【专家观点】大型低温液体火箭“零窗口”发射技术

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大型低温液体运载火箭射前特点和约束

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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

轨控运动干扰流场发展历程

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。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。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，对于确保“零窗口”发射至关重要。

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“零窗口”发射技术方案

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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。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。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。大型低温液体火箭射前加注阶段压力曲线如下图所示。

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，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。

2.3

统一供配气和零秒脱落连接器技术

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，最大限度延长供气时间，提高火箭“零窗口”发射可靠性。下图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。

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。

（2）实时供气的高可靠性。

（3）无人值守情况下对供气故障的快速修复能力。

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。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。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。

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发射窗口主动拓展技术

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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。

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“零窗口”任务测试发射策略

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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。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。

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

1）提高设备设施可靠性。

2）提高气象预报准确率。

3）射前动态组织指挥。

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