【原创】美国重型运载火箭大型结构运输方案简析

15914078741

1 引言

美国重型运载火箭包括土星－ 5（Saturn － 5）火箭、航天飞机和在研的“航天发射系统”（SLS），其大直径结构包括土星－ 5 火箭的一、二、三子级，航天飞机的外贮箱和四段式固体助推器，以及SLS 的芯级和五段式固体助推器。在完成生产和试验后，所有部件都要运到肯尼迪航天中心进行总装和发射。

美国重型运载火箭最主要的生产、试验和发射区位于沿海或沿河地区，非常便于利用水运的方式进行大直径结构的运输，因此水上运输是其采用的最主要的运输方案，而将公路运输、铁路运输和飞机空运作为补充方案。



2 水上运输

水上运输方案对于大直径结构的运输非常有利：一方面是因为船舶运输能力比较强，而且便于根据需求对船舶进行适应性改进；另一方面则是与水路相比，公路和铁路等方式的通行条件更好，对于大直径结构造成的限制比较少。

采用水上运输方案的大直径结构包括土星－ 5火箭的一子级和二子级、航天飞机的外贮箱以及SLS火箭的芯级。

土星－ 5 火箭的一子级

土星－ 5 一子级的运输路线为米丘德－斯坦尼斯航天中心－肯尼迪航天中心，从米丘德到斯坦尼斯航天中心为内河运输，采用敞开式的驳船运输；从斯坦尼斯航天中心到肯尼迪航天中心属于外海运输，为避免海上空气的侵蚀，采用封闭式的驳船运输。

一子级在米丘德完成制造后，首先利用专用运输车从厂房转运至港口，之后通过吊装的方式对一子级进行装船，然后经过内河运输至密斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心会采用起吊方式，直接将火箭级段从驳船上吊装至试验台。为了方便操作，斯坦尼斯航天中心修建了多条通往试验台的河道。



土星－ 5 火箭的二子级

土星－ 5 火箭二子级的制造地点位于加利福尼亚州北西尔滩，试验地点同样在斯坦尼斯航天中心（早期样机的试验地点在加利福尼亚州的圣苏珊娜基地实验室）。完成试验后，运往肯尼迪航天中心进行总装和发射。

圣苏珊娜基地实验室与西尔滩工厂中间仅相隔了一个洛杉矶，最初美国曾考虑直接通过公路进行运输，但是由于二子级直径太大，通过公路进行长途运输存在一定的风险（包括振动、环境、天气以及道路障碍等造成的影响），最后采取了公路运输和水上运输的组合方式，缩短了公路运输的距离。

二子级在西尔滩工厂完成生产制造后，通过卡车经短途运输到达港口，距离大约几千米，有宽阔的四车道公路。然后，通过封闭式驳船从加利福尼亚州经巴拿马运河运至米丘德。随后，二子级改由敞开式驳船运输到斯坦尼斯航天中心，并通过起吊方式竖立在试验台上。二子级完成试车后，通过封闭式驳船运往肯尼迪航天中心。

航天飞机的外贮箱

航天飞机外贮箱主要包括液氧贮箱、液氢贮箱和箱间段，长约47m、直径约8.4m。外贮箱在米丘德组装厂完成组装后，安装在轮式地面运输平台上，之后通过牵引车运抵1.6km 之外的码头。

外贮箱到达码头之后，由工作人员将其与运输平台一同装载至停靠在码头的“飞马座”（Pegasus）驳船（长约68.6m）内，并通过液压卡锁将其牢牢固定在驳船上，防止运输过程中出现滑动与震动。运输过程中，“飞马座”驳船由一艘轮船进行牵引，总航行距离达到1600 多千米，总航行时间为4 ～ 5 天。



SLS 火箭的芯级

SLS 火箭的芯级在米丘德进行生产和装配，之后运往斯坦尼斯航天中心进行试验，最后运往肯尼迪航天中心进行总装发射。目前，SLS 芯级还没有完成制造，根据NASA 公布的流程文件，其运输流程可以分为6 个主要环节。



SLS 芯级运输的6 个主要环节

（1）芯级准备

相关工作包括：①将芯级水平固定在多功能运输系统上；②锁闭芯级发动机；③安装并检查保护设施；④安装并检查测量、环境控制以及监测设施；⑤将相关设备打包封装。

芯级的运输车称为多功能运输系统，分为多功能承载设备和模块化自驱运输设备两部分。多功能运输系统分为前后两部分，由于有了驱动单元，所以不再需要牵引车辆。多功能承载设备结构下方为自驱动运输设备提供余隙，同时提供与驳船甲板连接的接口。模块化自驱运输设备为动力模块，由2 个或多个协同模块组成，可将芯级和多功能运输系统从底部托起，完成其从装配厂房至码头之间、港口至试验设施之间、厂房内、码头至总装大楼之间的地面转运。

（2）地面转运

在芯级开始转运前，首先要检查多功能运输系统，并启动测量、环境控制以及监测等设备。然后，芯级通过多功能运输系统以极低的速度完成转运。

（3）装船与卸船

芯级装船与卸船通过滚装/ 滚卸方式完成。在执行滚装/ 滚卸之前，将“飞马座”驳船停靠在码头安全位置，提供安全、合适的连接位置。芯级滚装/滚卸依靠多功能运输系统，芯级发动机指向驳船尾部，检测等专用设备放置在驳船指示位置，并通过基座、松紧螺丝扣等系紧设备完成产品的固定。

“飞马座”驳船是美国为满足航天飞机外贮箱运输需求而专门设计和制造的，为了适应SLS 芯级，美国在2014 － 2015 年对“飞马座”驳船进行了升级，增加了长度和高度。改进后的“飞马座”驳船长94.4m、宽15.24m；载货甲板长73.2m、宽10.9m、高12.8m。封闭式主甲板可以有效防止设备受到海水侵害和天气的影响，但不提供环境控制。

主甲板用于安放芯级及其支撑系统（便于转运及与甲板的连接），以及其他硬件设施。主甲板内配备有受控照明设施，并安装了6 台摄像机，可完整和连续地监视、记录货物区域。为保护芯级，在主甲板上还安装了一列D 形环、开有槽沟的孔眼和支承耳。此外，驳船还留有足够空间，用于固定结构和维护设备的存储。

“飞马座”驳船通过拖船进行移动，其动力由2台200kW 的发电机（或岸电）提供。到达码头后，驳船将通过船尾的前缘结构与码头壁凹处对接（压舱）。

（4）水路运输

水路运输分为4 个阶段。

第一阶段从米丘德的码头至斯坦尼斯航天中心试验区码头的内河航道运输，总距离为64.4km。此段运输路线中，驳船由2 艘拖船进行牵引。

在斯坦尼斯航天中心试验区完成产品卸船之后，“飞马座”驳船离开试验区停泊在距离2.4km 处的码头，其目的是为了在芯级试验过程中，保护驳船免受损伤。芯级完成试验之后，驳船将返回试验区，完成芯级装船。

第二阶段从斯坦尼斯航天中心试验区至密西西比河海湾港口，总距离为99.8km。本段运输过程中，驳船首先由2 艘拖船进行牵引，在海湾近岸内航道与海湾港口海峡交叉位置（离岸9.9km），改由一艘海洋拖船进行牵引。

第三阶段从密西西比河海湾港经由墨西哥海湾到达弗罗里达州卡纳维拉尔港口的海上航行。运输过程中，驳船由一艘海洋拖船进行牵引，运输总距离约为1313km。

第四阶段是从卡纳维拉尔港口至垂直装配大楼附近的肯尼迪航天中心码头的内河航道运输，总距离为29.3km，驳船由一艘内河船提供牵引，且位于驳船正前方的一艘辅助拖船将用于提升驳船的控制与机动能力。

（5）芯级处理

芯级移动工作包括采用吊车和起竖装置完成芯级的升降，通过垂直装配大楼内的起吊设备完成芯级的垂直起竖等。

（6）芯级检查

运送和接收机构的代表负责从“飞马座”驳船各个角度完成芯级状态和文件的检查。首先，通过目测对芯级的可视区域进行检测；其次，将硬件转移至垂直装配大楼之后，再次对芯级进行检测，对肉眼检测的局限性进行弥补；最后，对于未能通过检测的硬件，需要将其运回米丘德重新进行处理。

3 公路运输

略

4 铁路运输

略

5 飞机空运

略

6 小结

略

点
点击“阅读原文”，查看完整版