重型火箭“三平”模式水平對接、組裝及轉載技術探討

白文龍，賈學軍，吳新躍，王 南

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

運載火箭的測發模式決定了完成發射任務采用的技術和設備，以及何種的工藝流程實施火箭的測試和發射操作。目前，水平組裝、水平測試、水平運輸的“三平”模式及垂直組裝、垂直測試、垂直運輸的“三垂模式”為國內外應用最廣泛的兩種測發模式。

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

本文從發射支持系統出發，針對帶助推器的重型火箭水平對接、組裝及轉載技術進行分析、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、組裝及轉載方式介紹

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

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

2 水平對接、組裝、轉載技術分析

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

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

2.1 方案1—分級對接、分級轉載

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

該方案的特點是各級箭體吊裝難度小，箭體受力情況較好，但要求轉運車多組支撐具有滿足箭體停放、滾轉、升降、橫移、進退等多軸姿態調整功能[3]。同時，要求多組箭體支撐停放裝置具備升降、橫移、滾轉、進退等姿態調整要求，尤其2組助推器的停放設備還應具備橫向行走能力，為區別表示將其稱為“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”。

吊裝設備應盡可能通用化設計，通過各級箭體吊點的合理設計，可以實現一套吊具滿足所有箭體模塊及組合體的吊裝工作。

在箭體結構設計時，支撐位置與吊裝位置應盡可能統一協調，以減少箭體結構加強區數量，降低箭體重量。

此方案需配套的設備及功能如表1所示。

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

表1 方案1產品及功能配套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運車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運車Fig.6 Swing Combination of Stage II-III to Transferred Vehicle

圖7 星罩組合體吊裝至轉運車Fig.7 Swing Combination of Satellite-fairing to Transferred Vehicle

圖8 轉運車切換至支撐轉運狀態Fig.8 Transfferred Vehicle Prepared to Transfer Launch Vehicle

2.2 方案2—分級對接、整體轉載

分級對接、整體轉載指火箭各級箭體依次完成連接組裝后，整體吊裝至轉運車上，其流程見圖9～14。首先將芯一級、級間段及 4個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運車。

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

另外，更多的箭體支撐停放裝置需具備升降、橫移、滾轉等姿態調整能力，且支撐下方 2個助推器的停放對接設備還應具備橫向移動能力[4]；優點是轉運車支撐數量減少，且功能要求降低，無需進退、滾轉調節功能。

其中，當芯三級組裝完畢后，也可以選擇將全箭吊裝至轉運車后，再單獨吊裝星罩組合體至轉運車與全箭完成組裝，這在一定程度上可以降低吊裝難度及箭體強度要求，但難有本質改變。

此方案需配套的設備及功能如表2所示。

表2 方案2產品及功能配套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運車 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運車上進行組裝的方案，其流程如圖 15～19所示。首先將下方的 2個助推器吊裝至轉運車支撐托座上，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運車完成對接、組裝。

與方案1相比，該方案的特點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；但轉運車支撐1、2需增加滾轉調整功能。

與方案2相比，該方案的特點是簡化了地面支撐停放裝置的功能，吊裝方案為常規的雙鉤吊裝，但轉運車需增加支撐數量及多自由度調整功能需求。

此方案需配套的設備及功能如表3所示。

表3 方案3產品及功能配套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運車進行組裝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運車Fig.18 Swing Combination of Stage II-III to Transferred Vehicle

圖19 星罩組合體吊裝至轉運車完成對接、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，轉運車各支點功能要求最簡單，但箭體停放支撐裝置功能要求增加，更關鍵的是方案2需要星箭組合體（或全箭）采用整體吊裝形式，整體吊裝質量約500 t，星箭組合體總長約100 m（全箭總長約74 m，質量為400 t），若采用雙鉤吊裝，則對箭體結構強度要求非常高，而采用多點吊裝方式，勢必導致吊裝難度的增加，若吊裝同步性較差，則各吊點載荷不均衡，對箭體結構受力同樣會帶來不利的影響，因此該方案對箭體結構強度設計不利，會大幅增加箭體重量，犧牲運載能力。因此俄羅斯各型號普遍采用的方案2并不適用于重型運載。

表4 箭體水平對接、組裝、轉載技術方案對比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）停放狀態位于平臺上，無需在地面上配套相應設備及功能，且助推級停放對接裝置功能要求更簡單，作為補償，需要在轉運車第1、第2組支撐裝置上增加滾轉調整功能，以方便一級與助推連接時的姿態調整；另外，方案3對廠房吊車噸位要求較低，綜合比較，方案3更有優勢。

綜合上述論證，重型運載若采用“三平”模式，建議依據方案3開展箭體水平對接、組裝及轉載技術方案設計。

3 結 論

從發射支持系統角度出發，通過對“三平”模式下重型火箭的水平對接、組裝及轉載技術進行論證，提出了3種可行方案，其中方案3需要的產品配套和功能需求相對更為合理，建議作為優選方案。同時針對該模式下箭體的結構設計及地面設備設計提出了總體性建議，有利于箭體結構及技術廠房內地面設備的總體設計，為重型運載火箭測發模式論證提供借鑒與參考。

在進行基于“三平”模式的重型運載總體設計時，建議針對以下方面進行針對性設計。

a）箭體結構加強區布局統一：在進行箭體結構設計時，綜合考慮吊裝及支承要求，實現加強區域的統一，從而使加強區域最少化，降低箭體重量；

b）箭體吊裝方案統型：在總體設計階段，將各級箭體吊裝方案進行統一，將其吊點間距統一或系列化，使一套箭體吊具即可實現各級箭體模塊及組合體的水平起吊，從而優化吊裝流程、簡化吊具配套及使用方案；

c）箭體支撐方案統型：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備進行功能統型及通用化、系列化設計，降低地面停放對接設備功能及配套方案復雜度。