運載火箭箱式發射需求及關鍵技術研究

徐 帥，楊曉論，韓秀利，馮 偉

（太原衛星發射中心，太原，030045）

0 引言

隨著微小衛星的偵察、導航、通信、氣象等功能日益成熟，以微小衛星為主體的低軌衛星星座計劃逐步由構想走向現實。本文針對星座組網對發射資源的巨大需求，分析了箱式發射系統應用于規?；M網發射的需求及特點優勢，剖析探討系統研制關鍵技術，以期為實現規?；虡I發射提供一種新的解決思路。

1 星座組網發射需求分析

近年來，隨著航天技術的不斷發展，以商業運載火箭、低軌互聯網星座、商業遙感等為代表的商業航天各領域快速發展，航天產業規模日益擴大。衛星導航、通信、遙感等衛星應用產業與大數據、云計算、物聯網等新興技術交叉融合發展，推動數字化轉型并創造了巨大價值。商業衛星通信領域發展強勁，寬帶互聯網、移動互聯網等新興業務發展潛力巨大。隨著市場需求日益增大，具有多時相、寬覆蓋、立體化等獨特優勢的遙感衛星產品成為了信息時代傳播速度最快、影響面最寬、開發利用潛力最大的科技資源之一。與此同時，衛星研制也呈現出體積重量小型化、功能集成多樣化、設計制造一體化、生產出廠規?；?、部署應用星座化等新特點［1］，衛星星座建設迎來爆發期。鴻雁、行云、銀河等低軌通信星座相繼推出；衛星柔性智造中心已全面建成，按照“脈動式”節拍化生產小衛星，年產能可達200顆以上。

目前，中國衛星星座計劃多選擇質量在200 kg以下的小衛星作為建設主體，因此星座規模龐大，衛星數量從幾百顆到上萬顆不等，且軌道傾角覆蓋全面?？梢灶A見，星座組網階段將產生大量發射任務需求，在星座運行階段，考慮到小衛星壽命較短、數量較大，也會產生大量更迭補網需求，以上兩點將使得航天發射任務空前繁重、發射市場競爭愈發激烈。

在星座組網階段，國外采取以大中型火箭為主、小型火箭為輔的策略，在保證組網效率的同時，兼顧組網靈活性［2-4］。從中國現狀來看，使用液體火箭組網，雖然運力強使得組網效率較高，但生產和測發周期較長、單發成本較高、受發射計劃影響大、對發射場資源依賴度高，在可重復使用液體火箭成熟之前，成本控制較為困難。使用小型固體火箭組網，雖然發射次數較多，但可通過優化產品配套等管理創新方法快速批量化生產、攤薄成本、創新研制模式、簡化測發流程、大范圍機動發射、提高軌道適應性，成為液體火箭組網的有力補充。

在星座運行階段，考慮到由軌道窗口多樣性、故障發生隨機性、補網發射時效性等引起的補網時機不確定性，發射模式也將從批量集中發射向快速隨機發射轉變，機動靈活的小型固體火箭將成為迭代補網的主力軍。

2 箱式發射火箭特點優勢

近年來，一些單位及民營公司積極開展快速響應火箭研究，成功研制了CZ-11、KZ-1A、雙曲線一號、谷神星一號、力箭一號等多型快速發射固體運載火箭，多次成功實施了海上及陸基發射任務，初步具備了7 天、24 h 之內完成700 km SSO 200～1 000 kg 載荷的快速發射能力。但目前小型固體商業火箭發射多采取一車一箭或一船一箭的方式，發射平臺專用、環境保障能力差，發射模式軌道適應性不足，極大地限制了規?；l射的運用，不能很好地滿足星座組網和迭代補網需求。

鑒于星座組網衛星多為微小衛星，借鑒中小型導彈密閉發射箱儲運方案，設想基于星箭箱大規模生產、一體化出廠、按需隨時啟用模式，研制小、快、靈的箱式發射系統，將運載火箭、目標載荷及其測試、發射、保障等系統高度集成至發射箱內。發射箱集發射場的測試廠房、發射臺架、測控系統、綜合保障等系統功能于一體，實現箱內環境自持及星箭長期貯存、升級測試。

箱式發射系統可以用于陸基發射和海上發射，利于培育公路、海上、鐵路發射等多樣化的發射能力。平時按計劃生產，星箭一體組裝貯存，隨時按需整體轉場發射，任務時效性高，可有效降低小衛星發射對固定發射場的依賴度，適應直接入軌、多星快速組網、異面軌道部署等多任務類型，降低發射成本，提高發射靈活性，縮短發射周期，是一種可以滿足小衛星星座快速組網、運營維護的新型發射模式，可通過規?；\用適應未來高密度發射任務需求，加快推動商業衛星產業發展。圖1為系統使用流程。

圖1 系統使用流程Fig.1 System usage process

與當前小型固體火箭系統相比，箱式發射系統主要特點有：

a）脈動生產一體出廠，極大壓縮發射成本。箱式發射系統采用星箭箱脈動式生產、一體化出廠模式，可提高生產效率、縮短供應鏈、降低系統成本，同時，產品出廠后，不需要使用發射場的廠房設施進行產品總裝、升級測試、星箭對接，簡化了測發流程，有效縮短發射周期，從產品生產、發射準備兩方面縮減了發射成本。

b）發射保障要求低，極大提高發射靈活度。發射箱集成測發、測控、環境、電源等系統，自主定位定向，箱載箭自主上下車，發射箱內環境自我保障，數字化遠程調度，一鍵快速測試發射，具備分鐘級參數裝訂、開蓋起豎和實施隨機點位無依托發射能力，更易實現大規模應用，適應多地域多傾角發射任務的要求。圖2為箱式規?；l射示意。

圖2 箱式規?；l射示意Fig.2 The large-scale launch process of box-type systems

c）載具適應性強，極大降低運輸成本。發射箱對外接口簡單，符合民用運輸要求，可通過民用平板車、火車或貨船等常用物流運輸手段完成轉場發射，運輸方便快捷，無需單獨研制大型運輸平臺，有效降低了系統研制和運輸成本。尤其是通過集裝箱船舶可實現遠程批量轉場和大規模海上發射，滿足特殊軌道發射需求。

d）發射點位靈活，極大提高落區安全性。功能高度集成提高了發射點位選擇的靈活性，為殘骸落區選擇提供了極大便利，合理的落區規劃大大減小了發射任務對地方生產、生活等的不利影響，提高了發射任務安全指數。

3 箱式發射系統關鍵技術

箱式發射模式新、技術創新多，要實現便捷運輸、環境自持、遠程快速發射等功能，需要在多功能發射箱設計制造、星箭環境適應性、遠程測試發射技術等方面開展重點研究。

3.1 多功能發射箱技術

多功能發射箱是箱式發射系統的重要組成部分，是快響火箭貯存、運輸、起豎、發射等功能的載體，內部配置所有功能性設備，主要由箱體、箱蓋、開蓋機構、發射裝置、液壓系統、溫控系統、電源及電控系統、定瞄系統等組成，結構強度滿足整箱載箭起吊要求，如圖3所示。箱體預留民用公路、鐵路平板車和船舶運輸對接接口，滿足運輸適應性要求；箱體可自主上下車，無需輔助設備，降低發射保障條件；箱內環境自持，為星箭提供滿足指標要求的溫濕度等保障條件；箱內傳感器監測參數實時回傳，進行裝備狀態智能評估，便于實時監測箱內環境參數、掌握發射箱狀態；選用集裝箱標準結構件，可與集裝箱共線生產，滿足大批量低成本生產要求；箱體采用密封設計，能夠維持長距離運輸時的內部環境條件。

圖3 發射箱組成示意Fig.3 The composition of the launch box

3.2 衛星水平長期貯存技術

根據規定，衛星貯存時間超過6個月即為長期貯存。長期貯存引起的元器件老化、結構形變等問題會對衛星可靠性造成一定影響。星箭一體化出廠后未發射時，衛星長期處于水平停放狀態。目前，中國微小衛星工程中心對快響衛星的貯存條件、貯存方法、貯存方案等做了相關研究，但對于星箭一體化水平長期貯存的方法及可靠性驗證的研究均為空白，因此針對星箭對接后的衛星，須研究其在水平長期貯存工況下，衛星電子元器件、典型結構件、展開裝置、蓄電池、推進系統等的適應性，分析研究衛星主要部件貯存要求，長期貯存對衛星的各項性能影響，以及研究整星結構精度、結構板強度、粘接膠粘接強度等變化情況。

3.3 火箭水平長期停放技術

箱式發射火箭采用固體發動機，固體推進劑為粘彈性物質，固體發動機長期水平放置時可能由于自重較大而產生變形，導致藥柱結構下沉，改變藥型設計結構，影響發動機內彈道性能。另外，藥柱各粘接界面間的粘接性能也可能發生變化，造成燃燒室界面粘接不良甚至脫粘，形成安全隱患。目前固體發動機長時間不發射需開展內窺鏡、超聲檢測等維護工作，數量較大時將耗費較大人力、物力、時間等成本?？紤]到箱式發射系統生產與發射計劃不匹配導致長期貯存的問題，同時為便于靈活使用，箱式發射火箭需具備水平長期停放能力，使用前無需再開箱進行發動機檢測，可從以下幾個方面開展工作：

a）長期水平停放狀態燃燒室藥柱完整性。

重點以不同應力狀態和不同貯存時間條件下的推進劑和粘接界面力學性能為基礎，基于貯存環境條件分析，綜合考慮固化降溫、充氣壓力和重力等因素對發動機貯存的影響，開展聯合載荷作用下的計算研究，獲取重點部位應力應變數據，為推進劑及界面試件級試驗提供依據。

b）試件級長期貯存試驗研究。

開展推進劑和粘接界面試件應力試驗，獲取不同應力狀態和不同貯存時間條件下的推進劑和粘接界面力學性能，為燃燒室整機長期存貯性能評估提供依據。

c）整機級長期貯存試驗研究。

開展燃燒室貯存試驗，研究發動機燃燒室在貯存狀態下藥型的變化以及各界面粘接性能的變化，貯存試驗后對燃燒室進行直線加速器探傷，最后開展試車試驗驗證。

3.4 衛星無線充電技術

考慮星箭一體化生產，為縮短測發周期，提高發射效率，在火箭貯存、轉運、發射的全過程中取消衛星操作。同時，為提高分離可靠性，星箭之間不設置電氣接口。但扣罩后的衛星電量將會隨待命時間的推移而不斷損耗，衛星補充電量時必須進行拆卸、充電、再裝配、再測試，無疑將大大增加工作量。在不改變箭體狀態條件下，為補充衛星電量，便于衛星地面測試及入軌后工作，須研究復雜金屬環境下能量傳輸磁場空間分布調整與約束技術、大功率無線電能傳輸磁屏蔽技術、小型化輕量化高功率密度磁耦合機構技術等，設計研發空間無線電能傳輸系統。

a）復雜金屬環境下能量傳輸磁場空間分布調整與約束技術。

基于磁耦合諧振無線能量傳輸理論（靜態、周圍無干擾），綜合考慮金屬環境與共振系統相互作用、接收端運動對系統的影響，建立考慮金屬環境、收發端相對運動等復雜因素影響下的磁共振無線能量傳輸系統的數學模型和仿真模型。

利用數值計算軟件和有限元分析軟件，基于所建立的系統數學模型和仿真模型，開展參數影響規律的數值仿真和磁路分布仿真，總結歸納線圈參數、金屬特性對系統傳輸特性的影響規律，為優化設計方案的制定提供仿真數據支持。

基于所建立的共振系統數學模型，通過數值分析手段，探討系統傳輸功率及效率與線圈參數（線圈匝數、尺寸、線徑等）、負載條件、耦合系數、金屬渦流損耗等的相互關系，研究金屬體表面電渦流回路通過磁路耦合對線圈阻抗及系統共振頻率的影響和改變程度；其次，通過有限元仿真，分析金屬材料屬性、形狀尺寸、空間相對位置等對磁場空間分布的影響，進而研究不同傳輸結構下的能量傳輸特性。最終揭示傳輸參數、金屬環境對系統傳輸性能影響規律。

b）小型化、輕量化和高功率密度磁耦合機構研究。

磁耦合機構是新型空間發電及電源技術無線電能傳輸系統中能量傳輸的核心，由利茲線繞制的線圈、磁芯和屏蔽材料組成。對于利茲線線圈，在系統設計之初應充分考慮能量傳輸需求與線圈參數的關系，避免過高的線圈自感需求，從根本上避免大量線材消耗的可能。同時，選用絞合工藝較先進的線材產品，進一步減小線材單位重量。對于磁芯，結合磁場仿真、熱磁有限元分析和電路仿真等多種方法，保證滿足系統指標的耦合系數條件下，以不降低系統性能和減少磁芯用量為目標，優化磁芯厚度、尺寸和排布方式等關鍵設計參數。對于屏蔽材料，首先充分考慮磁耦合機構磁場分布情況，關注漏磁可能超限的主要位置。其次，根據磁場仿真相關結論，分析歸納屏蔽材料種類、厚度、大小及擺放位置對屏蔽效果的影響。再次，對屏蔽材料與磁耦合機構其他參數進行一體化建模。最后，基于“電路-磁路”一體化模型，優選確定屏蔽材料類型、用量、放置方式等關鍵參數。

3.5 遠程無人測發技術

當前星箭產品的智能化、無人化操作性能不足，發射任務需大量人員伴隨保障，人力、物力成本較高，任務時效性差，規?；l射能力不足。采用基于民用網絡的遠程加密通信技術，構建“指揮中心—無線通信網絡-箱式發射系統”專用指揮通信網，確保復雜電磁環境下安全可靠的數據傳輸能力，通過后端指揮中心遠程指揮控制，實現箱式發射系統自主彈道規劃、遠程數據裝訂、遠程一鍵測試發射、數據自動判讀、遠程狀態監測等功能，發射平臺現場僅留有少數人員進行異常情況緊急處置，滿足未來多地域、大規模發射需求，有效降低單次任務人員、物資等保障需求。

遠程（不小于1 000 km）控制中心利用4G 或5G公共網絡資源與前方發射箱進行信息交互，包含任務指令下達、交班地面主站指令，并通過遠程監視前方畫面、遠程監測箭箱數據來輔助決策?？刂浦行呐c箭箱交互過程如圖4所示，交互信息包含指令、裝訂數據、視頻數據及遙測數據等。

圖4 箱式發射系統遠程控制示意Tab.4 The long-range control of launch process of box-type systems

4 結束語

箱式發射系統是一種新型快響發射系統，充分發揮其“小、快、靈”的特點，實現隨機點位的無依托發射，可使商業發射逐步擺脫受制于發射場工位數量、測發周期長等問題的困擾，進一步提升航天發射體系的快速響應能力、天地輸送能力和運用靈活度，有效增加商業航天發射運力總量，有效緩解場內設施面對發射任務不斷增加的緊張局面，為大規模衛星發射提供了一種新的解決方案，有效提升中國太空領域戰略競爭力。