運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)無(wú)人值守加注發(fā)射技術(shù)研究

肖士利，謝志豐，潘忠文，陳秀平，趙心欣

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

以長(zhǎng)征五號(hào)火箭為代表的新一代運(yùn)載火箭首飛成功，實(shí)現(xiàn)了液氫大流量加注發(fā)射無(wú)人值守，代表著我國(guó)運(yùn)載火箭無(wú)人值守加注發(fā)射方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)火箭在發(fā)射場(chǎng)的加注及發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程中自動(dòng)化程度仍然偏低，尤其在火箭發(fā)射前的加注、狀態(tài)準(zhǔn)備等諸多環(huán)節(jié)仍需大量的人工參與，系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。美國(guó)、前蘇聯(lián)、巴西等國(guó)家都曾發(fā)生過(guò)火箭在塔架爆炸而導(dǎo)致大量人員傷亡的災(zāi)難性事故，教訓(xùn)慘痛。2016年9月，獵鷹9火箭在加注后的靜態(tài)測(cè)試中發(fā)生爆炸，所幸由于其采用了諸多自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端的無(wú)人值守，未造成人員傷亡。

無(wú)人值守加注發(fā)射技術(shù)可以大幅提升運(yùn)載火箭的自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射水平，有效改變火箭發(fā)射場(chǎng)射前操作項(xiàng)目多、保障人員多的現(xiàn)狀，從而提高火箭發(fā)射可靠性和參與人員安全性，對(duì)我國(guó)航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外火箭發(fā)射場(chǎng)射前無(wú)人值守情況

隨著自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)火箭發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)的人員安全性更加重視，加大了對(duì)無(wú)人值守加注及測(cè)試發(fā)射技術(shù)的研究力度，并逐步實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端的無(wú)人值守。宇宙神5在射前14 h運(yùn)往發(fā)射區(qū)，從射前7.5 h芯級(jí)推進(jìn)劑加注開(kāi)始至點(diǎn)火發(fā)射，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守；德?tīng)査?火箭從射前5.5 h的推進(jìn)劑加注開(kāi)始也是無(wú)人值守的[2]；獵鷹9火箭從射前40 min開(kāi)始超過(guò)冷推進(jìn)劑加注，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前端從加注開(kāi)始的無(wú)人值守[3]。阿里安5火箭射前9 h才從技術(shù)區(qū)總裝廠房轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，從射前6 h開(kāi)始進(jìn)入倒計(jì)時(shí)程序，此時(shí)人員撤離發(fā)射前端[4]。

旋風(fēng)號(hào)是國(guó)際上首個(gè)采用全自動(dòng)射前準(zhǔn)備與發(fā)射技術(shù)的火箭，火箭在發(fā)射區(qū)完成總裝測(cè)試后，就不再需要人直接操作，后續(xù)自動(dòng)按程序執(zhí)行[5]。天頂號(hào)是繼旋風(fēng)號(hào)后第二個(gè)采用全自動(dòng)發(fā)射的火箭，也是自動(dòng)化智能化程度最高的火箭之一，火箭在離開(kāi)水平總裝測(cè)試廠房后，通常在28 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守加注發(fā)射[6]。

國(guó)外火箭通過(guò)減少射前操作項(xiàng)目、優(yōu)化射前流程、射前狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、連接器自動(dòng)對(duì)接及脫落(如圖1所示)、組合式連接器(如圖2所示)、連接器零秒脫落(如圖3所示)等技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了加注發(fā)射全過(guò)程無(wú)人值守。為縮短加注時(shí)間，不同推進(jìn)劑同時(shí)大流量自動(dòng)加注，提高加注速度；將箭地接口組合化，大幅減少了箭地連接器數(shù)量和操作人數(shù)，提高了脫落可靠性。同時(shí)，大量應(yīng)用連接器零秒脫落技術(shù)，提高了射前流程可逆性。

圖1 連接器自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)Fig.1 Connector automatic docking mechanism

圖2 戰(zhàn)神火箭組合式連接器Fig.2 Combinatorial connector of Ares I

圖3 零秒脫落連接器Fig.3 Zero second separation connector

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外火箭射前流程，無(wú)人值守加注發(fā)射制約因素主要包括箭上及地面參數(shù)監(jiān)測(cè)及狀態(tài)確認(rèn)、箭上及地面設(shè)備測(cè)試和狀態(tài)轉(zhuǎn)換、箭地連接器對(duì)接和脫落等。國(guó)內(nèi)一些科研院所對(duì)箭地連接器自動(dòng)對(duì)接技術(shù)開(kāi)展了研究和演示驗(yàn)證工作，中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心和上海航天技術(shù)研究院依托在飛常規(guī)推進(jìn)劑型號(hào)，開(kāi)展了加注連接器的自動(dòng)對(duì)接和脫落系統(tǒng)原理樣機(jī)研制，但尚未進(jìn)入真正的工程應(yīng)用[7-9]。北京航天發(fā)射技術(shù)研究所依托新一代運(yùn)載火箭開(kāi)展了加注連接器自動(dòng)對(duì)接脫落系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，但相關(guān)技術(shù)距離型號(hào)應(yīng)用尚有一定距離[10]。

2 無(wú)人值守關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)人值守加注發(fā)射總體技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)射前端無(wú)人值守加注發(fā)射，在保障安全性、測(cè)試覆蓋性、系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，需從全流程、全工況開(kāi)展無(wú)人值守的總體方案以及射前流程設(shè)計(jì)。同時(shí)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵產(chǎn)品演示驗(yàn)證等，以確保關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品功能性能指標(biāo)、可靠性要求達(dá)到飛行試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用的水平。

無(wú)人值守總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于推動(dòng)火箭研制理念轉(zhuǎn)變，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)明確火箭無(wú)人值守加注發(fā)射的目標(biāo)。從過(guò)去的“有人值守”設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變到“無(wú)人值守”設(shè)計(jì)模式；從過(guò)去的“確保產(chǎn)品安全”到“確保人員和產(chǎn)品都安全”并重模式轉(zhuǎn)變。在實(shí)際操作中，應(yīng)分步實(shí)施、穩(wěn)步推進(jìn)，以流程優(yōu)化為主，通過(guò)箭上、地面適應(yīng)性改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)減少發(fā)射前端工作總?cè)舜魏凸ぷ鲿r(shí)間，以及實(shí)現(xiàn)部分工作時(shí)段無(wú)人值守兩個(gè)維度的目標(biāo)。

除開(kāi)展火箭電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)無(wú)人值守技術(shù)研究外，還要梳理發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)入射前流程工作項(xiàng)目、涉及的地面設(shè)施設(shè)備及其制約因素，重點(diǎn)是加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、塔勤系統(tǒng)等，與火箭系統(tǒng)同步開(kāi)展無(wú)人值守總體方案研究和射前流程優(yōu)化，總體方案如圖4所示。

2.2 火箭狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障處理技術(shù)

火箭加注發(fā)射階段，有大量狀態(tài)參數(shù)的檢查確認(rèn)需要人工介入，做到“眼見(jiàn)為實(shí)”。目前監(jiān)測(cè)的參數(shù)形式眾多，不僅有機(jī)械量、模擬量、數(shù)字量等，也有氣體壓力參數(shù)、推進(jìn)劑泄漏情況、儀器儀表電信號(hào)等。通過(guò)全箭狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[11]，可以完成發(fā)射前端信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 無(wú)人值守總體方案Fig.4 Unattended overall scheme

目前火箭射前狀態(tài)參數(shù)大部分通過(guò)有線通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，比如整流罩空調(diào)環(huán)境監(jiān)測(cè)、箱壓監(jiān)測(cè)等，發(fā)射前還需對(duì)各類(lèi)電纜及傳感器進(jìn)行人工撤收。通過(guò)在發(fā)射前端增加非接觸式、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)及其相應(yīng)的傳感器，完成無(wú)人值守所需的監(jiān)測(cè)參數(shù)及音頻視頻信息的采集、匯總、入網(wǎng)；同時(shí)在后端建設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析平臺(tái)，從數(shù)據(jù)、流程、設(shè)備等多維度提高全箭無(wú)人值守的全面性和實(shí)時(shí)性。由于無(wú)線通信技術(shù)存在“開(kāi)放性”、“電磁輻射”等特性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全、電磁干擾、電磁兼容以及在易燃易爆環(huán)境下的使用安全方面也提出了更高的要求。因此，有必要對(duì)地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的融合可靠性改進(jìn)技術(shù)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)，并在魯棒性、安全性、自愈性等方面進(jìn)行摸底試驗(yàn)考核。

火箭在中止發(fā)射和緊急關(guān)機(jī)工況下，通過(guò)梳理各種故障模式，研究各種故障模式下所需采取的應(yīng)急處置措施，并評(píng)估各種方案下操作、狀態(tài)檢查實(shí)施無(wú)人值守的可行性及技術(shù)難度，火箭狀態(tài)遠(yuǎn)程故障處理技術(shù)可借鑒文獻(xiàn)[12]中提到的多種方法。在中止發(fā)射工況下，整個(gè)箭地連接狀態(tài)基本保持不變，此時(shí)主要目標(biāo)是進(jìn)行故障快速定位、快速排故，并重新組織發(fā)射；在緊急關(guān)機(jī)工況下，基本可以確定終止發(fā)射，同時(shí)泄出推進(jìn)劑，并開(kāi)展火箭的逆流程工作。

2.3 連接器零秒脫落技術(shù)

火箭點(diǎn)火起飛后，箭體中部的箭地連接器才脫落，可以有效規(guī)避連接器二次對(duì)接風(fēng)險(xiǎn)，提高射前流程的可逆性，為實(shí)現(xiàn)射前無(wú)人值守提供有力的技術(shù)保障。連接器零秒脫落過(guò)程主要包括對(duì)脫落信號(hào)的快速響應(yīng)、多點(diǎn)鎖緊狀態(tài)下的可靠解鎖、連接器快速回收、限位、防護(hù)等，同時(shí)還要考慮脫落安全性，主要難點(diǎn)包括箭地接口鎖緊密封技術(shù)、多點(diǎn)鎖緊同步性技術(shù)、箭上閥門(mén)大載荷承載技術(shù)等。

零秒連接器的脫落方案如圖6所示，吊索用來(lái)支撐低溫發(fā)泡軟管重量，在連接器零秒脫落后對(duì)連接器擺動(dòng)軌跡進(jìn)行限位，確保箭體安全起飛，牽引索用于箭體起飛時(shí)被動(dòng)脫落連接器。

圖6 零秒連接器脫落方案Fig.6 Shedding scheme of zero second connector

零秒脫落連接器一般由連接器臍帶板、箭上臍帶板、連接器本體、鎖緊機(jī)構(gòu)和解鎖機(jī)構(gòu)等組成，連接器通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，通過(guò)解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖。由于零秒連接器是在火箭點(diǎn)火后才脫落，因此對(duì)解鎖機(jī)構(gòu)的可靠性要求非常高，需設(shè)置多重解鎖措施，互為冗余，解鎖措施一般包括主動(dòng)解鎖、被動(dòng)解鎖和強(qiáng)制解鎖?；鸺o出點(diǎn)火脫落信號(hào)后，解鎖策略為首先主動(dòng)解鎖，再被動(dòng)解鎖實(shí)現(xiàn)正常脫落；當(dāng)正常脫落失效時(shí)，最終強(qiáng)制解鎖，確?？煽糠蛛x。

火箭和臍帶塔之間的軟管懸掛長(zhǎng)度越長(zhǎng)，連接器受到的張力越大，此力對(duì)連接器的密封性能、對(duì)接載荷以及鎖緊可靠性會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，應(yīng)控制火箭起飛漂移量，盡量降低火箭和臍帶塔之間的距離，以減小零秒連接器分離載荷。

2.4 箭地接口組合連接技術(shù)

將箭地電、氣、液接口組合化設(shè)計(jì)，可以大幅減少箭地連接器數(shù)量，優(yōu)化箭地接口形式和布局，進(jìn)而可以減少對(duì)箭地連接器的射前操作，提高脫落可靠性和安全性。由于組合連接器箭地接口數(shù)量較多且多為插入式結(jié)構(gòu)，對(duì)定位精度要求非常高，箭地接口不對(duì)中，易導(dǎo)致低溫推進(jìn)劑泄漏或者高壓氣體泄漏，影響密封可靠性。通過(guò)開(kāi)展箭地接口組合連接技術(shù)研究，明確接口組合方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面板接口布局設(shè)計(jì)、對(duì)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)鎖緊和解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方案，如圖7所示。

圖7 組合式連接器設(shè)計(jì)方案Fig.7 Design scheme of combinatorial connector

組合連接器一般包含電、氣、液3種，或其中2種介質(zhì)，不同接口和管路在連接器面板上布局時(shí)，應(yīng)考慮介質(zhì)之間隔離、面板受力均勻和走線方便等多種因素，盡量采用冗余密封方案，確保密封可靠。同一面板中應(yīng)避免兩種不同組元的推進(jìn)劑管路，從設(shè)計(jì)源頭上規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

各種接口、管路和鎖緊機(jī)構(gòu)在面板中的布局應(yīng)大致成對(duì)稱(chēng)分布，不僅使箭地接口受力均勻，也有利于各種接口的密封，不至于產(chǎn)生對(duì)接面的偏心力，造成接口的“憋勁”，形成額外的應(yīng)力，導(dǎo)致脫落時(shí)“卡死”。

連接器的對(duì)中導(dǎo)向方式有錐桿式、球錐式、定位銷(xiāo)和法蘭端面等，錐桿式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，允許較大的初始對(duì)接誤差和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，錐桿式對(duì)中導(dǎo)向可使粗對(duì)準(zhǔn)平穩(wěn)地向精確對(duì)中過(guò)渡，基本不會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，因此組合連接器優(yōu)先采用錐桿式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)[13]。

2.5 連接器自動(dòng)對(duì)接技術(shù)

連接器自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)一般架設(shè)于懸臂形式的擺桿上，在風(fēng)的影響下，箭體和擺桿會(huì)同時(shí)晃動(dòng)，在動(dòng)基座、動(dòng)目標(biāo)的復(fù)雜工況下實(shí)現(xiàn)自主決策自動(dòng)對(duì)接成為難題。自動(dòng)對(duì)接技術(shù)通過(guò)圖像識(shí)別、位移傳感器等多信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，在適應(yīng)雨、雪、霧等氣象條件工況下，獲得加注后箭體在風(fēng)載情況下的精確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)控制系統(tǒng)完成對(duì)接裝置的高精度跟蹤運(yùn)動(dòng)控制，最終完成連接器的對(duì)接鎖緊。由于低溫加注后連接器會(huì)產(chǎn)生結(jié)霜、結(jié)冰問(wèn)題，還需要攻克二次對(duì)接低溫密封、防結(jié)冰、多余物檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)總體方案如圖8所示，其使用工況、特點(diǎn)、工作流程及功能需求如圖9所示。

圖8 連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)總體方案示意圖Fig.8 Overall scheme of connector automatic docking system

圖9 連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)工作流程及功能需求Fig.9 Workflow and functional requirements connector automatic docking system

連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要由連接器、箭上接口檢測(cè)定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、連接器位姿調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)后端與地面推進(jìn)劑加注及供配氣系統(tǒng)連接，前端通過(guò)箭地連接器與箭上接口進(jìn)行連接。

箭上接口檢測(cè)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)對(duì)箭上接口進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的位姿檢測(cè)定位功能，獲得連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)與箭上接口的位姿偏差，為連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)位姿調(diào)整提供依據(jù)。

控制系統(tǒng)根據(jù)箭上接口檢測(cè)定位系統(tǒng)獲得的位姿偏差信息，解算出連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的位姿調(diào)整控制量，為連接器的位姿調(diào)整提供控制量輸出，同時(shí)控制連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)對(duì)接、分離過(guò)程中鎖緊、解鎖、吹除等動(dòng)作。

連接器位姿調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)輸出的位姿調(diào)整控制量，對(duì)連接器進(jìn)行多自由度位姿調(diào)整，實(shí)現(xiàn)連接器與箭上接口實(shí)時(shí)保持位姿一致。

2.6 火工品自動(dòng)短路保護(hù)與解保技術(shù)

考慮到安全性，火箭電氣系統(tǒng)一般在最后一次加電前才通過(guò)人工斷開(kāi)火工品總短路保護(hù)插頭，是制約電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的主要因素。若需實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，需研制火工品自動(dòng)短路保護(hù)線路，在電阻盒內(nèi)配備火工品短路保護(hù)功能，通過(guò)遠(yuǎn)控方式實(shí)現(xiàn)火工品短路保護(hù)和解保，避免射前進(jìn)行短路插頭的操作及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的控制下，可實(shí)現(xiàn)火工品可靠自動(dòng)短路保護(hù)與解?？刂疲鐖D10所示。

圖10 火工品自動(dòng)短路保護(hù)電路Fig.10 Automatic short-circuit protection circuit of initiating explosive device

由于該線路對(duì)可靠性要求非常高，每一個(gè)火工品橋絲采取冗余電路設(shè)計(jì)，在一度故障的情況下確?？煽繑嚅_(kāi)。同時(shí)，通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)避免干擾信號(hào)誤觸發(fā)繼電器動(dòng)作。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人值守加注發(fā)射是航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，在目前提倡發(fā)射任務(wù)“減員增效、以人為本”的大背景下，減少發(fā)射任務(wù)的參與人員數(shù)量，特別是自加注開(kāi)始實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守加注發(fā)射，提高火箭發(fā)射安全性，是中國(guó)航天必須要走出和完成的重要一步。因此，通過(guò)借鑒國(guó)外火箭發(fā)射經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)航天現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用需求，努力提高航天發(fā)射自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭加注發(fā)射無(wú)人值守，為我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供重要支撐。