发射场航班化发射能力建设思考

引用格式

钟文安, 吴纯治, 陈少将.发射场航班化发射能力建设思考［J］.宇航总体技术,2024,8(4)：71-78.

Citation

Zhong W A, Wu C Z, Chen S J. Insight on capacity construction for airline-flight-mode launching of spaceport［J］. Astronautical Systems Engineering Technology, 2024,8(4)：71-78.

文章导读

摘要

航班化发射是构建未来高效航天运输系统的必要前提，是支撑太空产业蓬勃发展的重要基础。针对航班化发射运营对发射场能力的需求，开展了能力规划与建设思考。结合航天发射系统发展现状分析与航班化发射特征要求，描绘了发射场航班化运营的4类典型场景。在此基础上，对航班化发射场景下发射场的班次发射能力、火箭回收能力、综合测试检修能力、体系运营能力进行了规划，并从关键技术实现、基础设施建设两方面开展了能力建设的分析讨论。

主要内容

01

航天发射系统的现状分析

近年来，全球航天发射活动次数呈快速增长态势，年发射次数在2023年已突破200大关，10年间增加了1倍有余。其中美国、中国是主要的增长极，俄罗斯、欧洲、印度等维持较为稳定的水平，如下图所示。值得关注的是，美国SpaceX自2021年起以每年不低于50%的幅度在持续增长，2023年更是以96次发射登顶全球榜首，预计2024年达到144次，将承担超过全球90%的入轨质量。

全球航天发射次数的逐年增长趋势

当前，各航天大国都将火箭回收复用作为航天技术的重点发展方向。SpaceX高频次的发射规模离不开其成熟运用的一级火箭回收复用技术，确保了其在有限火箭产量的约束下完成尽可能多的航天发射。作为航天发射系统的重要组成部分，发射场的能力匹配提升是支撑航天发射活动蓬勃发展的基础。

航班化航天发射应满足规模化、经济性等要求。在规模化方面，猎鹰9号作为全球范围内航天发射的能力标杆，年发射近百次，将千余吨载荷送入了太空，其中单工位发射能力达到55次/年。在经济性方面，猎鹰9号通过其超高的重复使用率使得近地轨道的发射报价低至约3000美元/kg，领先国内外各型运载火箭，但其发射价格仍难以支撑航天运输产业的规模化。

02

航班化发射特征要求

“航班”源于飞机的运营模式，其关键特征在于定时刻、定路线的稳定交通班次。将此概念拓展至航天运输领域，航班化发射是指发射场能够以稳定的班次发射运载火箭，持续性为航天器、人员进入太空提供服务。为达到这一水平，发射场首要目标就是要扩大航天发射活动的规模，提高年发射次数能力，即在现有水平上大幅度提高发射频次，缩短间隔周期，显著降低运营成本。

为确保航班化发射活动中班次的稳定与可持续性，发射场一方面应具备单次定期发射的能力。首先应确保发射活动的高度可靠与绝对安全，将约束因素减少至仅受到窗口约束；其次是能够满足单次任务在各类窗口限制下的准时发射要求，尤其是“零窗口”条件下的准时发射。另一方面应实现高效发射，将任务准备周期缩短至与窗口周期相匹配，以支撑多班次快速轮换，见下图。

航班化发射理论基础

航班化发射离不开多型运载火箭的参与，发射场需要能够兼容各型运载火箭，适应各种测试发射模式。

03

发射场航班化发射蓝图

相比传统的测试发射流程，航班化发射新增了运载火箭回收、检修评估、短期贮存等环节，形成了发射、回收、检修、测试的循环体系，详见下图。

航班化发射流程

根据航班化发射流程，发射场主要由发射、回收、测试、运输4类场景构成。

以班次化发射为主，支撑航天运输系统的常态化运营，同时提供应急发射与包机发射作为补充，见下图。

班次、应急与包机发射模式示意图

未来发射场应建成能够适应多种类型的火箭与航天器测试，同时具备火箭检测维修、短期贮存保障的综合性测试准备区，形成覆盖航天器总装、测试与加注，运载火箭总装、测试、贮存与检修、逃逸装置测试评估等的全方位保障能力。

测试准备区支持大量产品的分布式并行测试，可同时开展任务火箭的总装测试、回收火箭的维修恢复、待命火箭的临时贮存、航天器的总装测试与加注以及其他产品的专项测试工作，以及为航天员训练和生活提供场所条件，见下图。

综合测试准备区的分布式并行测试示意图

航天发射场作为航天运输系统的地面枢纽，周边必须配套火车站、汽车站、港口码头、机场等，深度融入现有交通运输网络中，形成以发射场为枢纽的多式联运网络，见下图。

以发射场为枢纽的多式联运网络

04

发射场能力建设规划

在发射场的功能规划中，运载火箭的加注发射能力是核心，运载火箭回收、检修与评估、航天器的测试总装、航天员的训练、产品接运、发射场系统运营等是重要组成部分。

4.1

发射能力

安全可靠是实现未来超高密度的发射批次和大批量载荷航天运输的必要前提。

1）箭地设备可靠性提升。

2）加注/泄回安全控制。

3）安全退出技术。

4）故障检测与逃逸技术。

5）飞行安全控制技术。

在窗口约束内的准时发射是决定载荷能否成功进入预定轨道的关键因素之一。

为提升工位的发射频次，实现高效发射，一是要缩短单次任务的发射工位占位周期，实现快速发射；二是将“测试”与“发射”分离解耦，提高发射工位的利用率；三是缩短发射工位的射后恢复与状态切换时间，提高工位周转效率。

航班化发射要求尽可能多地兼容不同运载火箭型号，而各型火箭测发模式、运载能力、结构尺寸、动力类型等均有所不同。因此，发射场应建成专属发射平台与共享发射平台互为补充，海、陆、空基发射多维结合的发射集群。

4.2

运载火箭回收能力

为满足可重复使用火箭的回收需求，发射场应建成综合性着陆场系统，具备多路径回收可重复使用运载器的能力。

1）原位回收设施。

2）垂直降落场坪/海上平台。

3）网系回收装置。

4）水平滑行跑道。

4.3

综合测试检修能力

除传统测发流程的星箭总装、测试等功能外，新增可回收火箭的检修评估能力。

1）多类型产品装配与工艺测试。

2）可回收火箭的快速检修与复用评估。

4.4

发射场运营能力

集测试、检修、发射、回收功能于一体的航班化发射对未来发射场的运维管理能力提出了极高的要求，主要包括综合管理、基础支撑两方面。

1） 综合管理能力。

2）基础设施支撑。

文章结论

为推进航天发射活动向简便化、高效化、规模化发展，实现航班化运营，建成发射能力充足、测发模式多样、发射/回收平台多类、运营能力强大的航天发射场是重要支撑。在发射场能力建设过程中，先进的发射理论、一流的发射技术与完善的基础设施3个维度相辅相成，缺一不可，要统筹考虑，软硬兼顾。

全文链接

http://yhztjs.zghtqk.com/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20240408&flag=1

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本文转载自“宇航总体技术”，原标题《【亮点文章】发射场航班化发射能力建设思考》。

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