大型低温液体火箭“零窗口”发射技术

钟文安，李智斌，廖国瑞，黄 兵，张树杰

(1. 西昌卫星发射中心，文昌 571300；2. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天运载工具是一个国家进入空间的主要手段，是和平利用空间的基本条件和前提。“火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大”，运载火箭的使命就是要把有效载荷准确送入“舞台”的预定位置[1]。受限于火箭自身的运载能力、地球自转的客观条件、风雨雷电等环境约束以及有效载荷的特殊要求，运载火箭始终将“零窗口”发射作为系统方案设计和测试发射流程制定的重要目标。所谓“零窗口”发射是指运载火箭在完成发射准备阶段的所有工作后的实际点火时间与预先确定的点火时间分秒不差。

运载火箭的组成系统多，各系统耦合关联程度大，射前测试发射流程复杂，制约实现“零窗口”发射目标的不确定性因素贯穿整个发射流程。尤其对于大型低温液体运载火箭，想要实现“零窗口”发射难上加难。首先，低温液体运载火箭加注发射准备阶段工作项目多，尤其是低温动力系统在射前要完成低温推进剂加注、发动机预冷、贮箱增压和气液连接器脱落等工作，每一项工作都由若干个环节组成。环节多意味着不确定因素多，其中只要有一个环节出现问题，就可能制约运载火箭准时发射。太空发射系统(Space Launch System，SLS)在执行阿尔忒弥斯一号(Artemis-1)任务时，就因为芯级发动机预冷异常、液氢加注连接器泄露等问题两次推迟发射[2]。其次，低温推进剂加注后，运载火箭的可逆性变差，一旦某个系统或某个环节出现故障，故障处置需在狭小空间、低温、易燃易爆环境下进行，处置手段极为受限，因此故障一旦发生，运载火箭极大可能要推迟发射或中止发射。太空探索技术公司星舰(SpaceX Starship)首飞就因为射前增压阀门被冻住而不得不中止发射流程。因此，大型低温液体运载火箭实现“零窗口”发射受制约的因素很多。为了实现这一目标，需要在最初方案设计阶段就要考虑到可能出现的故障模式，采取适当的技术方案尽量规避，通过能力挖潜主动拓展任务故障适应性和窗口宽度[3]，并且在发射准备阶段要制定科学的测试发射流程[4]，通过技术和流程的结合共同实现大型低温运载火箭“零窗口”发射。

本文首先分析了大型低温液体运载火箭射前特点和约束，然后针对实现“零窗口”发射的技术方案、发射窗口主动拓展技术和测试发射策略进行分析总结，对全面提升我国航天发射能力、适应未来航天发展需求具有十分重要的意义。

1 大型低温液体运载火箭射前特点和约束

要实现大型低温液体运载火箭“零窗口”发射目标，要先分析大型低温液体运载火箭“零窗口”发射有哪些特点和受哪些因素制约，从而有针对性地制定技术方案和测试发射流程。

1.1 射前流程制约因素

射前进入加注发射流程后要顺序完成低温推进剂加注、发动机预冷、射前增压和气液连接器脱落等工作，主要有以下3个方面的特点：

1)各系统间、同一系统各模块间的指挥操作与口令交互密集，一旦出现故障需并行开展正常测发动作和故障应急处置，指挥操作难度大。

2)各系统工作环环相扣、紧密关联、耦合复杂，相互制约，一旦某系统出现故障必然影响其他系统正常动作的执行。且受低温环境和狭小空间限制，故障处置时间和手段受限，不利于“零窗口”发射目标的实现。

3)射前关键动作临近点火时刻，如关闭加注阀、贮箱增压和气液连接器脱落等。故障发生的时刻越靠近点火时刻，应急处置越紧张，甚至没有时间进行应急处置，很有可能错过发射窗口。

1.2 地面设备设施制约因素

液体运载火箭加注发射离不开地面设备设施的支撑保障。为保障“零窗口”发射，设备设施可靠性起着决定性作用。加注发射作为测试发射的关键时段和关键节点，有着不同于分系统、总检查等测试时段的特点，出现故障后不仅影响测试发射流程的顺利进行，甚至会出现低温推进剂泄漏、压力容器超压等重大安全风险。随着高密度任务常态化进行，地面设备设施的运行负荷大幅度增加，其可靠性直接制约任务保障能力，需要重点关注。

1.3 发射气象条件制约因素

在世界各国的航天发射过程中，都要严格遵守“火箭发射天气标准”的规则。这套规则规定了“对发射场区雷电、降水、浅层风和高空风”的指标要求，发射时不满足任何一条就必须推迟火箭的发射[5]。气象条件最恶劣的文昌航天发射场位于海南省文昌地区，此地为热带海洋性季风气候，发射场区多雷电、局地短时强降水、浅层风、高空风风向多变等天气现象，天气复杂难报。若场区气象保障不力，天气预报不准确，会给射前流程带来重大影响，妨碍“零窗口”发射目标的实现。SpaceX“猎鹰”火箭就多次因为天气原因而推迟发射。

1.4 组织指挥制约因素

组织指挥涵盖射前全过程，正确的组织指挥是确保“零窗口”发射的关键[6]。进入射前流程后，组织指挥需统筹各分系统按阶段完成相应工作，因程序复杂、动作多、可靠性要求高的特点，各分系统、各产品设备的工作时段及相互之间的配合都有严格要求，如果稍有误差就会造成大系统的工作紊乱。射前流程如遇故障，可供决策讨论的时间很短，故障发生后各系统、各岗位人员还需协同配合、准确操作，使应急处置的过程更加高效顺畅。

2 “零窗口”发射技术方案

为最大限度适应大型低温液体运载火箭射前约束条件，首先需要选取恰当的技术方案。对大型低温运载火箭来说，低温动力系统最为复杂，在发射日需要完成的准备工作最多，因此低温动力系统技术方案选取至关重要。低温动力系统在射前的工作重点是完成低温推进剂加注和发动机系统预冷。除箭上系统需要高可靠工作外，同时需要地面设备设施的配合，主要包括连接器、配气台和地面加注设备等。这些地面设备设施通过箭地之间的接口实现对火箭的发射支持。针对此特点，实现大型低温运载火箭“零窗口”发射技术需要着重解决低温动力系统的预冷技术、高可靠箭地低温管路涌泉抑制技术、统一供配气与零秒脱落连接器技术、配气台冗余技术和地面加注技术。

2.1 低温动力系统预冷技术

为了保证低温发动机的正常启动，在点火前需要对发动机进行充分预冷[7]。低温发动机的预冷方式直接决定了火箭射前操作程序和箭地接口的复杂性。目前，国内外低温发动机常用的预冷方式有浸泡预冷、排放预冷、循环预冷[8-9]。通过综合比较发现，循环预冷技术方案较排放预冷技术方案箭地连接关系简单，无需配置排放连接器和排放管路，大大简化了箭地接口，也简化了射前操作流程，消除了射前极易出现问题的连接器泄漏、脱落故障等风险。同时循环预冷是一种主动预冷方式，较浸泡预冷更容易满足低温发动机苛刻的预冷条件。因此，在箭上空间和系统复杂度可接受的条件下，采用循环预冷技术有利于实现大型低温液体运载火箭“零窗口”发射。

2.2 高可靠箭地低温管路涌泉抑制技术

大型低温液体运载火箭往往具有大长细比输送管，在液氧加注结束后，距离点火时刻还往往有一段停放时间。在停放过程中，箭上低温管路和地面低温管路相通，如果低温管路中的液氧处于静止不流动的状态，尽管管路进行了外绝热处理，仍然会有环境漏热导致箭地低温管路中出现涌泉现象。在涌泉的回流过程中会出现严重的水击现象，出现压力波动并产生巨大的压力峰[10]。大型低温液体火箭射前加注阶段压力曲线如图1所示(以点火时刻为0 s)，P1yh1、P1yh2为推进剂输送管路压力，P1yhl1、P1yhl2为导管压力，P1ybo1、P1ybo2为泵腔压力，P1yjx为活门压力。该压力峰值可能造成推进剂输送管路、导管、泵腔和活门支架的损坏。为了确保运载火箭的发射可靠性，需要在设计之初就考虑采用涌泉抑制技术，避免出现压力冲击。常用的涌泉抑制技术有氦气鼓泡、自动补加、循环回流、内外管输送和主动排放等[11]，具体采用哪种涌泉抑制技术需要综合考虑系统规模和可靠性、射前操作复杂度以及流程可行性等。通常大型低温火箭输送系统的涌泉抑制技术可结合发动机预冷技术和推进剂管理技术统筹考虑。对于箭上输送管路漏热导致的涌泉，如果火箭采用了循环预冷技术，可以采用循环回流实现涌泉抑制。对于地面加注管路漏热导致的涌泉，可以借助地面加注管路的排放管路，采用主动排放的涌泉抑制技术。

图1 压力波动箭上压力和温度曲线Fig.1 Pressure and temperature curves of rocket pressure fluctuation

2.3 统一供配气和零秒脱落连接器技术

大型低温液体运载火箭往往由多个模块构成，每个模块的低温动力系统在射前加注准备阶段都需要发射支持系统供气，以完成低温动力系统的吹除和气封等工作。供配气介质种类多、压力等级要求严、流量温度要求高，供气流程复杂。如果每一个模块都采用单独供气方案，则每一个模块都至少需要一个供气连接器和一个地面配气台，这会大大增加箭地接口的数量和地面供配气系统的设计难度，增加射前脱落供气连接器的风险，影响火箭“零窗口”发射可靠性。如果在不同模块间实现统一供配气技术[12]，即在基础级模块上设置一个供气连接器，再由基础级模块为其他模块供配气，则可实现一个地面配气台、一个供气连接器、一个箭地接口、一次射前脱落，极大简化箭地接口和射前操作流程。

在运载火箭点火起飞前，供气连接器需要可靠脱落，确保火箭安全起飞。通常在临近点火时刻进行低温贮箱的增压，低温推进剂与气枕之间温差大、换热剧烈，一次增压后气枕压力由于换热会快速下降，并随着时间的延长，气枕压力越来越低，导致不能满足低温发动机的启动要求和低温贮箱的载荷要求。因此，为了提高任务适应能力，贮箱增压路的供气需要一直保持，具备时刻对低温贮箱补压的能力，确保点火时刻贮箱气枕压力能够满足低温发动机的启动要求。这需要采用零秒脱落连接器技术[13]，最大限度延长供气时间，提高火箭“零窗口”发射可靠性。图2为大型低温液体火箭的中心球锁零秒脱落连接器，该连接器通过支架安装在火箭支撑臂上。火箭起飞时，拉索控制连接器脱落，限位索作为备保手段提高零秒连接器脱落可靠性。

(a)气管连接器

2.4 配气台冗余控制技术

大型低温液体运载火箭的动力系统对地面供配气系统提出了更高的要求，主要体现在以下3个方面。

(1)供气项目种类多、指标精度高

低温动力系统的复杂性导致了地面供气项目的种类多，而且针对供气指标有较高的精度要求，因此在配气系统中关键产品配气台的设计需要考虑上述要求，并实现此基本功能。

(2)实时供气的高可靠性

低温液体火箭射前流程可逆性较差，一旦开始低温推进剂加注后，对供配气往往需要持续实时供气，一旦因为故障中断供气，会产生推进剂泄漏、阀门冻结等故障，导致产品失效，甚至威胁发射场设备及人员的安全，因此必须确保配气台实时供气的可靠性。

(3)无人值守情况下对供气故障的快速修复能力

运载火箭的配气台具备远程测试、发射和控制能力，即在人员撤离后直到火箭点火发射，具备远控的功能。在无人值守情况下，如何快速识别故障现象、定位故障问题、查找故障原因并及时排除故障就成为整个供配气系统设计的实施要求。

因此配气台有必要采用冗余控制方案，在实现基本功能的前提下，提高实时供气的可靠性，增强无人值守情况下对故障的应对能力，确保满足大型低温液体火箭“零窗口”发射的供气可靠性。

2.5 地面加注技术

低温推进剂加注是液体运载火箭射前发射流程组织的关键环节，地面加注技术对射前流程时间、运载火箭及发射台安全、箭体结构载荷、射前供气、供液及供电消耗、箭上地面设备可靠性等均有重要影响[14-15]。低温推进剂易相变消耗，往往将推进剂加注操作置于火箭发射日，且尽量临近发射时刻，一旦加注系统出现故障，直接影响射前流程的顺利进行，因此“零窗口”发射要求对低温加注系统的可靠性提出了很高的要求[16]。此外，为了保证低温发动机的可靠工作和性能，贮箱内低温推进剂的温度必须满足一定的要求，而贮箱内的推进剂温度实际受到加注过程和停放时间的显著影响。如果采用全过冷加注技术，则加注结束后不需要停放过程，即可满足发动机对低温推进剂温度的要求，可以大大缩短射前流程时间，减少人力资源需求，有利于规避沿海发射场多变的不利气象条件，提高运载火箭发射可靠性。

3 发射窗口主动拓展技术

为了给一些射前突发故障(尤其是临近点火时刻出现的故障)留有处置时间，大型低温液体运载火箭在发射准备阶段完成所有工作之后，往往会留有一定的推迟发射能力，即火箭各系统能够保持发射准备状态一段时间而不需要进行任何处置，以保证运载火箭能够随时进入点火程序。受低温推进剂的热力学性能以及火箭本身各设备设施的能力约束，一般能适应的推迟时间为几分钟到十几分钟。超过这个时间，运载火箭受限制的系统必须要先进行逆流程，退回到之前的某个状态后再重新进入正流程。对于“零窗口”发射任务，不再需要运载火箭的推迟发射能力，可以对这部分原本用于推迟发射的能力进行挖潜，提前用到正常发射流程中，以增加正常发射流程中故障处置时间，等效将发射窗口进行拓展。

在理想情况下，运载火箭在指定时刻起飞，按照事先设计的标准飞行弹道即可满足入轨要求。但是由于各种偏差因素的存在，运载火箭并不一定能在指定时刻起飞，飞行中各种干扰也是未知的，所以飞行时长也未知，单纯的摄动制导难以适应任务要求，需要采用迭代制导技术。迭代制导是以最优控制原理为基础，通过在线计算入轨点，解析计算出飞行程序角[17-18]，调整飞行轨迹，换取在飞行过程中各种偏差因素下仍能精确入轨的能力。因此，可以应用迭代制导技术，通过火箭运载能力挖潜，将“零窗口”拓展为“窄窗口”，以增加射前故障处置时间，确保任务成功。

4 “零窗口”任务测试发射策略

测试发射流程和发射场的任务保障能力也是运载火箭实现“零窗口”发射目标的重要因素。测试发射流程是工程各系统在发射场开展各项工作的基本依据。优化的测试发射流程对于缩短测试发射周期、提高应急处置能力具有重要意义[4]。发射场任务保障涉及供电、供气、供液和气象保障等，相关设备设施的可靠性和气象预报的准确度直接影响运载火箭测试发射流程的进行[6]。

4.1 测发流程优化设计

针对“零窗口”发射要求，经过对各系统射前流程的充分论证，综合考虑可靠性、操作复杂性等因素，按照“确保全面完整、坚持安全可靠、增加时间裕度、力求集约高效”原则对测发流程进行优化设计。

1)深度挖掘各系统的潜力，将射前动作适当提前，尤其是将临近点火时刻的动作提前，如有故障可尽早将故障暴露出来，为故障处置留出尽量多的时间。

2)将射前各系统动作解耦，不再互为前置条件，使得各系统都能充分利用火箭点火前的时间，降低发射日突发故障对“零窗口”发射的影响。

3)根据各系统射前关键动作，充分分析各系统的故障模式，制定故障处置预案，将故障处置措施规程化，将故障处置时间精细化，以便在故障出现时能够准确定位、精确操作、快速处置。

4.2 提高任务保障能力

4.2.1 提高设备设施可靠性

提高运载火箭及发射场设备设施可靠性可大大降低射前故障发生率，从而减少射前风险，为确保“零窗口”发射奠定坚实基础。一方面针对使用年限久远、暴露问题频次高以及影响重大的设备设施进行全面检修及更换，达到消除射前隐患的目的；另一方面加强地面设备质量监管、备份设备优化部署以及完善发射场操作使用文件等措施，确保不出质量问题。

4.2.2 提高气象预报准确率

为了确保“零窗口”发射，气象系统首先用大数据挖掘技术准确建立大气环境特征数据库，尽可能避开气象条件差的时段；其次，准确及时发布中期、短期、短时和临近天气预报，确保不因天气原因影响火箭测试进程或对产品造成损坏；同时，气象系统24小时全天候开展观探测，针对发射窗口天气迭代开展精细化滚动预报，密切监视场区周边天气演变，密切关注台风、雷暴和强降水等灾害性天气的生消演变，确保发射窗口天气预报的准确性，为保障任务进程提供有力支持。

4.3 射前动态组织指挥

针对“零窗口”发射的严苛要求，就是要充分利用火箭点火前的有限时间，把“零窗口”变为“有窗口”，使发射窗口适当“放宽”，为故障处置赢得时间，提升发射场准时发射的可靠性和适应能力。基本思路即“故障系统应急处置、正常系统继续程序、在关键节点对齐”，以减少发射日突发故障对“零窗口”的影响，确保射前各系统工作能在有限的时间段内完成，实现“零窗口”发射的目标。

5 结束语

大型低温液体运载火箭由于组成系统多、各系统耦合关联程度大、射前测发流程复杂，实现“零窗口”发射有着更高技术含量和更大难度。本文基于大型低温运载火箭的系统特点和测试发射约束条件，提出了实现“零窗口”发射的技术方案，并通过发射窗口主动拓展技术，再辅以科学的测试发射策略，以技术和流程的结合共同实现大型低温液体运载火箭“零窗口”发射目标。