航天飛機地面返場操作技術研究

康開華

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航天飛機地面返場操作技術研究

康開華

（北京航天長征科技信息研究所，北京 100076）

介紹了航天飛機最初設計的返場操作方案和服役后實際執行的返場操作，詳細介紹了軌道器從著陸于跑道到軌道器處理廠房，而后再次運抵發射臺，直至在發射前所執行的地面維護操作。基于航天飛機的返場操作，提出未來研制天地往返可重復使用運載器在地面維護操作方面的建議。

軌道器；外貯箱；固體助推器；地面維護；返場操作

1 引言

美國國家航空航天局（NASA）研制的航天飛機是世界上第一種往返于地面和宇宙空間的部分重復使用的航天運載器。它在發射場垂直起飛，上升過程中拋擲工作完畢的固體助推器殼體和外貯箱。助推器在海上回收、整修后供再次使用，外貯箱不回收。軌道器執行任務后再入返回，水平著陸。原設計軌道器的維護周期為160h，即2周后便可執行下一次任務。然而航天飛機的一大突出弊端便是維護操作時間過長（最少4個月），成本過高（2000年后每次發射的檢測和維護費用都在5億美元以上），遠遠達不到美國當初設計航天飛機時所設想的大幅度降低發射成本以取代一次性使用運載器的目的。挑戰者號和哥倫比亞號航天飛機的重大事故均與返回后地面維護操作失誤有關，因而航天飛機退役后，世界各航天強國在開展重復使用航天運載器研制時，便將重復使用運載器的地面維護操作視為是重要的研究課題，在運載器方案設計之初就予以高度重視。

2 航天飛機設計的地面返場操作

圖1 軌道器地面返場操作

航天飛機系統設計的返場為從軌道器著陸到執行下一次任務起飛，返場時間為14d。基于2班、一周5d的工作日，執行地面操作將在160h的工作時間以內。圖1示出了軌道器、外貯箱、固體助推器的地面返場操作及其地面系統間的相互關系。航天飛機采用了“航空公司”返場操作的基本方法[1]。

2.1 返場操作方案

圖2 返場各操作階段和位置

基于泛美世界航空公司（PAA）的分析，航天飛機的地面維護操作劃分為9個階段。圖2示出了各維護階段及其操作位置。

在PAA的分析中，將操作階段分為2大類：階段I、II、V、VI、VII、VIII和IX階段認定為是地面操作階段，III和IV為維護階段。

2.2 返場操作階段

為了分析返場操作，將第三階段（飛行后維護）和第四階段（維護完成）整合。雖然第九階段與航天飛機的地面維護沒有直接的聯系，但它仍包含在返場周期分析中，因為需要分析本次任務對發射臺的影響是否會對下一次發射任務造成影響。表1和表2列出了返場操作的各階段和每一階段需要完成的任務，以及完成任務的時間。表2還列出了完成任務所需的人工時間[2]。

表1 返場周期（地面操作）

表2 返場周期維護（第三階段——飛行后維護和第四階段——維護完成）

由于航天飛機兼具飛機和航天運載器二者的特征，因而NASA研制了返場所需的專用設備，并將它們應用于航天飛機地面維護的各階段。在返場分析中，軌道器返場操作用時146.4h。該數據包含了預期的非例行的維護操作時間，不包括軌道器執行較大的維修操作，但可執行組件級的維修操作。

3 航天飛機實際的返場操作

作為航天飛機的主著陸場和發射場，肯尼迪航天中心（KSC）承擔了航天飛機大部分的發射和返場任務，擁有軌道器著陸跑道、軌道器處理廠房（OPF）、固體助推器處理廠房、飛行器總裝廠房（VAB）、發射臺39A和39B，有效載荷處理廠房和自燃推進劑處理廠房等完備的航天飛機系統地面操作設施[3]。

3.1 著陸跑道操作

軌道器著陸后，安全評估小組利用監測器獲得其周圍的蒸汽等級讀數，測試可能的爆炸或有毒氣體，如氫氣、肼、一甲基肼、二氧化氮或氨氣等。而后執行軌道器的凈化和冷卻操作（如圖3所示）。如果證實無氫氣，操作將繼續執行。如果檢測存在氫氣，航天飛機機組將立刻撤離，工作人員將清理現場，并關閉軌道器的應急電源。

圖3 臍帶連接軌道器執行殘留的爆炸和有毒煙氣的凈化

軌道器的凈化操作通常是在其著陸靜止于跑道上45～60min后開始執行。當確定軌道器所處位置及其周圍處于安全狀態時，機組人員離開軌道器，通常在軌道器著陸1h后執行該項操作。在機組離開軌道器后，軌道器地面冷卻仍在進行時，飛行期間執行軌道器控制的約翰遜航天中心將其所承擔的職責移交給KSC中心。KSC中心的支持人員準備執行軌道器的地面牽引操作，牽引操作通常在軌道器著陸4h內執行，并于6h內完成。

3.2 軌道器處理廠房（OPF）操作

OPF的結構設計類似于復雜的飛機庫，圖4示出了牽引進入OPF中的軌道器。在此軌道器將執行多項飛行后修整和維護操作（其間將拆卸有效載荷和安裝下一次任務所需的設備），檢驗和維護步驟包括：

a. 凈化軌道器的主發動機，去除液氫和液氧燃燒生成的水氣；

b. 打開有效載荷艙門并安裝檢修裝置，以支持有效載荷操作并確保操作安全；

c. 排空燃料電池低溫貯箱中的剩余反應物，環境控制和生命支持系統排出高壓氣體；

d. 軌道器卸載不可儲存的消耗品并清除廢品。排空飲用水系統、向蒸發器噴水并拆除過濾器，以及拆卸輔助電源裝置；

e. 拆除發動機的防熱層和后部檢修門，安裝主發動機的框架自鎖和發動機蓋板罩。拆卸3臺發動機用于執行獨立的檢查和維護以準備執行未來的飛行任務；

f. 當需要時，拆卸軌道機動系統（OMS）和反作用控制系統（RCS）吊艙，以及前部RCS，送往KSC中心的自燃物維護廠房執行維護。

圖4 軌道器進入軌道器處理廠房進行處理以執行下一次飛行任務

此外，在OPF廠房內還要執行軌道器的外觀檢查，涉及TPS、選定的結構元件、起落架和其他系統，以確定它們是否在任務執行期間受到損傷。在航天飛機執行下一次任務之前，防熱系統的任何損傷都必須進行修理。軌道器外部約25000塊防熱瓦和防熱氈，以及內部約6000塊熱控氈的大部分維護作業都是在OPF廠房中進行。而在OPF廠房內執行的飛行前例行維護則包括：重新裝配軌道器系統用以執行例行維護、更換部件，并安裝新任務的飛行套件和有效載荷。裝載可消耗的流體和氣體，并維護輔助電源裝置和潤滑系統。OPF廠房內軌道器處理的最后步驟是稱量軌道器的重量，以確定軌道器的重心。軌道器的重心和重量將影響到軌道器的性能，飛行計劃要求精確地測量這2個數據。而后，拆除所有地面支持和檢修設備，在航天飛機總裝廠房內，外貯箱和固體助推器等待與軌道器對接。OPF廠房內的維護時間約為4～5月[4]。

3.3 外貯箱處理操作

外貯箱（ET）的起豎操作在垂直廠房中進行，通過一部橋式吊車，ET從運輸裝置上吊起，安裝在檢驗車間的垂直檢查設備上，檢查ET及其相關硬件是否在運輸和操作期間發生損傷，以及ET的重量。分系統檢查包括3項任務：a.徹底檢查ET的外部和松動硬件，如液氧和液氫管路、排放口和增壓管路，以及松動的SRB和軌道器接口硬件。b.將地面支持設備（GSE）和發射處理系統（LPS）連接至恰當的接口，執行電氣、儀器設備和機械功能檢查，同時執行液氫和液氧臍帶管路泄漏檢查。利用LPS執行電氣、儀器設備、機電接口和功能的檢驗，驗證每個典型分系統的激勵和響應。利用標準的泄漏檢查程序檢驗流體和氣體接口。c.當外貯箱分系統的檢查結果令人滿意，拆卸并存放GSE和LPS設備。外貯箱開始準備出廠。利用橋式吊車，外貯箱垂直起吊，并運至移動發射平臺（MLP），在MLP上外貯箱與SRB在接口點處完成連接。圖5示出了ET在廠房中的維護操作[5]。

圖5 在廠房中執行維護操作的ET

3.4 固體助推器處理操作

圖6 在SRB處理廠房內起吊SRB部段

SRB可采用鐵路或船運的方式從ATK公司的制造廠房運抵KSC的SRB處理廠房。SRB水平運輸，兩端帶有端蓋。每個端蓋上配備有儀器設備，以監測運送過程中的振動載荷、溫度和濕度。SRB部段到達處理廠房后，便利用橋式吊車執行卸載，如圖6所示。隨后將它們放置于止動器或固定裝置上接受檢查。檢查包括全面的外觀顆粒檢查，襯層與隔離層、外部和因船運可能造成的損傷而執行每一部段的全面檢查。前部和后部部段（封閉和噴管組件）將采用類似的方式進行檢查。內部元件，如噴管延伸體、級間段部段、回收部段、頭罩、后裙、電纜管、推力矢量控制（TVC）系統等，將放置于SRB廠房的可控區域內執行功能檢查[6]。

在將SRB轉運至總裝廠房（VAB）前，在SRB廠房內執行分組件的檢查操作，包括電子設備系統安裝與檢查、回收系統安裝、分離發動機安裝，并將后裙連接到SRB的后部段以執行后裙電子設備的安裝與檢驗。安裝、維護TVC系統并執行泄漏檢查。在SRB后部段與后裙組件對接之前，將分離發動機安裝在后裙中。

通過運輸裝置將單個SRB轉運至VAB，SRB一旦運抵VAB，SRB將從運輸裝置上起吊轉運至MLP并完成定位。而后遵循相同的操作序列執行第2枚固體助推器的操作。2枚SRB執行校準檢驗。安裝SRB的電纜管道和電纜并執行電氣設備檢驗。在MLP上，利用發射處理系統（LPS）執行綜合與自動系統測試。圖7示出了SRB在飛行器總裝廠房內的操作。

圖7 SRB在總裝廠房內完成組裝操作

3.5 總裝操作

從OPF廠房，軌道器運抵航天飛機總裝廠房（VAB），其1號間和3號間用于垂直組裝航天飛機。2號間和4號間用于飛行硬件和軌道器的存放。通過250t和175t的吊車，軌道器提升至垂直位置。而后緩慢地下降到正在等待的外貯箱和2個固體助推器的一側，如圖8所示。

圖8 軌道器提升至垂直位置并和外貯箱與固體助推器組合

圖9 航天飛機系統離開總裝廠房去往發射臺

外貯箱和固體助推器已經安裝到移動發射平臺（MLP）上。軌道器開始下降到外貯箱一側，完成軌道器與外貯箱的螺栓連接后，拆除起豎吊索和承載梁，執行總裝和最后的測試，以及接口的電氣和機械檢驗。安裝臍帶火工品裝置[7]（但不通電，直到軌道器運抵發射臺）。6d后完成檢查。履帶式運輸車將移動發射平臺（MLP）和完成組裝的航天飛機系統運往發射臺，如圖9所示。

3.6 發射臺上的最終操作

飛行硬件和地面支持設備快速斷開。有效載荷可在OPF水平裝入軌道器中，但也可在發射臺上垂直裝入其中。有效載荷完成安裝后，軌道器關閉有效載荷艙門，宇航員航天服和其他機組成員的設備在發射臺上執行安裝操作。軌道器的OMS和RCS加注一甲基肼和二氧化氮作為推進劑。至此開始執行最后的發射前準備：

a. 有效載荷完成最后檢驗和測試，封裝并準備執行飛行任務；

b. 發動機組件完成檢驗后，軌道器準備執行飛行任務；

c. 檢查分離使用的火工品裝置，確保飛行中固體助推器與外貯箱分離，以及外貯箱與軌道器分離。

3.7 發射倒計時

發射倒計時始于發射前43h，發射控制人員就位并開始檢查飛行系統和飛行軟件，以及顯示系統。發射前27h，測試航天飛機火工品點火器的控制器。低溫反應物加注到軌道器的燃料電池貯箱中。發射前19h，斷開軌道器中部機身的臍帶裝置。聲抑制系統水箱加注。發射前11h，發射小組完成所有的準備工作，并排除航天飛機的任何故障，解決地面支持設備存在的可能影響到發射操作的問題。如果未遇到問題或延誤，倒計時繼續。軌道器準備啟動燃料電池，并執行外貯箱低溫推進劑加注操作。倒計時的最后時刻包括機組進入軌道器、機艙門關閉、計算機和軟件最后配置、發射小組最后準備查詢、末期時序和發射。

4 航天飛機地面返場操作的啟示

盡管航天飛機已經退役，但作為世界上第一個投入實際使用的天地往返部分可重復使用的運載器，它的研制經驗和深刻教訓仍將是人類探索宇宙、攻克航天技術難關的巨大財富，其在返場操作方面所帶來的啟示有：

a. 航空公司的管理、技術和維護人員應與未來可重復使用航天飛機的制造商持續地保持緊密的合作關系。通過采用航空公司的方法來執行維護操作，將大大降低停機檢修的時間。

b. 從方案階段開始，設計應強調并加強：維護和地面操作與性能同樣重要的認識，并盡早地和持續地關注飛行器的可維護性和分系統設計。

c. 基于相同的基本準則整修組件，消除了一次完成整個飛行器的整修。

d. 通過采用維護機務組的方案可優化維護人力，因此減少續生人工成本。

e. 如果要實現及時維護和維修，就必須安裝機載檢查設備、專用的分系統飛行監測和機載發動機診斷系統。

1 Space shuttle final technical report, volume IX ground turnaround operations and facility requirements[M]. San Diego, California: General Dynamics, 1969

2 Edson W F. Space shuttle ground operations and their relation to mission planning and execution, AIAA-73-600

3 Space shuttle: orbiter procesing-from landing to launch. NASA facts[EB/OL]. [2017-06]. http://spaceresearch.nasa.gov

4 Schwartz R. Overview of STS ground operations/orbiter turnaround STS-1 through STS-7, N85-16926

5 Smith R G. Shuttle ground turnaround and launch projections, AIAA-82

6 Buckley R H. Shuttle ground turnaround operations[EB/OL].[2016-05]. http://commons.erau.edu

7 鄭正路. 可重復使用運載火箭箭體結構檢測及維護方法研究[J]. 航天制造技術，2016(1)：68～70

Shuttle Ground Turnaround Processing Technology

Kang Kaihua

(Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijng 100076)

The original turnaround processing conception and the real operation of shuttle were introduced in the paper. The ground maintenance of orbiter was described in deteails from its landing to relaunching. Based on the turnaround operation of shuttle, the suggestions on ground maintenance were given for the development of the future reusable launch vehicle.

orbiter；external tank；solid rocket boosters；ground maintenance；turnaround operation

康開華（1977），高級工程師，情報研究專業；研究方向：航天運輸技術情報研究。

2017-12-15