空间站工程海上应急救援保障新模式研究

叶建设，孙 威，吕斌涛，刘延利，杜海鹏

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094;2.交通运输部救助打捞局，北京100736)

1 引言

为保证航天员的生命安全，我国载人航天工程飞船发射的上升段设置了3个海上应急溅落区，依托交通运输部救捞系统大功率救助船建成了应急救援保障平台，承担各种海况条件下搜索打捞飞船返回舱、营救航天员的任务。现有海上应急救援保障平台，虽能满足阶段性载人航天任务要求，但高海况打捞设备、搜索定向设备等核心装备存在着结构复杂、需要反复拆装、维护保养难度大等问题，导致每次任务需要较长的准备时间，任务成本较高，系统总体效能发挥不足。

按照载人航天工程“三步走”发展战略，我国将在2020年前后建造空间站，解决有较大规模、长时间有人照料的空间应用问题［1］。空间站工程阶段，载人飞船发射任务将呈现出高频度、常态化的特点，现有模式难以满足任务要求。按照空间站工程特点和上升段海上应急搜救的任务要求，设计提出了海上应急救援保障新模式，实现海上应急搜救核心装备的“平战结合”，将对我国载人航天工程的建设与发展具有重要意义。

2 国内外现状分析

2.1 返回舱海上应急搜救现状

2.1.1 美国的飞船返回舱海上应急救援模式

美国的载人飞船着陆场主要选择在大西洋和太平洋，采用的是海上回收体制。美国拥有强大的海军，水面舰艇部队、海军航空兵部队和蛙人部队都非常强大，海上作业娴熟。“水星”号设计了32个计划溅落区和51个应急溅落区，171架飞机部署在全球30个机场和2艘航空母舰上。“阿波罗”飞船设计了4个海上着陆场和4个应急溅落区，主着陆场部署航空母舰和3架直升机、2架飞机［2］。

美国载人飞船回收和救援工作主要由国防部承担。“水星”号飞船回收时，国防部指派大西洋导弹靶场司令为国防部代表，授权组建国防部“水星”支援计划办公室，负责与NASA联系，协调国防部各部门以及海军、空军、陆军和海岸警卫队的工作，在休斯顿飞行指挥控制中心设立回收控制室和回收控制中心，全面指挥回收救援作业［2］。

美国载人飞船的水上救援回收工作主要由直升机投放潜水员和专用设备完成。1架救助直升机专门负责海面打捞装具投放，搜索到返回舱后，悬停至海面返回舱上方区域范围内，搜救员用引导网射击器将引导网射向返回舱，罩住返回舱后由直升机通过囊网整舱起吊至救助船甲板或陆地上由轮胎做成的返回舱座架，开舱营救航天员［2］。

2.1.2 苏联/俄罗斯的飞船返回舱海上应急救援模式

苏联/俄罗斯在载人飞船着陆场的选择与设计方面遵循“大着陆区”的原则，主要是采用陆上回收体制。联盟号飞船主着陆场选择在哈萨克斯坦的卡拉干达地区，三个应急着陆区选择在拜科努尔附件的哈萨克斯坦、北美大草原和鄂霍次克海(太平洋西北部边海)［3］。

苏联/俄罗斯载人飞船的回收救援工作由空军和海军的专业搜救部队以及与载人飞行有关的机构和部门共同完成。为了搜索救援应急溅落至海上的航天员，通常采用搜索救援直升机、空降救生汽艇、汽艇空间设备等组成海上救援系统。其中，汽艇配备了用于拖曳和系吊返回舱的牵引设备。另外，还包括搜索救援水陆两用飞机和船载搜救直升机等。俄罗斯联盟号飞船返回的海上应急救援主要采用与美国、加拿大等国家进行国际合作的方式，每年进行一次海上应急救援试验。通过飞机尽可能靠近返回舱并将航天员转移到飞机，后由全地形轮式两栖车辆的船员完成返回舱及残骸的回收，将其拖到岸边并用起重机将其拉出水面［3］。

国外飞船返回舱海上应急救援主要是面向低海况条件下完成的，高海况条件下直升机起飞受限，返回舱捕获打捞并没有很好的解决方案［4］。

2.1.3 我国载人飞船发射海上应急搜救模式

我国载人飞船发射海上应急搜救采用“海上打捞返回舱、船上救援航天员”的工作模式，由交通运输部救捞系统搜救力量完成，3个海上溅落区各部署1艘主力救捞船，船上配备有搜索定向、返回舱打捞、医疗救护和远程通信设备［5］。

在返回舱打捞方面，我国基于大功率救捞船的应用状态，针对飞船返回舱表面光滑、无法勾挂/系留等特点，借鉴渔业捕捞、水上污油回收等技术，自主研制了高海况打捞设备，以救捞船为母体，采用舷侧拖曳柔性网打捞、船艉起吊的方案，初步解决了在高、低海况条件下打捞飞船返回舱、救援航天员的难题［6，7］。

在搜索定向方面，救捞船通过加装超短波定向仪［8］，对溅落在海上的返回舱信标信号进行搜索定位;当出现常规定位手段失去效用的极端情况时，利用海上过往商船资源作为应急搜寻的补充手段。

在通信与信息支持方面，海上各救捞船利用现有的海事卫通设备完成与北京的船位数据传输及后支医院的话音通信。目前，仅有离岸较近的溅落区能够实现与北京的视频通信。

2.2 问题分析

1)现有装备保障模式，核心装备规模庞大、加改装工程复杂，任务成本高，不适应空间站工程阶段“高频度发射、常态化搜救”的要求。

现有高海况打捞、搜索定位等设备，是载人航天工程海上应急搜救专用设备，结构复杂，不具备通用性，不能为日常海事救助任务所用，每次任务装船前需提前近2个月对设备进行全面的检查和测试以确保设备状态满足装船要求，任务后又需要将所有的专用设备全部拆卸并需要专用仓库和场地来保存，加改装施工周期长，维护保养难度大，任务成本期间基本丧失应急救助抢险功能，对日常海上应急救助抢险工作产生一定影响。

空间站工程阶段“高频度发射、常态化搜救”的特点，要求海上应急救援保障平台在装备保障上应尽力实现不拆不卸。需要对高海况打捞、搜索定位、医疗救护等设备进行优化、简化，对通信系统的设备硬件、软件和链路资源进行一体化设计，尽量做到任务前后对装备设施不装卸或减少装卸工程量，缩短船舶加改装时间，降低加改装经费投入。在完全具备海上应急救援保障能力的前提下便于设备的操作使用和维护保养，同时能够作为救捞船舶的有机组成部分，在日常海上救助中发挥效能。

2)现有任务实施模式任务准备复杂，快速响应能力不足。

现有模式下，交通运输部领受任务后，参试各救助局的救捞船任务前需集结至某地集中进行船舶加改装、设备测试、打捞训练及演练，任务解除后，参试船舶同样需集结至某地进行船舶复原。任务准备时间长，平战转换慢，不能快速形成任务状态。

空间站工程任务特点，要求海上应急救援保障的组织实施必须遵循新的运转模式，切实缩短参试力量的集结时间，降低任务准备的工作量，减少准备周期，快速形成战斗力。

3 平战结合保障模式设计

我国的载人航天工程经过20多年的建设与发展，已经由试验性向应用性转变，对于地面支持系统，要求更好地综合利用国家现有的设施资源，系统建设上注重军民融合式发展。交通运输部救捞系统，是我国海上救助打捞的专业力量，也是我国载人航天任务的海上应急救援保障的可靠力量，依托大功率救捞船，开展“平战结合”建设，将其建成航天任务海上应急救援的专门保障船，是十分必要且可行的。此处的“平”是指日常海上应急救助任务，“战”是指载人航天工程海上应急搜救任务。平战结合模式的主要设计思路是按照“安全可靠、航天适用、救捞实用、简约经济”的原则，建立运转更加高效、稳固、有力的组织实施模式，建成更加精简但功能齐备的装备保障模式，满足“平”和“战”两方面任务要求。

3.1 组织实施模式

3.1.1 组织指挥

空间站工程海上应急救援的组织指挥工作，采用“两级指挥、军地融合”的模式。两级指挥关系是:第一级为北京航天搜救指挥中心，第二级为交通运输部救捞局牵头成立的海上应急搜救指挥组;军地融合是:在任务实施过程中，充分利用交通运输部救捞局多次承担海上应急救援保障任务的工作经验，按照平战结合的原则，将交通运输部救捞系统现有海上日常救助打捞的组织指挥体系整体纳入载人航天任务联合搜救指挥体系，并保持其内部组织指挥的相对独立性，以充分发挥国家海上专业救助打捞队伍高效、快捷的组织指挥优势，进而大大增强航天应急搜救系统的整体可靠性。

按此组织指挥模式，交通运输部救捞系统应进一步加强组织机构建设，将载人航天工程海上应急救援保障任务纳入救捞系统各参试单位日常职责范围;研究完善海上应急救援保障平战结合综合保障制度，建立健全包括业务培训、考核评价、总结交流及设备设施管用养修等内容的常态化工作制度要求。

3.1.2 任务实施

执行和解除任务时实现平战快速转换，参试力量根据任务情况就近、就便集结登船，参试船舶从原值班待命位置起航赶赴任务海区执行任务，任务正常解除后可直接返回母港或待命点。发生飞船返回舱应急溅落至海上情况，按任务方案实施搜索、打捞、救援任务，由北京航天搜救指挥中心统一指挥实施航天员及返回舱转运、移交等后续任务。

按此任务实施模式，高海况打捞设备、搜索定向设备、指挥通信设备和部分医疗救护设备等可以作为全天候救捞船设备的组成部分，在日常海上救捞工作中发挥作用，这些设备平时为救捞船使用和维护保养，设备研制单位提供技术保障。每次任务时，救捞船快速由“平时状态”转换至“任务状态”，只需在属地进行短时间、小范围的设备加改装和任务准备，实现从“集中大范围加改装”向“属地化部分加改装”的转变，从而避免了现有模式下救捞船集中式、大范围、长时间的加改装和任务准备，进而提高保障效率、确保任务成效。

3.2 装备保障模式

3.2.1 船舶平台

按照“平战结合”原则，可以结合交通运输部救捞系统后续船舶建造计划，选用大功率救助船舶建成载人航天任务海上应急救援的专业保障船。在其设计、建造工作中，统筹考虑高海况打捞回收设备、搜索定位设备、医疗设备及专用舱室、通信指挥设备的布局和加装等工作，实现装备一次加装、随船使用;设备装船后由所在船舶负责维护、保养;强化设备操作人员业务培训，提高装备“平”和“战”的应用水平。

3.2.2 新型高海况打捞设备

按照“平战结合”原则设计的高海况打捞设备，在保证安全可靠的前提下，应尽量采用船舶固有设备，简化返回舱专用设备，做到平战转换时不拆不卸或少拆少卸，节约投入成本，提高快速响应能力。

新型高海况打捞设备的设计，应去除现有设备中占用后甲板很大空间的龙门架、返回舱座架等装置，可借鉴海洋渔业臂架式拖网技术方法，综合利用船舶固有的拦截臂、左右曳纲绞车和拦截臂后张紧绳绞车等设备，加装返回舱起吊防摇装置，联合柔性打捞网，实现返回舱船侧打捞、拦截和起吊一体化功能。新设备系统中，返回舱防摇装置、打捞网以及返回舱简易座架，均采用模块化设计和快速安装工艺，以提高系统设备装拆的便利性。新型高海况打捞设备设计效果图如图1所示。

3.2.3 新型船载搜索定向设备

对现有船载定向仪进行功能改进，实现对返回舱多个搜索合作目标的测向功能。同时，新研制的船载超短波定向仪加装至救捞船后将作为随船设备不再拆卸，由船上人员对其进行日常检修、维护、使用，既能在载人航天任务期间完成返回舱搜索任务，也可以在日常海上救助抢险中发挥作用。

图1 新型高海况打捞设备设计效果图Fig.1 Effect drawing of a new design for salvage equipment under high sea condition

3.2.4 船载医疗救护设备

医疗救护系统建设与选定的救捞船舶设计建造同步进行，按照同时救助3名航天员的医疗救护要求，在同层甲板预设抢救、手术、保障等功能性舱室，并规范病员呼叫、视频会商、医疗队携带设备器材固定等相关接口，实现一次建设到位、不再反复拆卸，为长期频繁执行空间站工程任务提供良好的船上医疗救护条件［9］。

3.2.5 指挥通信设备

在指挥通信装备方面，综合利用交通应急宽带VSAT系统及资源，对船舶现有通信手段进行设备增配或适当扩容，使其在装备硬件上同时具备B区、C区和沿海区域远程视频通信保障能力，满足3个应急溅落区船舶向岸基中心1 Mbps带宽传输速率要求。

4 平战结合模式效益分析

4.1 任务实施效益分析

载人航天工程海上应急救援保障任务的实施流程，主要包括任务通报、任务准备、任务实施、力量复原、任务总结等5个阶段。通过测算，从救援力量集结到任务结束后搜救力量复原(不包括前期救援方案编报、应急救援设备前期检测和试验、任务总结等)，现有模式下实施1次任务需要75天，平战结合模式可实现“平”和“战”快速转换，仅需30天，大大缩短了任务周期。同时，任务后也能快速复原，确保不影响日常海上救助抢险打捞工作。见表1。

表1 平战结合模式与现有模式任务实施时间对比表Table 1 Comparison of implementation time for integrating routine and emergency mode and current mode

4.2 装备效益分析

现有模式下，搜救打捞设备是载人航天任务的特有装备，任务前需要加装，任务后必须拆卸以恢复船舶的平时救助功能;采用平战结合模式后，搜救设备可以在设计、采办、使用及维护等环节与船舶实现了装备一体化，既能完成载人航天任务，也不影响船舶的平时救助功能并能发挥有效作用，可大大提升救援保障平台的整体效能。

4.3 经济效益分析

按现有模式，搜索定向、高海况打捞等设备，设计寿命均为10年。按20年10次任务计算，空间站工程中期需对全部设备进行1次更新。从载人航天工程前期任务实施效果来看，设备的更新改造、维护保养等费用较高。以高海况打捞设备为例，通过对设备研制生产、设备维护及维修保养、设备测试与技术支持、设备加改装及消耗费等装备保障各环节的成本核算，采用平战结合模式进行研制生产，一次性投入方案设计和系统试验费，设备寿命期可达20年，每次任务前后的设备维护保养及加改装费大大缩减，且节省了救捞船自带的吊机等设备的经费投入，投入成本仅为现有模式的30%。

5 结论

我国载人航天工程已进入空间站工程建设阶段，海上应急救援迫切需要转变保障模式以适应新的任务特点和要求。采用“平战结合”的保障模式，搜救装备可实现与救捞船舶平台的一体化设计，装备保障更加精简通用，任务实施更为顺畅高效，缩减了任务成本，提高了装备效能;同时，海上应急救援保障“平战结合”设计与实现，既为未来载人航天任务海上着陆场建设提供有力的装备支撑和技术支撑，也为我国海上救助和高海况条件下的应急抢险打捞增强了能力，应用前景广阔，具有重要的军事、社会与经济价值。建议进一步加强论证设计，抓住时机，尽早开展并投入使用，为国民经济发展和载人航天工程建设做出贡献。

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［3］郭剑锋，刘少文.俄罗斯航空航天搜救扫描［J］.国防科技，2005(3):45-49.

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［5］孙威，吴斌.实施载人飞船返回舱海上溅落搜索救援的技术分析与方案探讨［J］.载人航天，2007(4):36-39.

［6］谌志新，吴斌，王志勇，等.一种高海况条件下返回舱的回收方法:中国，ZL201010220610.4［P］.2014，02，12.

［7］谌志新，周彤，徐皓，等.飞船返回舱高海况打捞设备电液控制系统［J］.渔业现代化，2007，34(6):55-59.

［8］李旭，吴斌，戴鹿村，等.机载超短波定向仪:中国，ZL200910122406.6［P］.2013，10，16.

［9］姚均迪，许恒，杨杨，等.载人航天任务海上救援船医疗舱室改装和装备研究［J］.医疗卫生装备，2003(3):72-73.