固體火箭應急發射任務規劃及發射流程研究*

張道昶，樊忠澤

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉,732750)

0 引言

“快速響應空間”(operationally responsive space,ORS)[1-2]是航天體系建設與應用的新概念，突破了傳統空間系統的長壽命、全功能、高造價設計理念，以快速應對突發戰爭和處理突發危機為目標，具有短周期、主功能、低成本的特點，響應時間成為第一標準，即衛星發射需求提出后幾個小時內完成發射準備、入軌幾個小時甚至十幾分鐘內投入應用。

以美國為代表的航天強國正在積極發展以小衛星、小運載等為主的快速響應空間技術，旨在提高對突發事件的快速響應能力[3-5]。美國通過“戰術星”試驗，探索了快速響應航天器的關鍵技術，實現了按需發射和快速響應的目標，正常運行狀態下能夠在24 h內對全球性突發事件做出響應。國外快速響應運載器已有多種型號，涵蓋多種發射方式，可在數天至數小時內快速將有效載荷送入空間，呈現出固體化、小型化趨勢[6]。

我國地理環境復雜，自然災害頻發，隨著經濟快速發展，大型事故影響日益嚴重，海外利益訴求逐年增多，需關注的熱點地區沖突逐步加劇，我空間系統可能受損重構，各種突發事件均需要航天器能夠及時提供對地觀測、區域通信、導航定位等功能，對航天器快速進入空間能力提出迫切要求[7-11]。

固體運載火箭具有簡單可靠、便于運輸與貯存、維護試驗方便等特點，具備快速準備與機動發射能力，是實現快速進入空間的有效手段[12-14]。本文討論了基于貯存的固體火箭發射任務模式，研究了貯存管理機制、任務規劃、發射流程等關鍵問題，為實現固體火箭應急發射、建設空間快速響應能力提供參考。

1 基于貯存的應急發射任務模式

應急發射對時效性要求極高，可通過響應時間來衡量，即從接到任務請求到為用戶提供所需空間信息服務的時間。根據文獻[15]，可將應急發射的響應時間要求分為5個等級。應急發射響應等級、響應時間要求及可能的響應模式之間的對應關系見表1。

從表1可知，貯存是提高應急發射響應等級的必要手段。

依據貯存狀態和響應時間，固體火箭貯存發射任務模式可分為3級。

(1) 待發值班模式

該模式的狀態基線是星箭對接完畢且已轉載上發射車，在發射陣地附近隱蔽待機。該模式下，星箭處于待發狀態，可以在1 h內完成發射。

(2) 整體貯存模式

該模式的狀態基線是星箭分別裝配完畢，狀態保持良好。該模式下，接到發射任務后，進行衛星扣整流罩、星箭對接、測試、轉載等快速集成工作，之后機動待機，可以在1～24 h內完成發射。

(3) 分段貯存模式

該模式的狀態基線是火箭各級處于分離狀態，衛星平臺與載荷分別貯存。該模式下，接到發射任務后，衛星、火箭進行總裝、測試、快速集成工作，之后機動待機，可以在1～7 d內完成發射。

表1 應急發射響應等級、響應時間要求及可能的響應模式Table 1 Emergency response levels,response time requirements and possible response modes

2 基于目標的應急發射任務規劃

2.1 任務規劃內容及工作流程

基于目標的應急發射任務規劃是在給定任務背景下，實現任務目標籌劃、衛星軌道規劃、發射任務編組、發射方案生成和任務計劃生成等功能，為應急發射各級指揮決策人員提供支持。

(1) 任務目標籌劃

針對災害監測、應急救援、利益訴求等突發事件的空間區域信息支援任務，以任務意圖、現有空間系統實力、情報數據為輸入，開展應急發射態勢研判、分析，基于目標多屬性信息進行綜合測算排序，明確探測目標區域。

(2) 衛星軌道規劃

以衛星性能參數和目標區域為輸入，進行衛星選型，開展衛星軌道計算，基于特定規則按型號維度確定各型號衛星對于探測目標區域的軌道優選方案排序，提供偵察目標區域的衛星星座及軌道參數遴選決策建議。

(3) 發射任務編組

統籌當前貯存裝備情況、參試隊伍能力及部署情況，確定火箭型號，開展衛星入軌可行性檢查、空間碎片碰撞概率計算，劃分可行空域區塊，確定衛星星座組網及軌道方案及火箭發射陣地組合形成發射任務編組。

(4) 發射方案優化

根據發射任務編組，進行彈道規劃，生成火箭彈道參數(諸元起算數據)，開展測控方案籌劃、發射車機動籌劃和保障方案籌劃，生成發射方案。根據衛星星座部署計劃及火箭發射能力進行波次發射計劃分解，生成火箭發射卡片。

(5) 任務計劃生成

根據火箭發射卡片進行參試隊伍行動籌劃，明確隊伍部署，確定各衛星發射間隔，根據碰撞預警約束和技發陣地交通約束等籌劃隊伍行動計劃，基于發射計劃和衛星在軌運行計劃規劃保障資源及指導建議。同時開展火箭準備籌劃，對火箭下級對接、裝填轉運、整裝測試等進行時序規劃。形成諸元數據、隊伍行動時序，發射車機動路線和測控設備部署要求。

任務規劃典型工作流程如圖1所示。

2.2 彈道規劃

應急發射任務規劃的難點在于固體火箭彈道規劃問題，固體火箭由于自身的特點，其彈道設計方法無法繼承液體火箭和導彈的彈道設計方法。首先，固體火箭各級固體發動機一般采用耗盡關機，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機時間實現不同任務模式下的彈道設計方法無法直接應用。其次，有效載荷入軌需要同時滿足多個軌道參數約束，固體戰略導彈以落點為單一終端約束的設計方法亦不適用。

2.2.1 彈道規劃難點

固體火箭彈道規劃主要有以下難點：

(1) 約束條件復雜

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，降交點地方時影響發射時間；軌道傾角影響發射點；軌道高度受限于運載能力；偏心率影響入軌點選擇，對于圓軌道可以任意點入軌，橢圓軌道需選擇近地點入軌，而轉移軌道能節省能量，但約束問題更復雜且需要發動機多次關機與點火，只有末級采用液體推進的火箭可以采用。中間約束條件包括飛行過程動壓、過載、測控等約束條件。同時，固體運載火箭的級數較多，彈道設計變量多，設計變量之間相互制約，耦合性強，故其彈道規劃優化成為一類復雜的非線性問題，存在多個等式約束和不等式約束，約束條件和目標函數之間無法用明確的解析表達式表示，傳統的優化算法無法最大程度上尋找到其最優解。

(2) 彈道設計能量管理難

能量管理是指在發動機工作過程中對發動機輸出的能量實時有效的控制和使用，最終實現入軌要求的能量消耗策略。對于未達到運載能力極限的發射任務，均需進行能量管理，才能保證最終的入軌精度。以長征-11固體火箭為例，若三級制導律僅以三級耗盡點位置為約束，不進行能量管理，僅依靠四級動力飛行段很難實現大跨度的能量管理，因此必須從三級動力飛行段就開始實施大跨度的能量管理，消耗多余能量，滿足衛星入軌要求。

(3) 諸元迭代周期長

由于優化算法很難找到最優解，需要在標準彈道設計完成后，需要人工不斷調整參數，通過不斷迭代獲取快舟系統諸元參數，這一迭代過程具有不確定性。

2.2.2 彈道規劃約束條件

彈道規劃的約束條件主要包括：

(1) 任務需求

同一型運載火箭，相同的有效載荷，根據不同的任務需求，將規劃出不同的彈道。包括入軌時間、軌道類型、星座組成、載荷類型等。

(2) 運載火箭本身性能

包括火箭的運載能力、制導方式、動壓約束、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計的要求

包括有效載荷質量、有效載荷軌道要求、有效載荷入軌姿態要求等。

(4) 地面測控約束以及航落區安全性要求等。

2.2.3 彈道規劃工作流程

彈道規劃的基本工作流程如圖2所示。為滿足應急發射響應時間要求，可針對給定任務，預先進行海量彈道規劃，并將結果存入數據庫。在接到任務后，選取近似規劃結果，以終端約束變化為目標進行外推，再進行彈道計算驗證，可以大大提高彈道規劃時效性。

3 固體火箭應急發射流程

固體火箭可采用陸基、海基和空基發射，以陸基發射為例，發射方式一般有2種，一種是熱發射，火箭吊裝在發射車起豎支架上，發射時火箭起豎，坐落在隨車發射臺上，直接點火發射；另一種是冷發射，即火箭裝填在發射筒內隨發射車機動，發射時發射筒起豎，火箭彈射出筒，空中點火。

3.1 典型熱發射火箭應急發射流程

典型熱發射固體火箭應急發射流程如圖3所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段主要工作包括：火箭系統總檢查測試、火箭轉移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉移至測試廳、星箭聯合檢查、轉載上發射車。快速集成工作一般可在9 h內完成。

(2) 機動待機階段

機動待機階段主要工作是：機動編組、機動行進、預定點待命、設備檢測。為避免意外突防事件影響發射時間，通常會提前到達發射點或其附近待命。

(3) 應急發射階段

應急發射階段的主要工作是：狀態準備、射前檢查、衛星測試、起豎、瞄準、諸元裝訂、點火起飛。應急發射一般可在4 h內完成；若不進行衛星測試，可在2 h內完成；若采用自主定位定向技術，可在1 h內完成。

3.2 典型冷發射火箭應急發射流程

典型冷發射固體火箭應急發射流程如圖4所示。

(1) 快速集成階段

快速集成階段的主要工作包括：火箭系統總檢查測試、火箭轉移至裝填廳、火箭裝填進發射筒、初容室總裝(即彈射動力裝置總裝)、火箭轉移至星箭對接廳、星箭對接、扣整流罩、星箭組合體轉移至測試廳、星箭聯合檢查、轉載上發射車。快速集成工作一般可在12 h內完成。

(2) 機動待機階段

機動待機階段主要工作與熱發射固體火箭基本相同。

(3) 應急發射階段

應急發射階段的主要工作是：狀態準備、射前檢查、衛星測試、瞄準、諸元裝訂、起豎、點火彈射、空中點火飛行。應急發射一般可在4 h內完成；若不進行衛星測試，可在2 h內完成；若采用自主定位定向技術，可在1 h內完成。

4 應急發射任務效果評估

由于航天發射的高成本、低庫存、要求高等特殊性，快速評估航天應急發射的一個重要環節。為實現應急發射任務的快速效果評估，需建立自動化快速評估系統，該系統能夠實時收集各項參數數據，通過多種評估方法，必要的情況下參考內設數據庫，快速有效完成對評估結果的分析、整理，生產評估報告。

自動化快速評估系統的工作流程如圖5所示。

(1) 指標選取

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

(2) 構造指標體系

為指標設定層級并建立指標間的依賴關系，并對不宜直接度量的指標進行分解。最終建立起由效能指標和性能指標構成的指標體系。

(3) 創建評估方案

評估方案是對同一類型的評估對象進行評估的依據。評估方案由指標體系和各個指標的單一評估方案組成。每個指標的單一評估方案是一個由輸入指標、輸出指標、樣本數據、各類評估方法組成的計算流程。

(4) 選取/創建評估算法

評估算法庫提供AHP，模糊綜合評估法，灰色白化權函數聚類，TOPSIS，DEA，ADC等典型評估算法。創建評估流程時可以從系統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種方式對現有評估方法庫進行擴展，構造出滿足需求的評估方法。

(5) 評估數據采集與處理

評估樣本數據包括測試數據，地基測控數據，天基測控數據，并可與Oracle，SQLServer，MySQL，MongoDB等多種數據庫適配。

(6) 創建評估任務

評估任務是在已建立評估方案的基礎上，針對若干明確的評估對象進行的一次具體評估活動。評估任務使用的數據來自數據預處理模塊從各數據源獲得的數據。

(7) 執行評估任務

按照評估方案自底向上逐層計算，獲得指標體系中所有指標關于每一個評估對象的評估結果。

(8) 查看評估結果

在評估任務正確執行后，能夠通過多種可視化手段，查看各評估對象各指標的評估結果。

(9) 生成評估報告

評估報告中包含指標體系、評估方案、評估結果等信息。評估報告采用文字、圖表顯示各類信息。

5 結束語

針對災害監測、熱點沖突監視、區域信息增強、空間系統補網重構等突發事件的空間需求，對固體運載火箭和衛星進行值班貯存，基于綜合成本評估對貯存產品實行滾動更替，并通過貯存環境控制和健康管理確保火箭衛星狀態完好，可以實現成本最優。接到發射任務后，進行任務規劃，并按照應急發射流程組織實施應急發射并確保衛星入軌，能夠及時為突發事件提供空間信息支援。