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1、第六章 发射与返回技术6.1 运载火箭的发射技术6.1.1 运载火箭的发射过程运载火箭由相对于发射平台静止的状态起飞、加速到进入正常的导引弹道的过程称之为发射过程，简称发射。广义的发射过程包括如下步骤：（1）为使火箭达到可发射状态，首先必须在发射场的技术区进行对接、装配和一系列的检查和测试；（2）火箭从技术区转移到发射区，然后将火箭吊装到发射台上，完成垂直度调整和方位瞄准，装定发射诸元并与各种地面设备的电缆、气、液管路等相连接；进行各分系统测试和综合测试；完成推进剂加注、充气等技术准备工作；（3）测控系统准备：对测控站各系统进行检查和测试，然后进行各测控站之间的联试，以保证发射指挥、控制系统正
2、常、可靠地工作；（4）按预定的程序进行发射，火箭离开发射台起飞、加速、起控并进入导引弹道飞行。若发生故障或因其它情况而取消发射，则应泄出推进剂，对贮箱进行清洗和中和处理，将火箭撤离发射台，运回技术区，重新进行检查测试并排除故障。显然，为了完成上述发射过程的各项任务，需要建立庞大的地面设施，包括发射设备、运输设备、起吊安装设备、装配对接设备、地面检测设备、发射控制设备、测控设备、地面供电设备、推进剂的贮存和加注设备、废气与废液处理设备、发射场地和工程设施等，统称为发射支持系统。6.1.2 运载火箭的发射方式最早运载火箭采用水平测试、水平运输、整体垂直起竖的发射方式。后来，随着运载火箭由小到大的不
3、断发展，发射方式也在不断变化。目前，世界各国常用的两种发射方式如下：（1） 水平测试、水平运输、垂直吊装的发射方式这种发射方式在发射场内明显地分成技术区和发射区。在技术区对箭上各系统进行测试，然后通过公路运输车分级（或分部段）运往发射区，由发射勤务塔上的吊车将各级（或部段）垂直吊装对接在发射台上，经过必要的测试后加注推进剂，最后发射。这种方式的优点是操作简便，对发射设备的技术要求容易实现，技术区工作环境好，测试过程完善。运往发射区时，火箭运输时重心低，不需要大型运输平台和特殊的运输轨道。缺点是由水平状态转为垂直发射状态后，需要有部分重复的测试工作，发射周期和两次发射之间的间隔时间长。（2） 垂
4、直总装、垂直测试、垂直整体运输的发射方式这种发射方式在发射场设有总装厂房、测试发射控制中心和发射塔，它们之间距离较近，总装厂房和发射塔之间由运输轨道或特殊路面相连接。火箭各部段及设备在总装厂房完成单元测试后，包括有效载荷在内都在多功能发射车上垂直总装后进行综合测试，然后由多功能发射车将火箭整体在垂直状态下运往发射塔就位，经简单测试后即可加注发射。这种发射方式适合于大型运载火箭、载人航天发射及发射频率很高的发射场。在发射场进行总装可以减轻大型火箭从生产厂至发射场运输上的困难；在发射塔停留时间短便于实现高频率的连续发射。但这种发射方式需要建造功能齐全的大型总装测试厂房，需要建造一个集载重、运输、支
5、撑、牵制、调平、瞄准、排焰等功能于一体的活动发射平台（多功能发射车），需要一套能进行远距离测控的测发控制系统，对发射场的地面设施和设备要求高，技术难度大，成本高。6.1.3 运载火箭的发射支持系统运载火箭发射支持系统的任务是支持和保障运载火箭发射有效载荷（卫星、飞船等航天器）以及进行各种飞行试验，它与运载火箭一起组成整个航天运载系统。发射支持系统包括火箭从生产厂运到发射场、在发射场进行各种发射准备以及发射中进行飞行测量控制全过程所使用的机械、电子设备和工程设施。根据它们的功能和使用方式，可以归纳为如下11个分系统：（1） 运输系统运输系统用于将火箭经公路、铁路、水运或空运从生产厂运送到发射场。
6、如果火箭是在发射场进行总装的，则将火箭部件、设备从生产厂运送到发射场。运输系统包括公路运输车、铁路运输车、船舶、飞机等运输工具，还包含运输包装以及保护设备。它们应保证火箭在运输中处于良好的力学环境和温、湿度环境中，因此多数运输设备都是专用设备，专门用于火箭运输。专用设备的造价比较高，应尽量考虑设备的通用性，即一种设备可适用于多个火箭型号，多个运输环节。（2） 加注系统加注系统用于从推进剂贮罐或运输槽车向火箭贮箱加注或泄出液体推进剂，它包括推进剂贮存器（贮罐和槽车）、计量装置、输送装置、控制设备及各种连接器管路等。推进剂加注一般都由地面加注设备和箭上设备共同完成，它们以开环或闭环形式连通组成完整
7、的加注系统。推进剂在贮罐和贮罐之间、贮罐和槽车之间的加注和泄出称为转注，转注也是加注系统的重要组成部分。（3） 发射系统发射系统的功能是将火箭调整并保持在规定的初始发射状态，承受发射前后发生的载荷，排导发动机的燃气流，牵制和释放火箭。发射系统包括发射场的活动塔架、勤务塔（含排焰导流槽）、活动发射平台或固定发射平台、牵制释放机构或发射车等。不同的发射方式选用不同的发射设备，如水平测试运输、垂直吊装的发射方式选用活动塔架、勤务塔和固定发射平台；垂直总装测试、整体运输的发射方式则选用大型活动发射平台；小型运载火箭可以采用发射车。安全性要求很高的运载火箭通常都采用牵制释放机构。图6-1所示为我国发射神
8、舟号飞船的CZ-2F运载火箭所采用的大型活动发射平台。（4） 测发控系统测发控系统的功能是在发射准备阶段和发射过程中对火箭各系统进行检查测试与发射控制。它包括对箭上仪器和组件进行单元测试和综合测试的设备以及进行发射控制的设备。测发控系统设备的配置取决于使用流程和发射方式，但是也应尽量考虑通用性和兼容性，以减少设备的数量和技术状态。（5） 定位定向系统定位定向系统的功能是提供精确的发射点位置（经纬度和高度）和初始方位。定位定向系统应包括定位定向设备和方位瞄准设备，但运载火箭通常是在固定发射场发射的，其发射点位置在建场时已经测定，所以定位定向系统的主要设备是方位瞄准设备，包括各种瞄准仪、基准标定仪
9、和水平仪等。（6） 供电供气系统在火箭进行技术准备和发射过程中，供电供气系统按功率和品质要求向火箭和地面设备提供电源和气源。它包括交流和直流电源、充电设备、制气设备及贮气、配气和输送设备等。（7） 监控指挥系统监控指挥系统用以对火箭各系统和地面设备在工作中的技术状态进行监视，对其发射准备过程实施控制，协调并统一时间基准，传输各种信息和指令，保证按规定的程序进行发射。现代化的监控指挥系统应用计算机网络技术将各系统地面测试设备连接起来，实现测试信息的处理、交换和显示，为发射指挥人员提供测试情况并作出判断，完成发射程序。它包括计算机网络、时统设备和通信设备等。计算机网络由主控计算机、多屏显示工作站、
10、通信工作站、巡检工作站、语音设备、打印输出设备等组成。（8） 测量系统测量系统用于测量和记录火箭在发射和飞行过程中各系统的工作参数、环境参数和运动参数等，为飞行试验结果评定提供依据，也为航天器飞行轨道控制和飞行安全控制提供信息。它包括在地面、船舶和飞机上配置的遥测站、外弹道测量及安全控制站、指挥控制站等。（9） 起吊安装系统起吊安装系统用于完成火箭在水平状态下车辆之间的转载和向发射台垂直安装，它包括各种起重机、吊具、起竖设备及附件、工具等。（10） 气象保障系统气象保障系统进行发射前的气象测量，预报地面和高空的风速、温度、湿度、雾、雨、雷、雹、扬沙等气象要素，以确定火箭基本发射条件、推进剂温度
11、估计及飞行后的结果分析。（11） 辅助设备辅助设备包括调温、清洗、消防、避雷等设备，以及道路工程设施等。6.2 航天发射场6.2.1 航天发射场的组成航天发射场用于航天器的发射和运载火箭研制过程中的飞行试验。它配备有通用和完善的发射支持系统，尽可能地适应多种型号运载火箭的发射，以降低发射成本。运载火箭发射一般包括发射起飞、弹道飞行和各子级、整流罩的分离坠落或回收等阶段，因此整个发射场包括首区、航区和落区三个区域：（1） 首区首区用于火箭及有效载荷的技术准备、发射准备、实施发射指挥和控制，是火箭发射的核心区域。它主要由技术区和发射区两部分组成，设有火箭及有效载荷的装配测试厂房、发射设备、推进剂库
12、房、指挥控制中心、测量站、气象站、时统站和各种勤务保障系统。（2） 航区航区包括包括弹道飞行空域和各子级火箭、整流罩的坠落场区。根据需要在航区配置有跟踪测量站。（3） 落区落区又称返回着陆场，是返回式卫星和载人飞船返回舱回收着陆的区域，本章将在6.5节具体介绍。6.2.2 发射场场址的选择航天发射场的选址是一个综合而又复杂的决策问题。选址是否合理，对发射场的建设、发展、使用和维护影响极大，甚至涉及到国家安全和国际关系问题。一般，发射场场址的选择考虑下列因素：（1） 优越的地理位置。根据本国的地域，尽可能选择在低纬度地区，这样可以充分利用地球自转所产生的附加速度，从而提高火箭的运载能力。特别是发
13、射地球静止轨道卫星或小倾角轨道航天器时，可以减少远地点变轨所需的能量，缩短从发射点到入轨点的航程。（2） 良好的自然条件。应考虑下列因素：a 首区及落区人口稀少，一旦发生事故，便于采取安全措施；b 首区地势平坦，视野开阔，便于布局和发射时的观察和跟踪；c 首区和落区气候条件良好，即晴天多、雷雨少、风速与湿度低；d 航区尽量避开人口稠密区、重要工业基地和军事重地等。（3） 便利的交通运输条件。应考虑到运载火箭、有效载荷、推进剂、各种大型设备和生活物资的运输。（4） 良好的供电和通信条件。（5） 有利于环境保护。应考虑到推进剂、废液、发射时的噪声和震动对周围地区的污染。6.2.3 发射场的总体布局
14、一般情况下，航天发射场主要由技术区、发射区、场区测控系统、技术保障系统和后勤保障系统五大部分组成。如果发射场还用于发射航天飞机等多次使用的航天器，则还建有着陆区和助推器的回收区。图6-2所示为航天发射场的典型配置。（1） 技术区技术区用于对火箭与有效载荷进行验收、存放、组装和测试，为运往发射区做好技术准备。一般情况下，运载火箭与有效载荷分为两个区域，互相独立，互不干扰。为确保安全，技术区与发射区必须隔开一定的距离。技术区分别设有运载火箭和有效载荷的转运、存放、组装厂房、测试厂房、固体发动机的贮存和测试厂房、压缩空气站、供电站等设施，以及通信、空调、消防、办公等辅助建筑与设施。（2） 发射区发射
15、区配备整套为发射服务的建筑和设施，其功能是接纳来自技术区的运载火箭及有效载荷，进行发射前的最后测试、加注推进剂、充填压缩空气、进行垂直度调整、瞄准和发射。发射区的设施包括发射台、导流槽、脐带塔、勤务塔、发射控制中心、推进剂库房、压缩气体贮存库、转场运输设备、测试设备、操作控制设备、加注设备、瞄准设备、空调设备、配电设备、中和清洗设备、消防设备和应急救生设备等。图6-3为典型的发射区布局。（3） 场区测控系统场区测控系统是整个航天测控系统（网）的重要组成部分，但又有其特殊性和独立性。场区测控系统除了承担对运载火箭起飞和飞行初始阶段的跟踪测量外，更重要的是为确保场区安全提供安全控制信息。场区测控站
16、的布局应考虑到不同发射方向和各个发射区的跟踪、测控要求，尽量使测控设备得到充分的利用。场区测控系统的主要设备有各种光学测量设备、雷达和无线电测量设备、遥测设备、电子计算机、时统设备、通信设备和显示设备等。（4） 技术保障系统技术保障系统为发射场发射前技术准备和发射后处理提供各种技术服务，包括检修、计量、大地测量、气象、数据处理等技术设施和部门，以及为运载火箭及有效载荷出现故障临时进行检修、更改的加工、装配、测试和试验设施。（5） 后勤保障系统后勤保障系统包括供水、供电、通信、机场、铁路、公路、物资和生活用品供应的集散区以及工作人员的居住区等。6.2.4 我国的航天发射场（1） 酒泉卫星发射中心我国科学卫星、技术试验卫星和运载火箭的发射
