运载火箭箱式发射需求及关键技术研究

徐 帅，杨晓论，韩秀利，冯 伟

（太原卫星发射中心，太原，030045）

0 引言

随着微小卫星的侦察、导航、通信、气象等功能日益成熟，以微小卫星为主体的低轨卫星星座计划逐步由构想走向现实。本文针对星座组网对发射资源的巨大需求，分析了箱式发射系统应用于规模化组网发射的需求及特点优势，剖析探讨系统研制关键技术，以期为实现规模化商业发射提供一种新的解决思路。

1 星座组网发射需求分析

近年来，随着航天技术的不断发展，以商业运载火箭、低轨互联网星座、商业遥感等为代表的商业航天各领域快速发展，航天产业规模日益扩大。卫星导航、通信、遥感等卫星应用产业与大数据、云计算、物联网等新兴技术交叉融合发展，推动数字化转型并创造了巨大价值。商业卫星通信领域发展强劲，宽带互联网、移动互联网等新兴业务发展潜力巨大。随着市场需求日益增大，具有多时相、宽覆盖、立体化等独特优势的遥感卫星产品成为了信息时代传播速度最快、影响面最宽、开发利用潜力最大的科技资源之一。与此同时，卫星研制也呈现出体积重量小型化、功能集成多样化、设计制造一体化、生产出厂规模化、部署应用星座化等新特点［1］，卫星星座建设迎来爆发期。鸿雁、行云、银河等低轨通信星座相继推出；卫星柔性智造中心已全面建成，按照“脉动式”节拍化生产小卫星，年产能可达200颗以上。

目前，中国卫星星座计划多选择质量在200 kg以下的小卫星作为建设主体，因此星座规模庞大，卫星数量从几百颗到上万颗不等，且轨道倾角覆盖全面。可以预见，星座组网阶段将产生大量发射任务需求，在星座运行阶段，考虑到小卫星寿命较短、数量较大，也会产生大量更迭补网需求，以上两点将使得航天发射任务空前繁重、发射市场竞争愈发激烈。

在星座组网阶段，国外采取以大中型火箭为主、小型火箭为辅的策略，在保证组网效率的同时，兼顾组网灵活性［2-4］。从中国现状来看，使用液体火箭组网，虽然运力强使得组网效率较高，但生产和测发周期较长、单发成本较高、受发射计划影响大、对发射场资源依赖度高，在可重复使用液体火箭成熟之前，成本控制较为困难。使用小型固体火箭组网，虽然发射次数较多，但可通过优化产品配套等管理创新方法快速批量化生产、摊薄成本、创新研制模式、简化测发流程、大范围机动发射、提高轨道适应性，成为液体火箭组网的有力补充。

在星座运行阶段，考虑到由轨道窗口多样性、故障发生随机性、补网发射时效性等引起的补网时机不确定性，发射模式也将从批量集中发射向快速随机发射转变，机动灵活的小型固体火箭将成为迭代补网的主力军。

2 箱式发射火箭特点优势

近年来，一些单位及民营公司积极开展快速响应火箭研究，成功研制了CZ-11、KZ-1A、双曲线一号、谷神星一号、力箭一号等多型快速发射固体运载火箭，多次成功实施了海上及陆基发射任务，初步具备了7 天、24 h 之内完成700 km SSO 200～1 000 kg 载荷的快速发射能力。但目前小型固体商业火箭发射多采取一车一箭或一船一箭的方式，发射平台专用、环境保障能力差，发射模式轨道适应性不足，极大地限制了规模化发射的运用，不能很好地满足星座组网和迭代补网需求。

鉴于星座组网卫星多为微小卫星，借鉴中小型导弹密闭发射箱储运方案，设想基于星箭箱大规模生产、一体化出厂、按需随时启用模式，研制小、快、灵的箱式发射系统，将运载火箭、目标载荷及其测试、发射、保障等系统高度集成至发射箱内。发射箱集发射场的测试厂房、发射台架、测控系统、综合保障等系统功能于一体，实现箱内环境自持及星箭长期贮存、升级测试。

箱式发射系统可以用于陆基发射和海上发射，利于培育公路、海上、铁路发射等多样化的发射能力。平时按计划生产，星箭一体组装贮存，随时按需整体转场发射，任务时效性高，可有效降低小卫星发射对固定发射场的依赖度，适应直接入轨、多星快速组网、异面轨道部署等多任务类型，降低发射成本，提高发射灵活性，缩短发射周期，是一种可以满足小卫星星座快速组网、运营维护的新型发射模式，可通过规模化运用适应未来高密度发射任务需求，加快推动商业卫星产业发展。图1为系统使用流程。

图1 系统使用流程Fig.1 System usage process

与当前小型固体火箭系统相比，箱式发射系统主要特点有：

a）脉动生产一体出厂，极大压缩发射成本。箱式发射系统采用星箭箱脉动式生产、一体化出厂模式，可提高生产效率、缩短供应链、降低系统成本，同时，产品出厂后，不需要使用发射场的厂房设施进行产品总装、升级测试、星箭对接，简化了测发流程，有效缩短发射周期，从产品生产、发射准备两方面缩减了发射成本。

b）发射保障要求低，极大提高发射灵活度。发射箱集成测发、测控、环境、电源等系统，自主定位定向，箱载箭自主上下车，发射箱内环境自我保障，数字化远程调度，一键快速测试发射，具备分钟级参数装订、开盖起竖和实施随机点位无依托发射能力，更易实现大规模应用，适应多地域多倾角发射任务的要求。图2为箱式规模化发射示意。

图2 箱式规模化发射示意Fig.2 The large-scale launch process of box-type systems

c）载具适应性强，极大降低运输成本。发射箱对外接口简单，符合民用运输要求，可通过民用平板车、火车或货船等常用物流运输手段完成转场发射，运输方便快捷，无需单独研制大型运输平台，有效降低了系统研制和运输成本。尤其是通过集装箱船舶可实现远程批量转场和大规模海上发射，满足特殊轨道发射需求。

d）发射点位灵活，极大提高落区安全性。功能高度集成提高了发射点位选择的灵活性，为残骸落区选择提供了极大便利，合理的落区规划大大减小了发射任务对地方生产、生活等的不利影响，提高了发射任务安全指数。

3 箱式发射系统关键技术

箱式发射模式新、技术创新多，要实现便捷运输、环境自持、远程快速发射等功能，需要在多功能发射箱设计制造、星箭环境适应性、远程测试发射技术等方面开展重点研究。

3.1 多功能发射箱技术

多功能发射箱是箱式发射系统的重要组成部分，是快响火箭贮存、运输、起竖、发射等功能的载体，内部配置所有功能性设备，主要由箱体、箱盖、开盖机构、发射装置、液压系统、温控系统、电源及电控系统、定瞄系统等组成，结构强度满足整箱载箭起吊要求，如图3所示。箱体预留民用公路、铁路平板车和船舶运输对接接口，满足运输适应性要求；箱体可自主上下车，无需辅助设备，降低发射保障条件；箱内环境自持，为星箭提供满足指标要求的温湿度等保障条件；箱内传感器监测参数实时回传，进行装备状态智能评估，便于实时监测箱内环境参数、掌握发射箱状态；选用集装箱标准结构件，可与集装箱共线生产，满足大批量低成本生产要求；箱体采用密封设计，能够维持长距离运输时的内部环境条件。

图3 发射箱组成示意Fig.3 The composition of the launch box

3.2 卫星水平长期贮存技术

根据规定，卫星贮存时间超过6个月即为长期贮存。长期贮存引起的元器件老化、结构形变等问题会对卫星可靠性造成一定影响。星箭一体化出厂后未发射时，卫星长期处于水平停放状态。目前，中国微小卫星工程中心对快响卫星的贮存条件、贮存方法、贮存方案等做了相关研究，但对于星箭一体化水平长期贮存的方法及可靠性验证的研究均为空白，因此针对星箭对接后的卫星，须研究其在水平长期贮存工况下，卫星电子元器件、典型结构件、展开装置、蓄电池、推进系统等的适应性，分析研究卫星主要部件贮存要求，长期贮存对卫星的各项性能影响，以及研究整星结构精度、结构板强度、粘接胶粘接强度等变化情况。

3.3 火箭水平长期停放技术

箱式发射火箭采用固体发动机，固体推进剂为粘弹性物质，固体发动机长期水平放置时可能由于自重较大而产生变形，导致药柱结构下沉，改变药型设计结构，影响发动机内弹道性能。另外，药柱各粘接界面间的粘接性能也可能发生变化，造成燃烧室界面粘接不良甚至脱粘，形成安全隐患。目前固体发动机长时间不发射需开展内窥镜、超声检测等维护工作，数量较大时将耗费较大人力、物力、时间等成本。考虑到箱式发射系统生产与发射计划不匹配导致长期贮存的问题，同时为便于灵活使用，箱式发射火箭需具备水平长期停放能力，使用前无需再开箱进行发动机检测，可从以下几个方面开展工作：

a）长期水平停放状态燃烧室药柱完整性。

重点以不同应力状态和不同贮存时间条件下的推进剂和粘接界面力学性能为基础，基于贮存环境条件分析，综合考虑固化降温、充气压力和重力等因素对发动机贮存的影响，开展联合载荷作用下的计算研究，获取重点部位应力应变数据，为推进剂及界面试件级试验提供依据。

b）试件级长期贮存试验研究。

开展推进剂和粘接界面试件应力试验，获取不同应力状态和不同贮存时间条件下的推进剂和粘接界面力学性能，为燃烧室整机长期存贮性能评估提供依据。

c）整机级长期贮存试验研究。

开展燃烧室贮存试验，研究发动机燃烧室在贮存状态下药型的变化以及各界面粘接性能的变化，贮存试验后对燃烧室进行直线加速器探伤，最后开展试车试验验证。

3.4 卫星无线充电技术

考虑星箭一体化生产，为缩短测发周期，提高发射效率，在火箭贮存、转运、发射的全过程中取消卫星操作。同时，为提高分离可靠性，星箭之间不设置电气接口。但扣罩后的卫星电量将会随待命时间的推移而不断损耗，卫星补充电量时必须进行拆卸、充电、再装配、再测试，无疑将大大增加工作量。在不改变箭体状态条件下，为补充卫星电量，便于卫星地面测试及入轨后工作，须研究复杂金属环境下能量传输磁场空间分布调整与约束技术、大功率无线电能传输磁屏蔽技术、小型化轻量化高功率密度磁耦合机构技术等，设计研发空间无线电能传输系统。

a）复杂金属环境下能量传输磁场空间分布调整与约束技术。

基于磁耦合谐振无线能量传输理论（静态、周围无干扰），综合考虑金属环境与共振系统相互作用、接收端运动对系统的影响，建立考虑金属环境、收发端相对运动等复杂因素影响下的磁共振无线能量传输系统的数学模型和仿真模型。

利用数值计算软件和有限元分析软件，基于所建立的系统数学模型和仿真模型，开展参数影响规律的数值仿真和磁路分布仿真，总结归纳线圈参数、金属特性对系统传输特性的影响规律，为优化设计方案的制定提供仿真数据支持。

基于所建立的共振系统数学模型，通过数值分析手段，探讨系统传输功率及效率与线圈参数（线圈匝数、尺寸、线径等）、负载条件、耦合系数、金属涡流损耗等的相互关系，研究金属体表面电涡流回路通过磁路耦合对线圈阻抗及系统共振频率的影响和改变程度；其次，通过有限元仿真，分析金属材料属性、形状尺寸、空间相对位置等对磁场空间分布的影响，进而研究不同传输结构下的能量传输特性。最终揭示传输参数、金属环境对系统传输性能影响规律。

b）小型化、轻量化和高功率密度磁耦合机构研究。

磁耦合机构是新型空间发电及电源技术无线电能传输系统中能量传输的核心，由利兹线绕制的线圈、磁芯和屏蔽材料组成。对于利兹线线圈，在系统设计之初应充分考虑能量传输需求与线圈参数的关系，避免过高的线圈自感需求，从根本上避免大量线材消耗的可能。同时，选用绞合工艺较先进的线材产品，进一步减小线材单位重量。对于磁芯，结合磁场仿真、热磁有限元分析和电路仿真等多种方法，保证满足系统指标的耦合系数条件下，以不降低系统性能和减少磁芯用量为目标，优化磁芯厚度、尺寸和排布方式等关键设计参数。对于屏蔽材料，首先充分考虑磁耦合机构磁场分布情况，关注漏磁可能超限的主要位置。其次，根据磁场仿真相关结论，分析归纳屏蔽材料种类、厚度、大小及摆放位置对屏蔽效果的影响。再次，对屏蔽材料与磁耦合机构其他参数进行一体化建模。最后，基于“电路-磁路”一体化模型，优选确定屏蔽材料类型、用量、放置方式等关键参数。

3.5 远程无人测发技术

当前星箭产品的智能化、无人化操作性能不足，发射任务需大量人员伴随保障，人力、物力成本较高，任务时效性差，规模化发射能力不足。采用基于民用网络的远程加密通信技术，构建“指挥中心—无线通信网络-箱式发射系统”专用指挥通信网，确保复杂电磁环境下安全可靠的数据传输能力，通过后端指挥中心远程指挥控制，实现箱式发射系统自主弹道规划、远程数据装订、远程一键测试发射、数据自动判读、远程状态监测等功能，发射平台现场仅留有少数人员进行异常情况紧急处置，满足未来多地域、大规模发射需求，有效降低单次任务人员、物资等保障需求。

远程（不小于1 000 km）控制中心利用4G 或5G公共网络资源与前方发射箱进行信息交互，包含任务指令下达、交班地面主站指令，并通过远程监视前方画面、远程监测箭箱数据来辅助决策。控制中心与箭箱交互过程如图4所示，交互信息包含指令、装订数据、视频数据及遥测数据等。

图4 箱式发射系统远程控制示意Tab.4 The long-range control of launch process of box-type systems

4 结束语

箱式发射系统是一种新型快响发射系统，充分发挥其“小、快、灵”的特点，实现随机点位的无依托发射，可使商业发射逐步摆脱受制于发射场工位数量、测发周期长等问题的困扰，进一步提升航天发射体系的快速响应能力、天地输送能力和运用灵活度，有效增加商业航天发射运力总量，有效缓解场内设施面对发射任务不断增加的紧张局面，为大规模卫星发射提供了一种新的解决方案，有效提升中国太空领域战略竞争力。