新一代運(yùn)載火箭陸海聯(lián)運(yùn)總體組織方案的創(chuàng)新實踐

李 靖，陳曉東，李曉龍，謝業(yè)波

（1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

長征五號運(yùn)載火箭是為滿足中國航天發(fā)展對大運(yùn)載能力的迫切需求而研制的新一代大型運(yùn)載火箭，于2006年10月正式批復(fù)立項，2016年11月3日首飛取得圓滿成功，使中國火箭技術(shù)水平和運(yùn)載能力進(jìn)入世界前列。長征五號運(yùn)載火箭采用了全新材料制造5 m大直徑芯級箭體，并為其在天津濱海新區(qū)興建了采用全新技術(shù)和設(shè)備的火箭制造基地，在海南文昌建立了使用全新發(fā)射支持系統(tǒng)的發(fā)射場[1]。

火箭需要從天津火箭制造基地送往海南發(fā)射場，但如此規(guī)模的箭體產(chǎn)品已經(jīng)無法通過陸路運(yùn)輸，經(jīng)多年論證，決定采用超大規(guī)模的特種集裝箱裝載箭體產(chǎn)品，通過陸-海聯(lián)運(yùn)模式前往目的地。為此，專門研制了世界上最大體積和質(zhì)量的特種集裝箱以及配套的公路運(yùn)輸車等大型車輛、設(shè)備和專用運(yùn)輸船。圖1為芯一級箭體公路運(yùn)輸車，長47.7 m、寬6.4 m、高7.8 m，滿載質(zhì)量165 t。

圖1 超大型特種集裝箱公路運(yùn)輸車 Fig.1 Large Special Container Road Transport Vehicle

歷史上，中國火箭產(chǎn)品長途運(yùn)輸基本限于鐵路方式，但以長征五號運(yùn)載火箭為代表的新一代大型運(yùn)載火箭產(chǎn)品運(yùn)輸具有以下不同于以往的重要特征：

a）貨物體積大、質(zhì)量大、數(shù)量多。

長征五號運(yùn)載火箭使用10件特殊設(shè)計的超大型特種集裝箱及20件左右設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。其中芯一級箭體集裝箱長度近40 m，體積相當(dāng)于40件6.1 m長的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，質(zhì)量近90 t，公路運(yùn)輸此類“超長、超寬、超高”的貨物時必須實施封路行駛，部分路段還需逆行過障。

b）運(yùn)輸過程多、時間長。

火箭運(yùn)輸過程包括“火箭產(chǎn)品前往海南發(fā)射場”和“空集裝箱返回天津”兩大部分，包括陸運(yùn)、海運(yùn)和多次吊裝過程，整個流程持續(xù)48～56天。

c）運(yùn)輸安全要求高。

長征五號運(yùn)載火箭技術(shù)先進(jìn)、制造復(fù)雜，每發(fā)火箭產(chǎn)品價值數(shù)億元，從箭體產(chǎn)品備料到總裝交付需要長達(dá)3年時間，運(yùn)輸途中發(fā)生的事故對于當(dāng)次發(fā)射任務(wù)是不可接受的。為此，特別提出了“將火箭產(chǎn)品安全、可靠運(yùn)抵發(fā)射場”的任務(wù)要求。

1 整體思路

2015年年初，長征五號運(yùn)載火箭運(yùn)輸涉及的車、船、箱和吊裝設(shè)備等技術(shù)裝備陸續(xù)就緒，執(zhí)行的首次火箭發(fā)射場合練運(yùn)輸意義重大、時間有限，制定運(yùn)輸組織總體方案的工作迫在眉睫。

長征五號運(yùn)載火箭是中國首次采用大規(guī)模特種集裝箱裝載，通過多單位、多地域協(xié)同，以陸-海聯(lián)運(yùn)模式運(yùn)往發(fā)射場的運(yùn)載火箭。自火箭論證階段開始，運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)性準(zhǔn)備已經(jīng)進(jìn)行多年。

為確?！皩⒒鸺a(chǎn)品安全、可靠運(yùn)抵發(fā)射場”核心目標(biāo)的實現(xiàn)，運(yùn)輸組織總體方案制定以下思路。

a）認(rèn)識任務(wù)核心質(zhì)量要求，樹立正確的指導(dǎo)思想。

運(yùn)載火箭屬性特殊，其產(chǎn)品價值高，社會影響大，必須認(rèn)清“安全、可靠”是“將火箭產(chǎn)品運(yùn)抵發(fā)射場”任務(wù)的核心質(zhì)量要求。

b）在多年論證基礎(chǔ)上，制定運(yùn)輸組織方案。

依據(jù)多年論證結(jié)果，在現(xiàn)有車、船、設(shè)備和人員等已有技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行流程規(guī)劃，制定滿足當(dāng)前任務(wù)需求的運(yùn)輸組織方案。

c）運(yùn)用系統(tǒng)工程觀點，進(jìn)行總體方案的創(chuàng)新優(yōu)化。

航天系統(tǒng)工程管理實現(xiàn)了“1+1＞2”的管理效果。由于航天型號系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多，因此航天型號優(yōu)化工作比較困難。航天系統(tǒng)工程優(yōu)化的基本方法是以整體的觀點來分解和協(xié)調(diào)[1]。

在流程規(guī)劃的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，將火箭運(yùn)輸作為整體項目考慮，爭取整體最優(yōu)為目標(biāo)。通過分析全流程中各個子項目之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以及各子項目與其保障條件的關(guān)系，實施局部創(chuàng)新引發(fā)整體優(yōu)化，尋求運(yùn)輸方案效率提高、費(fèi)用降低、可靠性提升。

2 運(yùn)輸總體方案

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)的建立

長征五號運(yùn)載火箭陸-海聯(lián)運(yùn)過程包括“火箭產(chǎn)品前往海南發(fā)射場”和“空集裝箱返回天津”（以下簡稱“進(jìn)場”和“撤場”）兩大部分，每一部分均包括天津地區(qū)公路超限運(yùn)輸、天津-海南海上運(yùn)輸和海南地區(qū)公路超限運(yùn)輸，其中進(jìn)場為正序，撤場為逆序，圍繞這3個階段還包括特種集裝箱裝／卸車、特種集裝箱裝／卸船、產(chǎn)品進(jìn)／出箱，以及其他準(zhǔn)備性工作等。

2014年，火箭運(yùn)輸總體技術(shù)方案論證詳細(xì)介紹了運(yùn)輸基本步驟、產(chǎn)品及隨運(yùn)保障設(shè)備組成、船舶配載、貯存環(huán)境和保障需求、特種公路運(yùn)輸車和運(yùn)輸船、吊裝設(shè)備和工具配套等，在初樣設(shè)計階段，為運(yùn)輸方案制定提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)輸總體方案的制定

通過對技術(shù)性方案的研究，按照“進(jìn)場”和“撤場”分別在火箭發(fā)射前后進(jìn)行的模式制定運(yùn)輸總體方案，進(jìn)行運(yùn)輸流程規(guī)劃。

兩艘運(yùn)輸船從天津前往海南完成產(chǎn)品進(jìn)場運(yùn)輸后，即離開海南。卸船完成，運(yùn)往海南發(fā)射場；在海南發(fā)射場內(nèi)，產(chǎn)品從特種集裝箱卸出后，使用2臺200 t以上級別的吊車，將空集裝箱從公路運(yùn)輸車上吊至地面停放；待火箭發(fā)射任務(wù)完成后，在海南發(fā)射場內(nèi)將空置的特種集裝箱重新吊裝上公路運(yùn)輸車；兩艘運(yùn)輸船再次前往海南，待到達(dá)海南后，裝載集裝箱返回天津。

圖2為“進(jìn)場”和“撤場”分別在火箭發(fā)射前后進(jìn)行模式的運(yùn)輸流程，該流程特點是：

圖2 “進(jìn)場”和“撤場”分別在火箭發(fā)射前后進(jìn)行模式的運(yùn)輸流程 Fig.2 The Transportation Process of the Mode of "Entering" and "Withdrawing" Shall be Conducted before and after the Rocket Launch Respectively

a）“進(jìn)場”和“撤場”分別在火箭發(fā)射前后進(jìn)行；

b）每次任務(wù)包括2次天津—海南之間的海上往返運(yùn)輸，共計4個船次；

c）4個裝卸船過程中，每個均包括3次公路往返超限運(yùn)輸。

3 運(yùn)輸組織方案的創(chuàng)新

長征五號運(yùn)載火箭貨物體積巨大、運(yùn)輸周期較長、橫跨地域繁多以及安全要求高。在實踐過程中，通過技術(shù)和管理的局部創(chuàng)新，實現(xiàn)了整體運(yùn)輸方案的大幅優(yōu)化。

a）改裝2件特種集裝箱，實現(xiàn)公路超限運(yùn)輸流程優(yōu)化。

特種集裝箱公路超限運(yùn)輸當(dāng)日，需要動員數(shù)以百計的大件運(yùn)輸專業(yè)保障人員、維持交通秩序的警力和執(zhí)行沿途清障的相關(guān)公共設(shè)施管理部門人員；車隊不僅需封路行駛，部分路段還需逆向行駛；單程30 km的路程需耗時2 h，每天最多完成1個往返。因此，公路超限運(yùn)輸實施復(fù)雜且代價高昂。長征五號運(yùn)載火箭使用的10件超大型特種集裝箱分別裝載于2艘運(yùn)輸船（第1艘船裝載4件、第2艘船裝載6件），僅配備8輛公路運(yùn)輸拖車和4輛牽引車，有2件集裝箱必須與其他集裝箱共用1輛拖車。因此，第2艘船裝載時，必須進(jìn)行2次公路超限運(yùn)輸，即完成第1批4件集裝箱裝船后，公路運(yùn)輸車裝載第2批2件集裝箱，然后進(jìn)行第2批2件集裝箱裝船，過程持續(xù)3天。

通過研究產(chǎn)品特征發(fā)現(xiàn)，第2艘船裝載的特種集裝箱中，有2件為寬度較大、但高度接近標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的扁箱型，有可能用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱拖車裝載。于是，確定通過對箱底接口進(jìn)行改裝，可與標(biāo)準(zhǔn)集裝箱拖車相連，且裝載后行駛穩(wěn)定性符合安全要求，使上述2箱徹底擺脫了對特種運(yùn)輸車的依賴，實現(xiàn)了同其他4件產(chǎn)品箱通過同一次公路超限運(yùn)輸完成碼頭裝卸，如圖3所示。

圖3 特種集裝箱使用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱拖車裝載 Fig.3 Special Containers are Loaded with Standard Container Trailers

此項裝載方案優(yōu)化引起的流程變化見圖4。虛線框內(nèi)工作過程由3天減少為1天，使天津和海南公路超限往返運(yùn)輸次數(shù)由6次減少為4次，減輕了兩地超限運(yùn)輸保障負(fù)擔(dān)，極大提高了工作效率，節(jié)約了費(fèi)用。

圖4 裝載方案優(yōu)化引起的流程變化前后對比 Fig.4 Comparison of before and after Process Changes Caused by Loading Scheme Optimization

b）放棄“進(jìn)場”和“撤場”在火箭發(fā)射前后分別進(jìn)行模式，構(gòu)建“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式運(yùn)輸總體方案見圖5。

圖5 “去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式運(yùn)輸總體方案 Fig.5 The Overall Transportation Scheme of the Departure and Return Continuous Mode

在實現(xiàn)公路超限運(yùn)輸流程優(yōu)化，減少超限運(yùn)輸次數(shù)的基礎(chǔ)上，在執(zhí)行3次運(yùn)輸任務(wù)后，發(fā)現(xiàn)按既定方案規(guī)劃的流程存在巨大的改進(jìn)潛力：a）兩次海上運(yùn)輸造成整體流程時間較長，平均每個來回約28天，總計約56天時間；b）在海南發(fā)射場需進(jìn)行產(chǎn)品特種集裝箱的吊下（需2天）／吊上（需3天）運(yùn)輸車各1次作業(yè)，操作困難且危險性大的工作時間較長；c）火箭發(fā)射結(jié)束后，需大量人員滯留在發(fā)射場10天左右執(zhí)行撤場裝船，人力資源占用嚴(yán)重，尤其當(dāng)發(fā)射密集程度提高后，影響更加顯著。

經(jīng)研究，確定對后續(xù)流程進(jìn)行重新構(gòu)建：a）兩運(yùn)輸船在海南完成產(chǎn)品進(jìn)場運(yùn)輸后不再離開海南，改為原地停泊，等待空箱裝船返回天津；b）卸船完成后，在發(fā)射場內(nèi)，火箭產(chǎn)品從特種集裝箱卸出后，空箱不再卸車，而是直接返回碼頭裝船；c）隨船前往發(fā)射場的設(shè)備集裝箱，改為發(fā)射結(jié)束后由公路運(yùn)返天津；即， 由產(chǎn)品“進(jìn)場”和空箱“撤場” 在火箭發(fā)射任務(wù)前后分別進(jìn)行的模式，改為“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行的模式。

該流程特點是：a）運(yùn)輸整體流程從56天減少到 42天，兩艘運(yùn)輸船每次任務(wù)由4船次改為2船次；2b）完全取消海南發(fā)射場內(nèi)使用大型吊車將特種集裝箱吊 下／吊上運(yùn)輸車的操作，減少了危險作業(yè)過程，提高了運(yùn)輸整體安全性；c）發(fā)射任務(wù)完成后，人員可立即離開發(fā)射場，大大減少了人員占用；d）海南無需卸載貯箱充氣和壓力監(jiān)測氣瓶組，取消了海南地區(qū)4次壓力容器類特殊貨物裝卸船和公路運(yùn)輸需求；e）兩運(yùn)輸船一次性完成全部工作，減少了海運(yùn)時間，其他時間可安排維修、培訓(xùn)或其他運(yùn)輸任務(wù)，大大提高了船舶調(diào)遣靈活性，降低了成本[2]。

4 運(yùn)輸模式優(yōu)化的效果

2015年8月至9月，長征五號運(yùn)載火箭產(chǎn)品首次采用陸-海聯(lián)運(yùn)模式，由天津火箭制造基地成功運(yùn)往海南發(fā)射場。

2019年9月，長征五號運(yùn)載火箭第4次運(yùn)輸任務(wù)，首次由“進(jìn)場”和“撤場”在發(fā)射前后分別進(jìn)行的流程模式，更改為“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式。

4.1 總體方案最優(yōu)

a）火箭產(chǎn)品的運(yùn)輸組織是系統(tǒng)工程理論運(yùn)用的最佳實踐之一。通過對火箭運(yùn)輸系統(tǒng)的分析以及運(yùn)行實踐，認(rèn)識制約系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸問題，識別對其產(chǎn)生重大影響的要素，再通過裝載方案和運(yùn)輸流程等方面的創(chuàng)新，使得運(yùn)輸組織總體方案產(chǎn)生趨向最優(yōu)，火箭運(yùn)輸系統(tǒng)整體效率提升、費(fèi)用降低。

b）在運(yùn)輸方案策劃階段，通過對2件特種集裝箱的改造，擺脫對特種運(yùn)輸車的依賴，兩地公路超限運(yùn)輸次數(shù)減少三分之一，大大降低了公路運(yùn)輸效率和保障費(fèi)用，同時減少了碼頭占用時間，提高了運(yùn)輸整體安全性。

c）數(shù)次運(yùn)輸實踐后，通過將運(yùn)輸流程由“進(jìn)場”和“撤場”在發(fā)射前后分別進(jìn)行模式，更改為“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式的創(chuàng)新，使整體任務(wù)完成時間由的56天減少到42天，人力物力消耗隨之大幅降低，顯著提高了任務(wù)總體效率。

4.2 實現(xiàn)降本增效

長征五號運(yùn)載火箭陸-海聯(lián)運(yùn)模式是中國火箭運(yùn)輸方式的首創(chuàng)，之前不存在的類似模式作為比較基礎(chǔ)。采用成本-效益分析，通過運(yùn)輸組織方案創(chuàng)新，實現(xiàn)了降本增效的經(jīng)濟(jì)效果[3]。

a）由“進(jìn)場”和“撤場”在發(fā)射任務(wù)前后分別進(jìn)行模式，調(diào)整為“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式，減少運(yùn)輸船航次，減少任務(wù)時間。

運(yùn)輸模式調(diào)整后，專用運(yùn)輸船任務(wù)路線由“母港—天津—海南—母港—海南—天津—母港”，調(diào)整為“母港—天津—海南—天津—母港”。運(yùn)輸船每次任務(wù)總里程減少約25%；母港和海南各減少一次進(jìn)港；總出海時間減少14 天。運(yùn)輸船費(fèi)用較調(diào)整前共計減少約25%支出。

在海南直接參與裝卸人員約50人，每次任務(wù)減少產(chǎn)品裝卸時間10天，人員費(fèi)用支出得以降低。

b）裝卸機(jī)械方面，產(chǎn)品集裝箱不用再吊下再吊上運(yùn)輸車，減少了2輛200噸級別大型吊車的費(fèi)用支出；任務(wù)結(jié)束后安排7輛標(biāo)準(zhǔn)拖車運(yùn)輸14件6.1 m標(biāo)準(zhǔn)集裝箱由海南返回天津，增加了公路運(yùn)輸費(fèi)用。

單次發(fā)射運(yùn)輸任務(wù)中，運(yùn)輸船、裝卸人員、裝卸機(jī)械等費(fèi)用合計減少約280萬元直接支出。

單次運(yùn)輸任務(wù)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為360萬元。以2020年為例，年度3次發(fā)射任務(wù)，由此產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1080萬元。

長征五號運(yùn)載火箭作為中國新一代運(yùn)載火箭的領(lǐng)軍型號，后續(xù)發(fā)射任務(wù)需求逐年遞增，經(jīng)濟(jì)效益將更加顯現(xiàn)[4,5]。

5 結(jié)束語

從2015年8月至今，長征五號運(yùn)載火箭共計完成9次火箭產(chǎn)品運(yùn)輸任務(wù)，其中，最初3次采取“進(jìn)場”和“撤場”在發(fā)射前后分別進(jìn)行模式，每次4船次，總周期約56天；后續(xù)，調(diào)整為“去程”和“返程”連續(xù)進(jìn)行模式，每次2船次，總周期約42天，每次均做到按計劃、安全將火箭產(chǎn)品送至發(fā)射場，以及將空集裝箱運(yùn)返天津，確保了“將火箭產(chǎn)品安全、可靠運(yùn)抵發(fā)射場”核心目的的實現(xiàn)。

先進(jìn)技術(shù)的實現(xiàn)，離不開先進(jìn)管理理念和方法的配合，正是應(yīng)長征五號運(yùn)載火箭研制而創(chuàng)建的火箭運(yùn)輸組織方案，同樣實現(xiàn)了從無到有的跨越，圓滿完成了對新一代運(yùn)載火箭運(yùn)輸任務(wù)的保障，為中國航天科技水平躍升至新的高度做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。