)急發(fā)射流程組織實(shí)施應(yīng)急發(fā)射并確保衛(wèi)星入軌，能夠及時(shí)為突發(fā)事件提供空間信息支援。