郭 亮 田大肥 宮經(jīng)海 佟姝茜

（1.太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心 天津 300457）

（2.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司北京研發(fā)中心 北京 100086）（3.海洋石油工程股份有限公司 天津 300461）

1 引言

近年來(lái)，許多地處赤道地區(qū)的國(guó)家對(duì)發(fā)射近赤道、低傾角衛(wèi)星的需求越來(lái)越旺盛。發(fā)射這類(lèi)衛(wèi)星，離赤道越近，運(yùn)載能力損失越小，發(fā)射成本越低。因此在靠近赤道的海上進(jìn)行火箭發(fā)射，成為許多航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)的一種發(fā)射模式［1］。

但是，世界主要航天強(qiáng)國(guó)在赤道地區(qū)缺少合適的火箭發(fā)射場(chǎng)，營(yíng)建新的發(fā)射場(chǎng)投入大，建造周期長(zhǎng)，而且存在地緣風(fēng)險(xiǎn)。

為了應(yīng)對(duì)此種情況，建造一種以船舶為平臺(tái)，搭載相應(yīng)的儀器設(shè)備，將其作為海上衛(wèi)星發(fā)射船，用于執(zhí)行海上衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)就成為順理成章的選項(xiàng)。

2 技術(shù)方案應(yīng)遵循的原則

在海上進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射并不是一個(gè)全新的概念，Sea launch公司已經(jīng)做出了嘗試，并執(zhí)行了多次成功的發(fā)射任務(wù)。在海上進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射有諸多優(yōu)勢(shì)：1）選擇在赤道附近發(fā)射運(yùn)載火箭，可以增加運(yùn)載火箭的有效載荷，降低發(fā)射成本；2）在空曠的海上機(jī)動(dòng)選擇發(fā)射地點(diǎn)，對(duì)周邊環(huán)境影響小，尤其是能夠避免火箭箭體墜落對(duì)沿線居民生命、財(cái)產(chǎn)安全的威脅；3）在赤道附近發(fā)射運(yùn)載火箭，能夠以更低的成本發(fā)射低傾角衛(wèi)星，更好地滿足赤道地區(qū)國(guó)家的需求。但是由于商業(yè)上的原因，此種發(fā)射模式并沒(méi)有推廣開(kāi)來(lái)。所以應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識(shí)到，在海上進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射雖然有多種優(yōu)勢(shì)，但也不可避免地存在著一些風(fēng)險(xiǎn)。主要包括：

1）須建造專(zhuān)用的海上發(fā)射平臺(tái)，建造成本高，初期投入大。

2）在海上發(fā)射面臨的環(huán)境遠(yuǎn)比陸上惡劣，技術(shù)難度高，風(fēng)險(xiǎn)大。

3）由于缺乏借鑒，同時(shí)自身風(fēng)險(xiǎn)大，推高了融資與保險(xiǎn)成本，惡化了經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)當(dāng)前階段存在的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)分兩步走，逐步解決海上發(fā)射模式商業(yè)性差，風(fēng)險(xiǎn)高、收益低的缺陷：第一步，采用成熟技術(shù)，建造低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)射平臺(tái)，從發(fā)射小型固體火箭入手，逐步摸索出一套成熟可靠的技術(shù)線路［2］；第二步，在此基礎(chǔ)上逐步采用大型發(fā)射平臺(tái)，發(fā)射大型固體火箭，甚至是液體火箭。

其中發(fā)射小型固體火箭是必須要走的重要一步，在此階段應(yīng)當(dāng)探尋與海上發(fā)射相適應(yīng)的商業(yè)運(yùn)作模式和盈利模式。同時(shí)也是從無(wú)到有，從易到難，逐步積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。

當(dāng)前要做的是走好第一步，為了保證工程項(xiàng)目的順利推進(jìn)，在此過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點(diǎn)：

1）采用小型發(fā)射平臺(tái)，發(fā)射小型固體火箭；發(fā)射平臺(tái)采用成熟技術(shù)，降低建造、運(yùn)行、維護(hù)成本。

2）采用技術(shù)成熟，性能可靠的火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，確保成功率，提升公眾和商業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)此種發(fā)射模式的信心。

3）確保發(fā)射過(guò)程的安全、環(huán)保，打消公眾在安全、環(huán)保方面的疑慮，為工程的推進(jìn)開(kāi)展減少阻力。

3 提出總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上文提出的觀點(diǎn)，在技術(shù)發(fā)展的初期階段，出于節(jié)約成本與控制風(fēng)險(xiǎn)的考慮，可以將發(fā)射平臺(tái)造得適當(dāng)?shù)男?，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)當(dāng)選擇較小的運(yùn)載火箭。以快舟一號(hào)甲運(yùn)載火箭為例，該火箭是由中國(guó)航天科工運(yùn)載技術(shù)研究院研制的三級(jí)固體運(yùn)載火箭，可采用車(chē)載機(jī)動(dòng)發(fā)射方式，具備一箭多星發(fā)射能力［3］。該火箭全長(zhǎng)約20m，起飛質(zhì)量約30t，最大推力約36t，最大直徑1.4m，近地軌道運(yùn)載能力為300kg。

圍繞該型火箭，設(shè)計(jì)一種以船舶為基礎(chǔ)的用于執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的多功能海上機(jī)動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，如圖1所示。該發(fā)射平臺(tái)水線長(zhǎng)104.1m，型寬16.8m，型深10.0m，吃水6.0m，排水量8100t。搭載用于執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)的全套儀器設(shè)備，設(shè)置專(zhuān)用艙室，能夠在航行過(guò)程中完成火箭與衛(wèi)星的安裝調(diào)試工作，集運(yùn)輸、組裝、調(diào)試、起豎、發(fā)射功能于一身。

圖1 海上衛(wèi)星發(fā)射船總體設(shè)計(jì)方案

采用的技術(shù)方案是：在主甲板（16）中部設(shè)置主甲板艙口（15），用于火箭箭體與衛(wèi)星的吊裝與轉(zhuǎn)運(yùn)，將火箭箭體與衛(wèi)星分別安置在火箭組裝調(diào)試艙（6）與衛(wèi)星組裝調(diào)試艙（7）。組裝完成，搭載衛(wèi)星的火箭將被轉(zhuǎn)運(yùn)至火箭發(fā)射臺(tái)（11），火箭發(fā)射臺(tái)下設(shè)置水池（12），用以在火箭發(fā)射過(guò)程中保護(hù)主船體。水池下方是火箭燃料儲(chǔ)存艙（3），用于儲(chǔ)存火箭與衛(wèi)星使用的液體燃料。出于安全考慮，在火箭燃料儲(chǔ)存艙與船體其他艙室之間設(shè)置前、后隔離空艙（1）、（4）?；鸺l(fā)射對(duì)于精度有較高的要求，所以在船體中部的火箭組裝調(diào)試艙以下的艙室設(shè)置為壓載艙（5），可以增加船舶吃水，提高船舶穩(wěn)性。另外，將火箭燃料儲(chǔ)存艙和衛(wèi)星組裝調(diào)試艙以下的艙室設(shè)置為前、后減搖水艙（2）、（8），進(jìn)一步提高船舶穩(wěn)性。將主船體尾部艙室設(shè)置為主機(jī)艙（9），用以布置主機(jī)和其他相關(guān)機(jī)械設(shè)備。在主船體后部，主機(jī)艙以上設(shè)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(shè)置為火箭發(fā)射指揮控制室（13），用以指揮控制完成火箭發(fā)射任務(wù)。將主甲板的尾部設(shè)置為直升機(jī)甲板（19），用于直升機(jī)的起降。在艏樓甲板和尾部直升機(jī)甲板周邊的系泊設(shè)備平臺(tái)（20）位置布置船舶常用的錨泊設(shè)備和系泊設(shè)備。

具體工作原理和過(guò)程為：海上衛(wèi)星發(fā)射船在港口內(nèi)接收將要發(fā)射的火箭和衛(wèi)星，通過(guò)主甲板艙口（15）吊裝進(jìn)主船體（10）內(nèi)，并分別放置在火箭組裝調(diào)試艙（6）和衛(wèi)星組裝調(diào)試艙（7）。然后離開(kāi)港口，前往預(yù)定的發(fā)射地點(diǎn)，并在航行過(guò)程中完成火箭與衛(wèi)星的組裝調(diào)試與星箭結(jié)合，為之后的發(fā)射任務(wù)做好準(zhǔn)備。在到達(dá)預(yù)定的發(fā)射位置后，調(diào)整船體姿態(tài)，向壓載艙（5）注水，增加船體吃水，保持船體穩(wěn)定并向火箭發(fā)射臺(tái)（11）下的水池（12）內(nèi)注水。檢測(cè)火箭與衛(wèi)星的狀態(tài)，等待合適的發(fā)射窗口。在發(fā)射窗口到來(lái)的時(shí)機(jī)，啟動(dòng)前、后減搖水艙（2）、（8），進(jìn)一步提高船體穩(wěn)性。打開(kāi)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(zhuǎn)運(yùn)至火箭發(fā)射臺(tái)（11）。用于提升火箭的機(jī)械設(shè)備在完成任務(wù)后退回到主船體（10）內(nèi)，同時(shí)關(guān)閉主甲板艙口（15），甲板上的所有人員撤離。由技術(shù)人員在火箭發(fā)射指揮控制室（13）內(nèi)操作完成火箭的發(fā)射任務(wù)，并操縱雷達(dá)完成對(duì)火箭的跟蹤測(cè)控任務(wù)。完成發(fā)射任務(wù)后，關(guān)閉減搖水艙，排出多余壓載水，釋放火箭發(fā)射臺(tái)下水池內(nèi)的水，駕駛船舶返回港口，等待下一次發(fā)射任務(wù)。

4 改善平臺(tái)穩(wěn)性

在執(zhí)行海上火箭發(fā)射任務(wù)時(shí)，對(duì)船舶靜止?fàn)顟B(tài)下的穩(wěn)性有較高的要求，所以船上須設(shè)置減搖水艙。依據(jù)控制方式減搖水艙可分為被動(dòng)式減搖水艙、可控被動(dòng)式減搖水船和主動(dòng)式減搖水艙。被動(dòng)式減搖水艙由于結(jié)構(gòu)形式固定，減搖頻帶較窄，減搖能力相對(duì)較差；主動(dòng)式減搖水艙由于消耗能量較多，目前應(yīng)用很少；可控被動(dòng)式減搖水艙通過(guò)一定的控制，拓寬了可減搖的頻帶，同時(shí)耗能極小，因此被廣泛應(yīng)用［4］。

目前國(guó)際上可控被動(dòng)式減搖水艙主要有兩種形式，第一種是采用氣閥開(kāi)關(guān)控制空氣連通道，調(diào)節(jié)水艙固有周期的氣閥式可控被動(dòng)式水艙。對(duì)復(fù)雜海況有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但同時(shí)也存在控制難度大、可靠性差，使用維護(hù)成本高，管道設(shè)備多，占用空間多等缺點(diǎn)。第二種是通過(guò)變化擋板開(kāi)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?？梢酝ㄟ^(guò)控制不同位置和數(shù)量的擋板開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)減搖水艙的工作狀態(tài)，使其適應(yīng)不同的航行環(huán)境，達(dá)到最佳的減搖效果［5］。具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、自搖周期適應(yīng)性范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著對(duì)復(fù)雜海況應(yīng)對(duì)能力差的缺點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際情況，在執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)的過(guò)程中，必然要選擇合適的氣象條件，海況不會(huì)特別惡劣。所以對(duì)減搖水艙的性能不敏感，而對(duì)建造成本和技術(shù)難度更為敏感，故決定采用第二種減搖水艙設(shè)計(jì)方案。

在設(shè)計(jì)減搖水艙時(shí)，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(diǎn)要求［6］：

1）要求可控被動(dòng)式減搖水艙固有周期、船的橫搖周期以及船舶所在服務(wù)海域搖擺的最小周期盡量接近；

2）艙內(nèi)水的重量在排水量的5%以內(nèi)；

3）水艙內(nèi)自由液面帶來(lái)的穩(wěn)性損失一般限制在使初穩(wěn)性高減小25%的范圍內(nèi)［7］；

4）為使水艙內(nèi)的水不沖擊艙頂及不產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲，水的移動(dòng)在高度方向應(yīng)不受限制，為此，水艙的高度不小于艙內(nèi)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(xiàn)過(guò)大的艏搖運(yùn)動(dòng)，減搖水艙在船上的縱向位置不應(yīng)過(guò)于遠(yuǎn)離船舶重心。

結(jié)合本船的實(shí)際情況，充分利用雙層殼體之間的空間，分別設(shè)置前、后減搖水艙，可充分滿足上述要求?？勺冎芷跍p搖水艙基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。水艙邊艙用擋板隔開(kāi)，分成Tank A和Tank B兩個(gè)部分，對(duì)應(yīng)設(shè)置兩個(gè)空氣連通道，用兩個(gè)閥F1和F2控制其開(kāi)關(guān)。在底部連通道設(shè)置3個(gè)旋轉(zhuǎn)擋板D1，D2和D3。

圖2 可變周期減搖水艙實(shí)物簡(jiǎn)圖

可以通過(guò)控制F1和F2兩個(gè)氣閥和水艙擋板D1，D2和D3的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變水艙的固有周期。根據(jù)船舶的橫搖角、橫搖角速度等信息以及水艙內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)，利用葉片的角度調(diào)整水艙內(nèi)液體振蕩參數(shù)，使液體的流動(dòng)適應(yīng)船舶橫搖周期的變化，達(dá)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(tài)下。

表1 可變周期減搖水艙的4種工作狀態(tài)

可變周期減搖水艙周期計(jì)算公式為［10］

式中，g為重力加速度，g=9.81m s2。

式中，A0為邊艙截面積，；Bc為水艙邊艙內(nèi)壁間距；Dc為連通道高度；Lc為連通道寬度；Lt為兩邊艙長(zhǎng)度；Bt為水艙總寬度；h為靜水面深度；θ為邊艙傾斜角度。具體如圖3所示。

圖3 可變周期減搖水艙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)以上公式計(jì)算得出的水艙周期如表2所示。

表2 估算公式計(jì)算所得水艙周期

參考已有的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)，可變周期減搖水艙可以在5.5s～18s的周期范圍內(nèi)有效減搖，大大超出了被動(dòng)式減搖水艙的工作頻帶，而且不產(chǎn)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(fā)射過(guò)程中對(duì)船舶穩(wěn)性的要求。

5 校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

火箭發(fā)射過(guò)程中會(huì)對(duì)船體產(chǎn)生較大沖擊力，必須校核船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足要求［12］。根據(jù)《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》，設(shè)計(jì)船體在火箭發(fā)射臺(tái)位置的典型強(qiáng)肋骨剖面，材質(zhì)選為AH36。根據(jù)馬艷麗等人的研究成果，當(dāng)發(fā)射平臺(tái)距離發(fā)動(dòng)機(jī)噴口1.7m時(shí)，發(fā)射平臺(tái)壁面中心點(diǎn)的壓力為2.7atm。此種工況與本文設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)非常接近，故以此為參考。出于保守考慮，在計(jì)算時(shí)將發(fā)射平臺(tái)中心壁面中心點(diǎn)的壓力取為3atm。同時(shí)按照規(guī)范要求，在船體內(nèi)底板施加13000N/m2的甲板載荷，以此為輸入條件，建模計(jì)算船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖4 火箭發(fā)射臺(tái)位置受力分析圖

計(jì)算結(jié)果如圖4所示，船體最大應(yīng)力為218MPa。經(jīng)校核，此種設(shè)計(jì)方案符合強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合以往海上衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，總結(jié)了在海上執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)存在的技術(shù)與商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并提出了今后一段時(shí)間進(jìn)行海上衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的探索過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵循的原則，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

以上述原則為基礎(chǔ)，提出了一種海上衛(wèi)星發(fā)射船的總體設(shè)計(jì)方案。并對(duì)該設(shè)計(jì)方案在靜止?fàn)顟B(tài)下的穩(wěn)性，以及在受到火箭發(fā)射的沖擊載荷時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行校核。證明此種設(shè)計(jì)方案在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，能夠與減搖水艙充分配合，達(dá)到減搖的效果。初步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。