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      海上衛(wèi)星發(fā)射船的概念設(shè)計?

      2020-07-09 12:37:36田大肥宮經(jīng)海佟姝茜
      艦船電子工程 2020年5期
      關(guān)鍵詞:水艙主甲板穩(wěn)性

      郭 亮 田大肥 宮經(jīng)海 佟姝茜

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

      (2.寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司北京研發(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,許多地處赤道地區(qū)的國家對發(fā)射近赤道、低傾角衛(wèi)星的需求越來越旺盛。發(fā)射這類衛(wèi)星,離赤道越近,運載能力損失越小,發(fā)射成本越低。因此在靠近赤道的海上進行火箭發(fā)射,成為許多航天強國爭相開發(fā)的一種發(fā)射模式[1]。

      但是,世界主要航天強國在赤道地區(qū)缺少合適的火箭發(fā)射場,營建新的發(fā)射場投入大,建造周期長,而且存在地緣風(fēng)險。

      為了應(yīng)對此種情況,建造一種以船舶為平臺,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。

      2 技術(shù)方案應(yīng)遵循的原則

      在海上進行衛(wèi)星發(fā)射并不是一個全新的概念,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)。在海上進行衛(wèi)星發(fā)射有諸多優(yōu)勢:1)選擇在赤道附近發(fā)射運載火箭,可以增加運載火箭的有效載荷,降低發(fā)射成本;2)在空曠的海上機動選擇發(fā)射地點,對周邊環(huán)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(chǎn)安全的威脅;3)在赤道附近發(fā)射運載火箭,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)國家的需求。但是由于商業(yè)上的原因,此種發(fā)射模式并沒有推廣開來。所以應(yīng)當(dāng)清醒地認識到,在海上進行衛(wèi)星發(fā)射雖然有多種優(yōu)勢,但也不可避免地存在著一些風(fēng)險。主要包括:

      1)須建造專用的海上發(fā)射平臺,建造成本高,初期投入大。

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

      3)由于缺乏借鑒,同時自身風(fēng)險大,推高了融資與保險成本,惡化了經(jīng)濟性。

      針對當(dāng)前階段存在的問題,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)險的發(fā)射平臺,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,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(shù)和經(jīng)驗的過程。

      當(dāng)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(yīng)當(dāng)遵循以下幾點:

      1)采用小型發(fā)射平臺,發(fā)射小型固體火箭;發(fā)射平臺采用成熟技術(shù),降低建造、運行、維護成本。

      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)機構(gòu)對此種發(fā)射模式的信心。

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

      3 提出總體設(shè)計方案

      根據(jù)上文提出的觀點,在技術(shù)發(fā)展的初期階段,出于節(jié)約成本與控制風(fēng)險的考慮,可以將發(fā)射平臺造得適當(dāng)?shù)男?,與之對應(yīng)的應(yīng)當(dāng)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(shù)研究院研制的三級固體運載火箭,可采用車載機動發(fā)射方式,具備一箭多星發(fā)射能力[3]。該火箭全長約20m,起飛質(zhì)量約30t,最大推力約36t,最大直徑1.4m,近地軌道運載能力為300kg。

      圍繞該型火箭,設(shè)計一種以船舶為基礎(chǔ)的用于執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的多功能海上機動發(fā)射平臺,如圖1所示。該發(fā)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(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)的全套儀器設(shè)備,設(shè)置專用艙室,能夠在航行過程中完成火箭與衛(wèi)星的安裝調(diào)試工作,集運輸、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,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)運至火箭發(fā)射臺(11),火箭發(fā)射臺下設(shè)置水池(12),用以在火箭發(fā)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(wèi)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(shè)置前、后隔離空艙(1)、(4)?;鸺l(fā)射對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),進一步提高船舶穩(wěn)性。將主船體尾部艙室設(shè)置為主機艙(9),用以布置主機和其他相關(guān)機械設(shè)備。在主船體后部,主機艙以上設(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(shè)備平臺(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,通過主甲板艙口(15)吊裝進主船體(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)。然后離開港口,前往預(yù)定的發(fā)射地點,并在航行過程中完成火箭與衛(wèi)星的組裝調(diào)試與星箭結(jié)合,為之后的發(fā)射任務(wù)做好準備。在到達預(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(11)下的水池(12)內(nèi)注水。檢測火箭與衛(wèi)星的狀態(tài),等待合適的發(fā)射窗口。在發(fā)射窗口到來的時機,啟動前、后減搖水艙(2)、(8),進一步提高船體穩(wěn)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(zhuǎn)運至火箭發(fā)射臺(11)。用于提升火箭的機械設(shè)備在完成任務(wù)后退回到主船體(10)內(nèi),同時關(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),并操縱雷達完成對火箭的跟蹤測控任務(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 改善平臺穩(wěn)性

      在執(zhí)行海上火箭發(fā)射任務(wù)時,對船舶靜止狀態(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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(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式水艙。對復(fù)雜海況有較強的適應(yīng)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(shè)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??梢酝ㄟ^控制不同位置和數(shù)量的擋板開關(guān)來調(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,達到最佳的減搖效果[5]。具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、成本低、自搖周期適應(yīng)性范圍廣的優(yōu)點,但同時也存在著對復(fù)雜海況應(yīng)對能力差的缺點。結(jié)合實際情況,在執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)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(shù)難度更為敏感,故決定采用第二種減搖水艙設(shè)計方案。

      在設(shè)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(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)生嚴重的噪聲,水的移動在高度方向應(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)過大的艏搖運動,減搖水艙在船上的縱向位置不應(yīng)過于遠離船舶重心。

      結(jié)合本船的實際情況,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,分成Tank A和Tank B兩個部分,對應(yīng)設(shè)置兩個空氣連通道,用兩個閥F1和F2控制其開關(guān)。在底部連通道設(shè)置3個旋轉(zhuǎn)擋板D1,D2和D3。

      圖2 可變周期減搖水艙實物簡圖

      可以通過控制F1和F2兩個氣閥和水艙擋板D1,D2和D3的轉(zhuǎn)動,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),使液體的流動適應(yīng)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(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)簡圖

      根據(jù)以上公式計算得出的水艙周期如表2所示。

      表2 估算公式計算所得水艙周期

      參考已有的實驗與仿真數(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)射過程中對船舶穩(wěn)性的要求。

      5 校核結(jié)構(gòu)強度

      火箭發(fā)射過程中會對船體產(chǎn)生較大沖擊力,必須校核船體的結(jié)構(gòu)強度能否滿足要求[12]。根據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范》,設(shè)計船體在火箭發(fā)射臺位置的典型強肋骨剖面,材質(zhì)選為AH36。根據(jù)馬艷麗等人的研究成果,當(dāng)發(fā)射平臺距離發(fā)動機噴口1.7m時,發(fā)射平臺壁面中心點的壓力為2.7atm。此種工況與本文設(shè)計方案的數(shù)據(jù)非常接近,故以此為參考。出于保守考慮,在計算時將發(fā)射平臺中心壁面中心點的壓力取為3atm。同時按照規(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,建模計算船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

      圖4 火箭發(fā)射臺位置受力分析圖

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

      6 結(jié)語

      本文結(jié)合以往海上衛(wèi)星發(fā)射平臺取得的經(jīng)驗教訓(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,并提出了今后一段時間進行海上衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的探索過程中應(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)計方案。并對該設(shè)計方案在靜止狀態(tài)下的穩(wěn)性,以及在受到火箭發(fā)射的沖擊載荷時的強度進行校核。證明此種設(shè)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(shè)計方案的可行性。

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