衛星發射船概念設計研究范文

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摘要：在赤道附近的海上執行衛星發射任務，可以有效地增加火箭的運載能力，具有諸多優點，正越來越受到國際國內的重視。為滿足此種市場需求，提出了一種用于執行海上衛星發射任務的船舶的概念設計方案，并對其可行性進行了初步驗證。同時結合已有的案例，提出了執行海上衛星發射任務可能面臨的技術與商業風險，以及應當遵循的原則。為今后技術的發展指出了方向。

關鍵詞：海上發射；火箭；衛星；船舶；平臺

1引言

近年來，許多地處赤道地區的國家對發射近赤道、低傾角衛星的需求越來越旺盛。發射這類衛星，離赤道越近，運載能力損失越小，發射成本越低。因此在靠近赤道的海上進行火箭發射，成為許多航天強國爭相開發的一種發射模式［1］。但是，世界主要航天強國在赤道地區缺少合適的火箭發射場，營建新的發射場投入大，建造周期長，而且存在地緣風險。為了應對此種情況，建造一種以船舶為平臺，搭載相應的儀器設備，將其作為海上衛星發射船，用于執行海上衛星發射任務就成為順理成章的選項。

2技術方案應遵循的原則

在海上進行衛星發射并不是一個全新的概念，Sealaunch公司已經做出了嘗試，并執行了多次成功的發射任務。在海上進行衛星發射有諸多優勢：1）選擇在赤道附近發射運載火箭，可以增加運載火箭的有效載荷，降低發射成本；2）在空曠的海上機動選擇發射地點，對周邊環境影響小，尤其是能夠避免火箭箭體墜落對沿線居民生命、財產安全的威脅；3）在赤道附近發射運載火箭，能夠以更低的成本發射低傾角衛星，更好地滿足赤道地區國家的需求。但是由于商業上的原因，此種發射模式并沒有推廣開來。所以應當清醒地認識到，在海上進行衛星發射雖然有多種優勢，但也不可避免地存在著一些風險。主要包括：1）須建造專用的海上發射平臺，建造成本高，初期投入大。2）在海上發射面臨的環境遠比陸上惡劣，技術難度高，風險大。3）由于缺乏借鑒，同時自身風險大，推高了融資與保險成本，惡化了經濟性。針對當前階段存在的問題，應當分兩步走，逐步解決海上發射模式商業性差，風險高、收益低的缺陷：第一步，采用成熟技術，建造低成本、低風險的發射平臺，從發射小型固體火箭入手，逐步摸索出一套成熟可靠的技術線路［2］；第二步，在此基礎上逐步采用大型發射平臺，發射大型固體火箭，甚至是液體火箭。其中發射小型固體火箭是必須要走的重要一步，在此階段應當探尋與海上發射相適應的商業運作模式和盈利模式。同時也是從無到有，從易到難，逐步積累技術和經驗的過程。當前要做的是走好第一步，為了保證工程項目的順利推進，在此過程中應當遵循以下幾點：1）采用小型發射平臺，發射小型固體火箭；發射平臺采用成熟技術，降低建造、運行、維護成本。2）采用技術成熟，性能可靠的火箭執行發射任務，確保成功率，提升公眾和商業機構對此種發射模式的信心。3）確保發射過程的安全、環保，打消公眾在安全、環保方面的疑慮，為工程的推進開展減少阻力。

3提出總體設計方案

根據上文提出的觀點，在技術發展的初期階段，出于節約成本與控制風險的考慮，可以將發射平臺造得適當的小，與之對應的應當選擇較小的運載火箭。以快舟一號甲運載火箭為例，該火箭是由中國航天科工運載技術研究院研制的三級固體運載火箭，可采用車載機動發射方式，具備一箭多星發射能力［3］。該火箭全長約20m，起飛質量約30t，最大推力約36t，最大直徑1.4m，近地軌道運載能力為300kg。圍繞該型火箭，設計一種以船舶為基礎的用于執行衛星發射任務的多功能海上機動發射平臺，如圖1所示。該發射平臺水線長104.1m，型寬16.8m，型深10.0m，吃水6.0m，排水量8100t。搭載用于執行火箭發射任務的全套儀器設備，設置專用艙室，能夠在航行過程中完成火箭與衛星的安裝調試工作，集運輸、組裝、調試、起豎、發射功能于一身。采用的技術方案是：在主甲板（16）中部設置主甲板艙口（15），用于火箭箭體與衛星的吊裝與轉運，將火箭箭體與衛星分別安置在火箭組裝調試艙（6）與衛星組裝調試艙（7）。組裝完成，搭載衛星的火箭將被轉運至火箭發射臺（11），火箭發射臺下設置水池（12），用以在火箭發射過程中保護主船體。水池下方是火箭燃料儲存艙（3），用于儲存火箭與衛星使用的液體燃料。出于安全考慮，在火箭燃料儲存艙與船體其他艙室之間設置前、后隔離空艙（1）、（4）。火箭發射對于精度有較高的要求，所以在船體中部的火箭組裝調試艙以下的艙室設置為壓載艙（5），可以增加船舶吃水，提高船舶穩性。另外，將火箭燃料儲存艙和衛星組裝調試艙以下的艙室設置為前、后減搖水艙（2）、（8），進一步提高船舶穩性。將主船體尾部艙室設置為主機艙（9），用以布置主機和其他相關機械設備。在主船體后部，主機艙以上設置上層建筑（17），用于工作人員的居住和生活，并將其中一層設置為火箭發射指揮控制室（13），用以指揮控制完成火箭發射任務。將主甲板的尾部設置為直升機甲板（19），用于直升機的起降。在艏樓甲板和尾部直升機甲板周邊的系泊設備平臺（20）位置布置船舶常用的錨泊設備和系泊設備。具體工作原理和過程為：海上衛星發射船在港口內接收將要發射的火箭和衛星，通過主甲板艙口（15）吊裝進主船體（10）內，并分別放置在火箭組裝調試艙（6）和衛星組裝調試艙（7）。然后離開港口，前往預定的發射地點，并在航行過程中完成火箭與衛星的組裝調試與星箭結合，為之后的發射任務做好準備。在到達預定的發射位置后，調整船體姿態，向壓載艙（5）注水，增加船體吃水，保持船體穩定并向火箭發射臺（11）下的水池（12）內注水。檢測火箭與衛星的狀態，等待合適的發射窗口。在發射窗口到來的時機，啟動前、后減搖水艙（2）、（8），進一步提高船體穩性。打開主甲板艙口（15），將完成組裝的火箭提升至主甲板（16）以上，然后將其轉運至火箭發射臺（11）。用于提升火箭的機械設備在完成任務后退回到主船體（10）內，同時關閉主甲板艙口（15），甲板上的所有人員撤離。由技術人員在火箭發射指揮控制室（13）內操作完成火箭的發射任務，并操縱雷達完成對火箭的跟蹤測控任務。完成發射任務后，關閉減搖水艙，排出多余壓載水，釋放火箭發射臺下水池內的水，駕駛船舶返回港口，等待下一次發射任務。

4改善平臺穩性

在執行海上火箭發射任務時，對船舶靜止狀態下的穩性有較高的要求，所以船上須設置減搖水艙。依據控制方式減搖水艙可分為被動式減搖水艙、可控被動式減搖水船和主動式減搖水艙。被動式減搖水艙由于結構形式固定，減搖頻帶較窄，減搖能力相對較差；主動式減搖水艙由于消耗能量較多，目前應用很少；可控被動式減搖水艙通過一定的控制，拓寬了可減搖的頻帶，同時耗能極小，因此被廣泛應用［4］。目前國際上可控被動式減搖水艙主要有兩種形式，第一種是采用氣閥開關控制空氣連通道，調節水艙固有周期的氣閥式可控被動式水艙。對復雜海況有較強的適應性，但同時也存在控制難度大、可靠性差，使用維護成本高，管道設備多，占用空間多等缺點。第二種是通過變化擋板開啟角度改變水連通道的連通面積，拓展減搖周期的范圍的可變周期減搖水艙。可以通過控制不同位置和數量的擋板開關來調節減搖水艙的工作狀態，使其適應不同的航行環境，達到最佳的減搖效果［5］。具有結構設計簡單、成本低、自搖周期適應性范圍廣的優點，但同時也存在著對復雜海況應對能力差的缺點。結合實際情況，在執行火箭發射任務的過程中，必然要選擇合適的氣象條件，海況不會特別惡劣。所以對減搖水艙的性能不敏感，而對建造成本和技術難度更為敏感，故決定采用第二種減搖水艙設計方案。在設計減搖水艙時，為保證減搖水艙的減搖效果，一般要求減搖水艙滿足以下幾點要求［6］：1）要求可控被動式減搖水艙固有周期、船的橫搖周期以及船舶所在服務海域搖擺的最小周期盡量接近；2）艙內水的重量在排水量的5%以內；3）水艙內自由液面帶來的穩性損失一般限制在使初穩性高減小25%的范圍內［7］；4）為使水艙內的水不沖擊艙頂及不產生嚴重的噪聲，水的移動在高度方向應不受限制，為此，水艙的高度不小于艙內水深的1.7倍［8］；5）減搖水艙盡可能寬，而且盡量高。為避免在隨浪中出現過大的艏搖運動，減搖水艙在船上的縱向位置不應過于遠離船舶重心。結合本船的實際情況，充分利用雙層殼體之間的空間，分別設置前、后減搖水艙，可充分滿足上述要求。可變周期減搖水艙基本結構如圖2所示。水艙邊艙用擋板隔開，分成TankA和TankB兩個部分，對應設置兩個空氣連通道，用兩個閥F1和F2控制其開關。在底部連通道設置3個旋轉擋板D1，D2和D3。可以通過控制F1和F2兩個氣閥和水艙擋板D1，D2和D3的轉動，改變水艙的固有周期。根據船舶的橫搖角、橫搖角速度等信息以及水艙內液體的流動狀態，利用葉片的角度調整水艙內液體振蕩參數，使液體的流動適應船舶橫搖周期的變化，達到有效減搖的目的［9］。可變周期減搖水艙可以工作在表1所示的不同狀態下。參考已有的實驗與仿真數據，可變周期減搖水艙可以在5.5s~18s的周期范圍內有效減搖，大大超出了被動式減搖水艙的工作頻帶，而且不產生增搖效果。諧搖處的減搖效果50%左右，平均減搖效果不小于30%［11］。這樣的效果完全能夠滿足火箭發射過程中對船舶穩性的要求。

5校核結構強度

火箭發射過程中會對船體產生較大沖擊力，必須校核船體的結構強度能否滿足要求［12］。根據《鋼制海船入級規范》，設計船體在火箭發射臺位置的典型強肋骨剖面，材質選為AH36。根據馬艷麗等人的研究成果，當發射平臺距離發動機噴口1.7m時，發射平臺壁面中心點的壓力為2.7atm。此種工況與本文設計方案的數據非常接近，故以此為參考。出于保守考慮，在計算時將發射平臺中心壁面中心點的壓力取為3atm。同時按照規范要求，在船體內底板施加13000N/m2的甲板載荷，以此為輸入條件，建模計算船體結構應力。

6結語

本文結合以往海上衛星發射平臺取得的經驗教訓，總結了在海上執行衛星發射任務存在的技術與商業風險，并提出了今后一段時間進行海上衛星發射任務的探索過程中應當遵循的原則，具有重要的理論指導意義。以上述原則為基礎，提出了一種海上衛星發射船的總體設計方案。并對該設計方案在靜止狀態下的穩性，以及在受到火箭發射的沖擊載荷時的強度進行校核。證明此種設計方案在滿足強度要求的同時，能夠與減搖水艙充分配合，達到減搖的效果。初步驗證了該設計方案的可行性。

作者：郭亮 田大肥 宮經海 佟姝茜 單位：太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心天津 寧夏天地奔牛實業集團有限公司北京研發中心 海洋石油工程股份有限公司