高密度任务下的挑战与破局：数字样机助力火箭发射提效提质

news2025/4/8 11:13:32

2025年4月1日12时，在酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭顺利升空，成功将一颗卫星互联网技术试验卫星送入预定轨道，发射任务圆满完成。这是长征二号丁火箭的第97次发射，也是长征系列火箭的第567次发射。

执行本次任务的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团第八研究院研制，采用常温液体二级设计。此次任务成功应用了直径3.8米的复合材料卫星整流罩，较同尺寸金属整流罩在三个方面取得了突破：

显著拓展了卫星载荷包络空间，提升了任务的适应性；
提升了电磁波透波性能，保障了无线通信链路可靠性；
内表面光滑易于清洁，满足高洁净度的航天环境要求。

自2016年起，我国新一代运载火箭已进行了多次成功发射，将天和核心舱、天舟飞船、天问一号等载荷成功送入太空，为我国空间站建设等重大任务提供了有力支持。2020年以来，随着新一代运载火箭技术逐渐成熟，运载火箭发射频率也进入了高密度时期。以直径3.35米的新一代运载火箭为例，2020年之前的四年内仅完成4次发射，而在2021年和2022年分别完成了4次，2023年完成了5次，2024年计划实施5次发射。随着发射场保障能力和制造能力的提升，发射频率不断加密。

随着高密度发射需求的增大，发射支持系统的任务周期也面临更高的压力。火箭测试和发射（以下简称测发）周期从火箭海运到港后卸船、箭体恢复、垂直组装、系统测试到最终发射，通常需要35至38天。加上节假日、台风等因素，实际周期常常延长至42天左右。以此计算，若每年执行4次发射任务，测发周期将占全年总天数的46%；若执行5次任务，则占57.5%，从而导致设备恢复的时间越来越紧张。要想保障高密度任务的顺利进行，必须解决设备恢复周期过长的问题。

发射平台作为重要的发射支持装备，每次发射后需进行不同层次的检修。按照国家规定，执行一次发射后需要进行小修，执行五次任务后进行中修，十次任务后进行大修。根据现行的发射密度统计，发射平台的检修周期大约每年会发生一次，且中修和大修通常需要6到12个月。这一过程会严重影响高密度发射计划的实施。

以发射平台的中修为例，检修内容包括机械、液压、电控、空调等9个专业领域，涉及50余项工作。中修和大修通常包含技术改造和优化设计，因此这些检修过程既技术要求高，又周期长，且各系统间相互制约，增加了整体检修的复杂性。

随着发射任务密度持续提升，如何缩短设备检修周期，保障各项任务高效推进，已成为火箭发射支持系统面临的核心挑战。而航天发射本身是一项高风险、高成本的复杂工程，任何细小误差都可能引发严重后果，进一步加剧了对高可靠性与快速响应能力的需求。

虽然通过大量地面试验可以在一定程度上提高系统的可靠性和成熟度，但受限于运载火箭测试数据的稀缺、同型火箭试验次数有限，以及故障样本不足，当前控制系统的故障诊断仍难以实现高效、精准。这一问题已成为制约高密度发射能力提升的重要瓶颈。

在这种背景下，数字样机技术在火箭研制和测试阶段发挥了至关重要的作用。数字样机是当前被广泛认可的一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、可视化物理世界的重要技术。通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，数字样机技术为物理实体增加或扩展新的能力，已在设计、生产、测试、故障检测等多个环节得到应用，也涌现出了一批国产自主可控的数字样机仿真工具。

在数字样机技术应用方面，天目全数字实时仿真软件 SkyEye 提供了有力支撑。该软件由迪捷软件自主研发，是一款基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式快速搭建虚拟硬件平台，可通过多领域分布式协同仿真平台DigiThread与多种不同仿真工具进行协同仿真，构建火箭仿真验证数字样机。基于SkyEye构建的数字样机可实现控制系统的全流程高精度仿真，覆盖飞行全程各类极端工况，提前发现潜在问题并优化方案，确保火箭和卫星的各系统在真实环境下能够稳定运行，有效辅助方案优化与风险规避。