航天飛機(jī)地面返場(chǎng)操作技術(shù)研究

康開(kāi)華

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航天飛機(jī)地面返場(chǎng)操作技術(shù)研究

康開(kāi)華

（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所，北京 100076）

介紹了航天飛機(jī)最初設(shè)計(jì)的返場(chǎng)操作方案和服役后實(shí)際執(zhí)行的返場(chǎng)操作，詳細(xì)介紹了軌道器從著陸于跑道到軌道器處理廠房，而后再次運(yùn)抵發(fā)射臺(tái)，直至在發(fā)射前所執(zhí)行的地面維護(hù)操作?；诤教祜w機(jī)的返場(chǎng)操作，提出未來(lái)研制天地往返可重復(fù)使用運(yùn)載器在地面維護(hù)操作方面的建議。

軌道器；外貯箱；固體助推器；地面維護(hù)；返場(chǎng)操作

1 引言

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研制的航天飛機(jī)是世界上第一種往返于地面和宇宙空間的部分重復(fù)使用的航天運(yùn)載器。它在發(fā)射場(chǎng)垂直起飛，上升過(guò)程中拋擲工作完畢的固體助推器殼體和外貯箱。助推器在海上回收、整修后供再次使用，外貯箱不回收。軌道器執(zhí)行任務(wù)后再入返回，水平著陸。原設(shè)計(jì)軌道器的維護(hù)周期為160h，即2周后便可執(zhí)行下一次任務(wù)。然而航天飛機(jī)的一大突出弊端便是維護(hù)操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（最少4個(gè)月），成本過(guò)高（2000年后每次發(fā)射的檢測(cè)和維護(hù)費(fèi)用都在5億美元以上），遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到美國(guó)當(dāng)初設(shè)計(jì)航天飛機(jī)時(shí)所設(shè)想的大幅度降低發(fā)射成本以取代一次性使用運(yùn)載器的目的。挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的重大事故均與返回后地面維護(hù)操作失誤有關(guān)，因而航天飛機(jī)退役后，世界各航天強(qiáng)國(guó)在開(kāi)展重復(fù)使用航天運(yùn)載器研制時(shí)，便將重復(fù)使用運(yùn)載器的地面維護(hù)操作視為是重要的研究課題，在運(yùn)載器方案設(shè)計(jì)之初就予以高度重視。

2 航天飛機(jī)設(shè)計(jì)的地面返場(chǎng)操作

圖1 軌道器地面返場(chǎng)操作

航天飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的返場(chǎng)為從軌道器著陸到執(zhí)行下一次任務(wù)起飛，返場(chǎng)時(shí)間為14d?；?班、一周5d的工作日，執(zhí)行地面操作將在160h的工作時(shí)間以內(nèi)。圖1示出了軌道器、外貯箱、固體助推器的地面返場(chǎng)操作及其地面系統(tǒng)間的相互關(guān)系。航天飛機(jī)采用了“航空公司”返場(chǎng)操作的基本方法[1]。

2.1 返場(chǎng)操作方案

圖2 返場(chǎng)各操作階段和位置

基于泛美世界航空公司（PAA）的分析，航天飛機(jī)的地面維護(hù)操作劃分為9個(gè)階段。圖2示出了各維護(hù)階段及其操作位置。

在PAA的分析中，將操作階段分為2大類：階段I、II、V、VI、VII、VIII和IX階段認(rèn)定為是地面操作階段，III和IV為維護(hù)階段。

2.2 返場(chǎng)操作階段

為了分析返場(chǎng)操作，將第三階段（飛行后維護(hù)）和第四階段（維護(hù)完成）整合。雖然第九階段與航天飛機(jī)的地面維護(hù)沒(méi)有直接的聯(lián)系，但它仍包含在返場(chǎng)周期分析中，因?yàn)樾枰治霰敬稳蝿?wù)對(duì)發(fā)射臺(tái)的影響是否會(huì)對(duì)下一次發(fā)射任務(wù)造成影響。表1和表2列出了返場(chǎng)操作的各階段和每一階段需要完成的任務(wù)，以及完成任務(wù)的時(shí)間。表2還列出了完成任務(wù)所需的人工時(shí)間[2]。

表1 返場(chǎng)周期（地面操作）

表2 返場(chǎng)周期維護(hù)（第三階段——飛行后維護(hù)和第四階段——維護(hù)完成）

由于航天飛機(jī)兼具飛機(jī)和航天運(yùn)載器二者的特征，因而NASA研制了返場(chǎng)所需的專用設(shè)備，并將它們應(yīng)用于航天飛機(jī)地面維護(hù)的各階段。在返場(chǎng)分析中，軌道器返場(chǎng)操作用時(shí)146.4h。該數(shù)據(jù)包含了預(yù)期的非例行的維護(hù)操作時(shí)間，不包括軌道器執(zhí)行較大的維修操作，但可執(zhí)行組件級(jí)的維修操作。

3 航天飛機(jī)實(shí)際的返場(chǎng)操作

作為航天飛機(jī)的主著陸場(chǎng)和發(fā)射場(chǎng)，肯尼迪航天中心（KSC）承擔(dān)了航天飛機(jī)大部分的發(fā)射和返場(chǎng)任務(wù)，擁有軌道器著陸跑道、軌道器處理廠房（OPF）、固體助推器處理廠房、飛行器總裝廠房（VAB）、發(fā)射臺(tái)39A和39B，有效載荷處理廠房和自燃推進(jìn)劑處理廠房等完備的航天飛機(jī)系統(tǒng)地面操作設(shè)施[3]。

3.1 著陸跑道操作

軌道器著陸后，安全評(píng)估小組利用監(jiān)測(cè)器獲得其周圍的蒸汽等級(jí)讀數(shù)，測(cè)試可能的爆炸或有毒氣體，如氫氣、肼、一甲基肼、二氧化氮或氨氣等。而后執(zhí)行軌道器的凈化和冷卻操作（如圖3所示）。如果證實(shí)無(wú)氫氣，操作將繼續(xù)執(zhí)行。如果檢測(cè)存在氫氣，航天飛機(jī)機(jī)組將立刻撤離，工作人員將清理現(xiàn)場(chǎng)，并關(guān)閉軌道器的應(yīng)急電源。

圖3 臍帶連接軌道器執(zhí)行殘留的爆炸和有毒煙氣的凈化

軌道器的凈化操作通常是在其著陸靜止于跑道上45～60min后開(kāi)始執(zhí)行。當(dāng)確定軌道器所處位置及其周圍處于安全狀態(tài)時(shí)，機(jī)組人員離開(kāi)軌道器，通常在軌道器著陸1h后執(zhí)行該項(xiàng)操作。在機(jī)組離開(kāi)軌道器后，軌道器地面冷卻仍在進(jìn)行時(shí)，飛行期間執(zhí)行軌道器控制的約翰遜航天中心將其所承擔(dān)的職責(zé)移交給KSC中心。KSC中心的支持人員準(zhǔn)備執(zhí)行軌道器的地面牽引操作，牽引操作通常在軌道器著陸4h內(nèi)執(zhí)行，并于6h內(nèi)完成。

3.2 軌道器處理廠房（OPF）操作

OPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似于復(fù)雜的飛機(jī)庫(kù)，圖4示出了牽引進(jìn)入OPF中的軌道器。在此軌道器將執(zhí)行多項(xiàng)飛行后修整和維護(hù)操作（其間將拆卸有效載荷和安裝下一次任務(wù)所需的設(shè)備），檢驗(yàn)和維護(hù)步驟包括：

a. 凈化軌道器的主發(fā)動(dòng)機(jī)，去除液氫和液氧燃燒生成的水氣；

b. 打開(kāi)有效載荷艙門并安裝檢修裝置，以支持有效載荷操作并確保操作安全；

c. 排空燃料電池低溫貯箱中的剩余反應(yīng)物，環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)排出高壓氣體；

d. 軌道器卸載不可儲(chǔ)存的消耗品并清除廢品。排空飲用水系統(tǒng)、向蒸發(fā)器噴水并拆除過(guò)濾器，以及拆卸輔助電源裝置；

e. 拆除發(fā)動(dòng)機(jī)的防熱層和后部檢修門，安裝主發(fā)動(dòng)機(jī)的框架自鎖和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板罩。拆卸3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)用于執(zhí)行獨(dú)立的檢查和維護(hù)以準(zhǔn)備執(zhí)行未來(lái)的飛行任務(wù)；

f. 當(dāng)需要時(shí)，拆卸軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)（OMS）和反作用控制系統(tǒng)（RCS）吊艙，以及前部RCS，送往KSC中心的自燃物維護(hù)廠房執(zhí)行維護(hù)。

圖4 軌道器進(jìn)入軌道器處理廠房進(jìn)行處理以執(zhí)行下一次飛行任務(wù)

此外，在OPF廠房?jī)?nèi)還要執(zhí)行軌道器的外觀檢查，涉及TPS、選定的結(jié)構(gòu)元件、起落架和其他系統(tǒng)，以確定它們是否在任務(wù)執(zhí)行期間受到損傷。在航天飛機(jī)執(zhí)行下一次任務(wù)之前，防熱系統(tǒng)的任何損傷都必須進(jìn)行修理。軌道器外部約25000塊防熱瓦和防熱氈，以及內(nèi)部約6000塊熱控氈的大部分維護(hù)作業(yè)都是在OPF廠房中進(jìn)行。而在OPF廠房?jī)?nèi)執(zhí)行的飛行前例行維護(hù)則包括：重新裝配軌道器系統(tǒng)用以執(zhí)行例行維護(hù)、更換部件，并安裝新任務(wù)的飛行套件和有效載荷。裝載可消耗的流體和氣體，并維護(hù)輔助電源裝置和潤(rùn)滑系統(tǒng)。OPF廠房?jī)?nèi)軌道器處理的最后步驟是稱量軌道器的重量，以確定軌道器的重心。軌道器的重心和重量將影響到軌道器的性能，飛行計(jì)劃要求精確地測(cè)量這2個(gè)數(shù)據(jù)。而后，拆除所有地面支持和檢修設(shè)備，在航天飛機(jī)總裝廠房?jī)?nèi)，外貯箱和固體助推器等待與軌道器對(duì)接。OPF廠房?jī)?nèi)的維護(hù)時(shí)間約為4～5月[4]。

3.3 外貯箱處理操作

外貯箱（ET）的起豎操作在垂直廠房中進(jìn)行，通過(guò)一部橋式吊車，ET從運(yùn)輸裝置上吊起，安裝在檢驗(yàn)車間的垂直檢查設(shè)備上，檢查ET及其相關(guān)硬件是否在運(yùn)輸和操作期間發(fā)生損傷，以及ET的重量。分系統(tǒng)檢查包括3項(xiàng)任務(wù)：a.徹底檢查ET的外部和松動(dòng)硬件，如液氧和液氫管路、排放口和增壓管路，以及松動(dòng)的SRB和軌道器接口硬件。b.將地面支持設(shè)備（GSE）和發(fā)射處理系統(tǒng)（LPS）連接至恰當(dāng)?shù)慕涌?，?zhí)行電氣、儀器設(shè)備和機(jī)械功能檢查，同時(shí)執(zhí)行液氫和液氧臍帶管路泄漏檢查。利用LPS執(zhí)行電氣、儀器設(shè)備、機(jī)電接口和功能的檢驗(yàn)，驗(yàn)證每個(gè)典型分系統(tǒng)的激勵(lì)和響應(yīng)。利用標(biāo)準(zhǔn)的泄漏檢查程序檢驗(yàn)流體和氣體接口。c.當(dāng)外貯箱分系統(tǒng)的檢查結(jié)果令人滿意，拆卸并存放GSE和LPS設(shè)備。外貯箱開(kāi)始準(zhǔn)備出廠。利用橋式吊車，外貯箱垂直起吊，并運(yùn)至移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（MLP），在MLP上外貯箱與SRB在接口點(diǎn)處完成連接。圖5示出了ET在廠房中的維護(hù)操作[5]。

圖5 在廠房中執(zhí)行維護(hù)操作的ET

3.4 固體助推器處理操作

圖6 在SRB處理廠房?jī)?nèi)起吊SRB部段

SRB可采用鐵路或船運(yùn)的方式從ATK公司的制造廠房運(yùn)抵KSC的SRB處理廠房。SRB水平運(yùn)輸，兩端帶有端蓋。每個(gè)端蓋上配備有儀器設(shè)備，以監(jiān)測(cè)運(yùn)送過(guò)程中的振動(dòng)載荷、溫度和濕度。SRB部段到達(dá)處理廠房后，便利用橋式吊車執(zhí)行卸載，如圖6所示。隨后將它們放置于止動(dòng)器或固定裝置上接受檢查。檢查包括全面的外觀顆粒檢查，襯層與隔離層、外部和因船運(yùn)可能造成的損傷而執(zhí)行每一部段的全面檢查。前部和后部部段（封閉和噴管組件）將采用類似的方式進(jìn)行檢查。內(nèi)部元件，如噴管延伸體、級(jí)間段部段、回收部段、頭罩、后裙、電纜管、推力矢量控制（TVC）系統(tǒng)等，將放置于SRB廠房的可控區(qū)域內(nèi)執(zhí)行功能檢查[6]。

在將SRB轉(zhuǎn)運(yùn)至總裝廠房（VAB）前，在SRB廠房?jī)?nèi)執(zhí)行分組件的檢查操作，包括電子設(shè)備系統(tǒng)安裝與檢查、回收系統(tǒng)安裝、分離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝，并將后裙連接到SRB的后部段以執(zhí)行后裙電子設(shè)備的安裝與檢驗(yàn)。安裝、維護(hù)TVC系統(tǒng)并執(zhí)行泄漏檢查。在SRB后部段與后裙組件對(duì)接之前，將分離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在后裙中。

通過(guò)運(yùn)輸裝置將單個(gè)SRB轉(zhuǎn)運(yùn)至VAB，SRB一旦運(yùn)抵VAB，SRB將從運(yùn)輸裝置上起吊轉(zhuǎn)運(yùn)至MLP并完成定位。而后遵循相同的操作序列執(zhí)行第2枚固體助推器的操作。2枚SRB執(zhí)行校準(zhǔn)檢驗(yàn)。安裝SRB的電纜管道和電纜并執(zhí)行電氣設(shè)備檢驗(yàn)。在MLP上，利用發(fā)射處理系統(tǒng)（LPS）執(zhí)行綜合與自動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試。圖7示出了SRB在飛行器總裝廠房?jī)?nèi)的操作。

圖7 SRB在總裝廠房?jī)?nèi)完成組裝操作

3.5 總裝操作

從OPF廠房，軌道器運(yùn)抵航天飛機(jī)總裝廠房（VAB），其1號(hào)間和3號(hào)間用于垂直組裝航天飛機(jī)。2號(hào)間和4號(hào)間用于飛行硬件和軌道器的存放。通過(guò)250t和175t的吊車，軌道器提升至垂直位置。而后緩慢地下降到正在等待的外貯箱和2個(gè)固體助推器的一側(cè)，如圖8所示。

圖8 軌道器提升至垂直位置并和外貯箱與固體助推器組合

圖9 航天飛機(jī)系統(tǒng)離開(kāi)總裝廠房去往發(fā)射臺(tái)

外貯箱和固體助推器已經(jīng)安裝到移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（MLP）上。軌道器開(kāi)始下降到外貯箱一側(cè)，完成軌道器與外貯箱的螺栓連接后，拆除起豎吊索和承載梁，執(zhí)行總裝和最后的測(cè)試，以及接口的電氣和機(jī)械檢驗(yàn)。安裝臍帶火工品裝置[7]（但不通電，直到軌道器運(yùn)抵發(fā)射臺(tái)）。6d后完成檢查。履帶式運(yùn)輸車將移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（MLP）和完成組裝的航天飛機(jī)系統(tǒng)運(yùn)往發(fā)射臺(tái)，如圖9所示。

3.6 發(fā)射臺(tái)上的最終操作

飛行硬件和地面支持設(shè)備快速斷開(kāi)。有效載荷可在OPF水平裝入軌道器中，但也可在發(fā)射臺(tái)上垂直裝入其中。有效載荷完成安裝后，軌道器關(guān)閉有效載荷艙門，宇航員航天服和其他機(jī)組成員的設(shè)備在發(fā)射臺(tái)上執(zhí)行安裝操作。軌道器的OMS和RCS加注一甲基肼和二氧化氮作為推進(jìn)劑。至此開(kāi)始執(zhí)行最后的發(fā)射前準(zhǔn)備：

a. 有效載荷完成最后檢驗(yàn)和測(cè)試，封裝并準(zhǔn)備執(zhí)行飛行任務(wù)；

b. 發(fā)動(dòng)機(jī)組件完成檢驗(yàn)后，軌道器準(zhǔn)備執(zhí)行飛行任務(wù)；

c. 檢查分離使用的火工品裝置，確保飛行中固體助推器與外貯箱分離，以及外貯箱與軌道器分離。

3.7 發(fā)射倒計(jì)時(shí)

發(fā)射倒計(jì)時(shí)始于發(fā)射前43h，發(fā)射控制人員就位并開(kāi)始檢查飛行系統(tǒng)和飛行軟件，以及顯示系統(tǒng)。發(fā)射前27h，測(cè)試航天飛機(jī)火工品點(diǎn)火器的控制器。低溫反應(yīng)物加注到軌道器的燃料電池貯箱中。發(fā)射前19h，斷開(kāi)軌道器中部機(jī)身的臍帶裝置。聲抑制系統(tǒng)水箱加注。發(fā)射前11h，發(fā)射小組完成所有的準(zhǔn)備工作，并排除航天飛機(jī)的任何故障，解決地面支持設(shè)備存在的可能影響到發(fā)射操作的問(wèn)題。如果未遇到問(wèn)題或延誤，倒計(jì)時(shí)繼續(xù)。軌道器準(zhǔn)備啟動(dòng)燃料電池，并執(zhí)行外貯箱低溫推進(jìn)劑加注操作。倒計(jì)時(shí)的最后時(shí)刻包括機(jī)組進(jìn)入軌道器、機(jī)艙門關(guān)閉、計(jì)算機(jī)和軟件最后配置、發(fā)射小組最后準(zhǔn)備查詢、末期時(shí)序和發(fā)射。

4 航天飛機(jī)地面返場(chǎng)操作的啟示

盡管航天飛機(jī)已經(jīng)退役，但作為世界上第一個(gè)投入實(shí)際使用的天地往返部分可重復(fù)使用的運(yùn)載器，它的研制經(jīng)驗(yàn)和深刻教訓(xùn)仍將是人類探索宇宙、攻克航天技術(shù)難關(guān)的巨大財(cái)富，其在返場(chǎng)操作方面所帶來(lái)的啟示有：

a. 航空公司的管理、技術(shù)和維護(hù)人員應(yīng)與未來(lái)可重復(fù)使用航天飛機(jī)的制造商持續(xù)地保持緊密的合作關(guān)系。通過(guò)采用航空公司的方法來(lái)執(zhí)行維護(hù)操作，將大大降低停機(jī)檢修的時(shí)間。

b. 從方案階段開(kāi)始，設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)并加強(qiáng)：維護(hù)和地面操作與性能同樣重要的認(rèn)識(shí)，并盡早地和持續(xù)地關(guān)注飛行器的可維護(hù)性和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

c. 基于相同的基本準(zhǔn)則整修組件，消除了一次完成整個(gè)飛行器的整修。

d. 通過(guò)采用維護(hù)機(jī)務(wù)組的方案可優(yōu)化維護(hù)人力，因此減少續(xù)生人工成本。

e. 如果要實(shí)現(xiàn)及時(shí)維護(hù)和維修，就必須安裝機(jī)載檢查設(shè)備、專用的分系統(tǒng)飛行監(jiān)測(cè)和機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)診斷系統(tǒng)。

1 Space shuttle final technical report, volume IX ground turnaround operations and facility requirements[M]. San Diego, California: General Dynamics, 1969

2 Edson W F. Space shuttle ground operations and their relation to mission planning and execution, AIAA-73-600

3 Space shuttle: orbiter procesing-from landing to launch. NASA facts[EB/OL]. [2017-06]. http://spaceresearch.nasa.gov

4 Schwartz R. Overview of STS ground operations/orbiter turnaround STS-1 through STS-7, N85-16926

5 Smith R G. Shuttle ground turnaround and launch projections, AIAA-82

6 Buckley R H. Shuttle ground turnaround operations[EB/OL].[2016-05]. http://commons.erau.edu

7 鄭正路. 可重復(fù)使用運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)檢測(cè)及維護(hù)方法研究[J]. 航天制造技術(shù)，2016(1)：68～70

Shuttle Ground Turnaround Processing Technology

Kang Kaihua

(Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijng 100076)

The original turnaround processing conception and the real operation of shuttle were introduced in the paper. The ground maintenance of orbiter was described in deteails from its landing to relaunching. Based on the turnaround operation of shuttle, the suggestions on ground maintenance were given for the development of the future reusable launch vehicle.

orbiter；external tank；solid rocket boosters；ground maintenance；turnaround operation

康開(kāi)華（1977），高級(jí)工程師，情報(bào)研究專業(yè)；研究方向：航天運(yùn)輸技術(shù)情報(bào)研究。

2017-12-15