空間站工程載人火箭測試發射流程優化分析與研究

容 易，宋 晶，馬建偉，趙 剛

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076； 3. 首都航天機械有限公司，北京，100076）

0 引 言

中國空間站將于2022年前后建成，投入使用后可以進行較大規模的空間實驗活動，這是中國航天“三步走”戰略最重要的目標。CZ-2F運載火箭是中國目前唯一的載人運載火箭，采用“三垂”（垂直總裝、垂直測試、船箭塔組合體垂直運輸）和“遠距離測試發射”的測試發射模式，全箭可靠性高于0.97，航天員安全可靠性為0.997，是航天員進出中國空間站的唯一運載器。

測試發射流程是指規定運載火箭和飛船等航天產品進入發射場參加發射的物流方向（或工藝路線）、關鍵的技術狀態、主要的工作項目及場所、各系統之間及單個項目之間的相互關系和先后次序、時間安排及質量安全控制關鍵節點、大系統之間的聯合操作、發射區的最后工作項目和發射程序，以及安全可靠性保證措施的技術方案，是組織實施航天發射任務的基礎和依據。

1 CZ-2F火箭測試發射流程

CZ-2F火箭的測試發射流程設計使用始于20世紀90年代，應用型發射測試流程根據每次任務的技術狀態變化和新增任務需求進行調整。經過多次無人飛行和載人飛行，測試發射流程的正確性、有效性、適用性得到了充分考核和驗證，保證了歷次發射任務的順利實施，為突破和掌握天地往返和空間出艙載人航天基本技術作出了重大貢獻。空間實驗室階段，根據空間交會對接和空間實驗室任務要求的一些變化，CZ-2F火箭的測試發射流程得到了進一步改進。

進入空間站階段，CZ-2F火箭又面臨新的挑戰。一是發射頻率增加。按照空間站長期有人照料的目標，每年需用CZ-2F火箭發射兩艘神舟飛船，半年執行一次飛行任務，將航天員送入空間站，實現乘員輪換。二是新增應急救援需求。當飛船出現故障不能返回時，應急發射一艘飛船，對航天員進行緊急救援。因此，需按照“發射一發備份一發”及“滾動備份”的發射模式，即第1次發射任務有兩發火箭同時進場，其中一發主份火箭用于執行發射飛船任務，另一發火箭總裝測試完成后封存，用于執行可能的應急救援發射任務。后續任務只需新進場一發火箭，原先執行應急救援發射任務的火箭執行正常發射任務，新進場的火箭執行新的應急救援發射任務，以此往復。

2 CZ-2F火箭測試發射流程優化

CZ-2F單發火箭現行發射場測發流程以火箭工作線為主線，可分為技術區測試階段、船箭塔組合體垂直轉運及發射區測試階段，如表1所示。

表1 CZ-2F單發火箭現行發射場測試發射流程Tab.1 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at the Current Launch Site

按照運載火箭測試發射流程設計的原則，對CZ-2F單發火箭現行發射場測發流程進行優化，主要集中在技術區工作，具體有如下4個方面。

a）簡化發射場單元測試，只保留慣組、天線、電池、火工品發射場單元測試；

b）除慣組、速率陀螺、一級伺服機構、天線、電池和部分火工品外，其余電氣系統單機均裝箭運輸。箭上大部分儀器隨箭運輸已經過CZ-2C、CZ-3A系列運載火箭的多次考核，從實際發射結果看，未出現因隨箭運輸導致的單機和系統問題。因此，儀器安裝、產品交接及分系統測試準備減少1天；

c）第5次總檢查與第1次總檢查狀態相同，且僅間隔2天，其保留的意義已不大，所以擬取消技術區第5次總檢查。因此，火箭系統總檢查減少1天；

d）部分工作內容時間優化，例如：箭體吊裝和氣密性檢查各減少0.5天，火箭火工品測試、安裝，發射區等效器測試減少2天，船箭塔對接、狀態準備減少 1天等。

經過優化后的CZ-2F單發火箭發射場測發流程以火箭工作線為主線，主要對技術區測試工作進行優化，整流罩線和逃逸塔線不占主流程時間，共可減少6天的時間，如表2所示。

表2 優化后的CZ-2F單發火箭發射場測試發射流程Tab.2 Test Launch Process of LM-2F Single Rocket at Launch Site after Optimizing

3 兩發CZ-2F火箭流程優化

空間站階段第1次任務，按照“發射一發備份一發”的模式，根據發射場條件，先后有兩發火箭進場。按照純串行的方式開展工作。空間站第1次任務完成后，后續任務按照“滾動備份”的發射模式，每次任務只需進場一發火箭。新進場的火箭測試完畢后，執行新的應急待命任務。已經在場的火箭測試完畢后執行正常發射任務。

3.1 兩發CZ-2F火箭測試發射流程的兩種模式

新進場的火箭與應急轉正常發射任務火箭的測發流程的“串行”和“并行”模式。

3.1.1 “串行”模式

兩發CZ-2F“串行”測試發射流程的工作模式如圖1所示。

圖1 兩發CZ-2F火箭“串行”測試發射流程Fig.1 Serial Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

執行新的應急待命任務的火箭進場后，先進行箭體恢復及交接、箭體吊裝、分系統測試及匹配、總檢查等工作，安裝部分火工品及應急待命狀態設置。繼而進行執行新的應急待命任務的火箭封存及兩發火箭電纜測試狀態轉換。為保證應急轉正常火箭長期豎立停放后的測試覆蓋性，需進行動力分系統測試（包括：對接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測試等）。由于在前次任務中應急轉正常火箭已經完成了一輪完整的電氣系統測試，因此，轉正常任務火箭只開展各系統功能檢查、匹配測試（減少一次大匹配測試）、總檢查（減少一次總檢查）及安裝剩余火工品等工作。最后船箭塔組合體對接、垂直轉運至發射區，完成發射區測試后，加注、發射。

與優化后的CZ-2F單發火箭發射場測試發射流程相比，兩發CZ-2F火箭“串行”測試發射流程的工作量變化情況為：新進場火箭測試完成后，進行應急待命封存、兩發火箭電纜測試狀態轉換，增加1天；應急轉正常火箭測試前進行狀態檢查及恢復，增加1天；應急轉正常火箭動力分系統測試（包括：對接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測試等工作），增加3天；應急轉正常火箭各系統功能檢查、匹配測試，增加2天；應急轉正常火箭總檢查，增加3天。共計增加10天。

整流罩線工作線與主線工作同時開展，按照先測試轉正常任務的整流罩，完成測試后進合罩桁架，以豎直狀態在加注扣罩間停放，等待扣罩。然后在整流罩準備廳完成新進場整流罩測試工作后，兩個半罩，開口向下，以水平狀態封存于整流罩準備廳。整流罩線工作時間不占主線流程。

逃逸塔線工作與主線工作同時開展，按照先測試轉正常任務的固體發動機，并完成逃逸塔總裝。之后開展新進場固體發動機的測試工作，測試完畢后，逃逸固體發動機水平散態存放，封存于固體發動機廠房。逃逸塔線工作時間不占主線流程。

3.1.2 “并行”模式

兩發CZ-2F“并行”測試發射流程的工作模式見圖2。

圖2 兩發CZ-2F火箭“并行”測試發射流程Fig.2 Parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新進場火箭卸車時，并行轉正常任務火箭的狀態檢查及恢復工作；新進場火箭箭體恢復及交接，并行轉正常任務火箭動力分系統測試（包括：對接七管連接器，蓄壓器充氣，貯箱保壓和活門性能測試等）；新進場火箭吊裝、氣密性檢查及儀器安裝、分系統測試準備期間，并行轉正常任務火箭的各系統功能檢查、匹配、總檢查等工作；之后進行兩發火箭電纜測試狀態轉換；新進場火箭分系統測試及匹配期間，進行轉正常任務火箭剩余火工品安裝、船箭塔對接準備工作；隨后進行新進場火箭總檢查、安裝部分火工品、應急待命狀態設置及封存。最后轉正常任務船箭塔組合體對接、垂直轉運至發射區，完成發射區測試后，加注、發射。

與優化后的CZ-2F單發火箭發射場測試發射流程相比，兩發CZ-2F火箭“并行”測試發射流程的工作量變化情況為：應急轉正常火箭測試完畢后，進行兩發火箭電纜測試狀態轉換，增加1天；新進場火箭分系統測試及匹配期間，進行了轉正常任務火箭剩余火工品安裝、船箭塔對接準備工作，減少3天；新進場火箭測試完成后，進行應急待命封存，增加1天。共計減少1天。

整流罩線工作線與主線工作同時開展，其工作順序與“串行”測試發射流程整流罩線的工作順序相同。但是，在“并行”測試發射流程中，火箭線的工作已不是短線，所以在優化火箭線（主線）流程的同時，還需兼顧整流罩線流程的優化；

逃逸塔線工作與主線工作同時開展，與“串行”測試發射流程相同，逃逸塔線工作時間不占主線流程。

3.1.3 “串行”和“并行”模式比較

a）與優化后的CZ-2F單發火箭發射場測試發射流程相比，兩發火箭按照“串行”模式，測試發射流程增加了10天，所需投入的人力資源較少。按照“并行”模式，測試發射流程減少了1天。但“并行”測試發射流程所需投入的人力資源較多，且并行工作主要集中在流程前半段，造成“前緊后松”的工作局面。

b）受一定的客觀條件所限，要保證“并行”測試發射流程的實施，需進行發射場基礎設施改造。例如：受用電功率的限制，現階段新進場火箭吊裝和轉正常任務火箭各系統功能檢查、匹配測試無法同時開展。

c）“串行”測試發射流程，火箭線的工作是短線，用時較長，整流罩和逃逸塔均不占主線流程；“并行”測試發射流程，整流罩線的工作是短線，用時較長，所以在優化火箭線（主線）流程的同時，還需兼顧整流罩線流程的優化；

3.2 “串并行”相結合的模式

根據以上分析，可以考慮將兩發CZ-2F火箭測試發射流程的“串行”和“并行”模式的優點結合起來，采用“串并行”相結合的模式，進一步提高兩發CZ-2F火箭的測試發射效率。即在“串行”模式中，只并行部分工作項目。“串并行”測試發射流程如圖3所示。

圖3 兩發CZ-2F火箭“串并行”測試發射流程Fig.3 Serial-parallel Test and Launch Process of Two LM-2F Rockets

新進場火箭卸車時，并行轉正常任務火箭的狀態檢查及恢復工作，可減少1天；新進場火箭箭體恢復及交接期間，并行動力分系統測試（包括：對接七管連接器、蓄壓器充氣、貯箱保壓和活門性能測試等），可節省3天；新進場火箭火工品安裝、應急待命狀態設置、封存期間，并行轉正常任務火箭的匹配檢查、總檢查工作，可節省3天。與“串行”模式相比，可以節省7天時間，與“并行”模式相比，僅多4天。

由于“串并行”模式是在“串行”模式的基礎上只并行了部分工作項目，所以可以實現用較小的人力資源投入，在相對較短時間內，完成兩發火箭的測試。

與此同時，采用“串并行”相結合的模式，整流罩線工作線和逃逸塔工作線均不是短線，工作時間均不占火箭線（主線）流程，火箭線（主線）、整流罩線工作線和逃逸塔工作線進度可以保證相對一致，可以進一步提高發射場工作效率。建議空間站后續任務兩發火箭的測試發射流程采用“串并行”相結合的模式。

4 結 論

本文首先介紹了CZ-2F單發火箭在發射場發射測試流程優化的具體項目。在此基礎上，按照單發火箭測發流程優化的方法，根據空間站工程階段CZ-2F火箭“發射一發備份一發”及“滾動備份”的發射模式，設計了“串行”和“并行”兩種測試發射流程。與優化后的CZ-2F單發火箭發射場測試發射流程相比，按照“串行”模式，工作時間增加了10天；按照“并行模式”，工作時間可以減少1天。

在“串行”和“并行”測試發射流程的基礎上，將兩者的優點結合起來，設計了“串并行”測試發射流程。由于是在“串行”模式的基礎上只并行了部分工作項目，“串并行”模式可比“串行”模式節省7天時間，比“并行”模式僅多4天。這樣不僅可以保證人力資源的高效利用，還可以兼顧整流罩線和逃逸塔線的工作，進一步提高了發射場工作效率。建議空間站后續任務兩發火箭的測試發射流程采用“串并行”相結合的模式。

空間站后續任務“串行”、“并行”以及“串并行”3種測試發射流程的優化工作，主要是在前期單發火箭流程優化的基礎上對工作項目進行的統籌安排。后續流程的進一步優化應在保證測試覆蓋性的同時，對具體工作項目進行優化，例如：減少慣組在發射場的標定次數、減少應急轉正常火箭的分系統測試項目及總檢查次數等。