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“太空摆渡”送客最后一程

丁文华 //m.auribault.com 2014-03-12 来源：北京日报

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美国“半人马座”上面级。

　　新闻背景

　　全国“两会”期间传出消息，我国首个“太空摆渡车”——“远征一号”上面级将于今年首飞。这次首飞试验会模拟未来任务的全过程。该技术掌握后，将在我国未来的月球、火星等深空探测任务中，在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务中，在新材料、新技术验证等空间试验领域中发挥重要作用。

　　“最后一程”故障尤其多

　　运载火箭是将有效载荷送上太空的运输工具，是由多级火箭组成的。上面级也是运载火箭的其中一级火箭，即运载火箭最上面的一级（或数级），也是最后一级火箭。上面级以下的几级被称为基础级。

　　最初的运载火箭都不带上面级，后来为了满足有效载荷不同发射任务的需求，上面级才脱颖而出。有效载荷通常由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道，再进一步由上面级送入预定工作轨道或预定空间位置。

　　之所以称上面级为“太空摆渡车”，是因为运载火箭基础级已经把“乘客”送上了太空，只不过还没有到达最终目的地而已。这时,只有靠上面级的多次点火，给有效载荷（“乘客”）再多加几把力，“乘客”才能到达想要去的位置。这就如同乘客乘车到了飞机场以后，仍然上不了飞机，需要再乘机场的摆渡车才能到飞机跟前一样。

　　两个足球队打比赛，其中一队的一些队员把球已经传到了对方的球门附近，这时候，一个队员飞起一脚，将球射入球门。这最后的临门一脚决定着比赛的胜败。上面级也一样，不管运载火箭基础级工作得多么优秀，运行得多么顺利，只要上面级出了问题，“乘客”仍然到不了目的地，整个发射也算失败。最近两年俄罗斯运载火箭先后出现了6次重大发射失败，其中5次是上面级惹的祸。

　　由于上面级的结构复杂，空中点火次数多，工作时间较长，因此，它与基础级相比更容易出现故障。

　　已经历几十年发展过程

　　美、俄（前苏联）等航天大国从20世纪五六十年代就开始发展上面级技术，已经研发出的上面级达数十种。欧洲在上面级技术方面虽然起步较晚，但其技术起点高，其上面级具有性能好和适应性强的特点，所以市场竞争力很强。

　　按照推进剂类型，上面级分为固体上面级、液体上面级和固液混合型上面级。固体上面级最大的特点是简单，不足是推进剂加注量难以改变，因此，这种上面级一般只适用于一种或一类的发射任务，任务适应能力较差。而液体上面级任务适应能力则相对较强。因此，早期的上面级都是固体上面级，而近期发展的都是液体上面级。

　　美国在20世纪50年代末就开始进行上面级的研制，到目前总共研制出10多种上面级，用于发射大、中、小型有效载荷。典型的有“阿金纳”和“半人马座”上面级。

　　前苏联/俄罗斯从20世纪60年代末期开始对已有的运载火箭进行升级，对技术相对成熟的运载火箭如联盟号、质子号和天顶号火箭进行改进，在火箭上加装各种上面级，先后研制出D段、DM段、微风-M、KVRB和“弗雷盖特”等上面级。

　　目前，欧洲的阿里安-5运载火箭在国际发射服务市场中占有一半以上的份额，大部分采用一箭双星发射的方式。为了提高阿里安火箭的适应性，欧空局先后研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。

　　通常可执行四大类任务

　　上面级通常具有功能多、工作时间长等特点，可在太空中多次点火启动，能携带多个航天器，通过飞行轨道的变化可先后把不同“乘客”送到不同目的地，能满足不同发射任务的需求等诸多优点。

　　多星发射与部署针对运载火箭上面级具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点，许多一箭多星任务可由上面级完成。如欧空局计划采用一箭双星的发射方式分两次向两个轨道面发射“伽利略”导航卫星。

　　卫星直接入轨当地球静止轨道卫星平台未装远地点发动机时，只能依赖火箭上面级直接送入轨道。自1978年以来，美国前五代GPS导航卫星已发射57颗，分别用“宇宙神”、“德尔它”等运载火箭送入转移轨道后星箭分离，再依靠远地点发动机到达工作轨道。与前五代GPS卫星相比，第六代GPS导航卫星(GPS-2F)不用远地点发动机入轨，而用有上面级的德尔它-4M或宇宙神-5运载火箭直接送入工作轨道。

　　火箭运载能力增加通过优化设计，提高上面级的性能（如增加比冲、推进剂，减少结构重量），在基础级火箭不变的条件下，可一定程度提高运载能力。

　　完成特定入轨任务通过轨道设计，上面级可满足一些任务的特定要求。如“半人马座”上面级将美国“月球陨坑观测与感知卫星”(LCROSS)运送至月球轨道，并先后撞击了月球。

　　液体上面级成为发展主流

　　上面级在运载火箭中起着非常重要的作用，决定着整个发射任务的成败，但它又最容易出现问题。近几年，世界各航天大国都发展了新一代运载火箭，上面级技术越来越受到关注。世界航天大国都试图通过模块化和系列化的设计提高上面级的通用性和适应性。

　　对于上面级来讲，性能越高越好，结构越轻越好，适应性越广越好。性能高就是力气大，使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力。结构轻就是尽量降低上面级干重，最大程度地提高运载能力。由于整流罩的限制，并尽可能将空间留给卫星载荷使用，要求上面级结构紧凑，在限定空间内实现。适应性广就是适应各种任务需求，上得了厅堂下得了厨房，可以把卫星送到不同轨道的不同位置，既可以发射单星，又可以发射多星。

　　各航天大国都在不断地探索和改进上面级技术，提高各项指标，使其更加通用化、系列化。目前，液体上面级成为各国发展的主流，特别是低温推进剂上面级以其高性能的优势成为各国发展的重点。同时，各国也在探索非化学推进系统，如电推进或核推进技术等。欧美等国家还在研究可重复使用的上面级。

　　延伸阅读

　　“远征一号”

　　是真正的“太空摆渡车”

　　据长征-3A系列运载火箭总设计师姜杰在全国“两会”期间接受专访时透露，2014年第四季度，我国首个自主研发的四级火箭——长征-3C/远征-1将首飞，发射“北斗”全球导航卫星的试验卫星。

　　我国从上世纪80年代末90年代初才开始研制上面级，先后研制出多种固体推进剂上面级，共进行了10余次飞行，全部取得成功，但它们均是针对专项工程研制的，不具备多次启动的能力，其应用范围有很大的局限性。

　　为了适应不同的发射任务，我国新研制的“远征一号”上面级能在与运载火箭基础级分离后，（将）用自有的控制系统、动力系统按预定计划继续飞向深空，直到把卫星送到预定位置，再与卫星分开。

　　“远征一号”是我国首次采用液体推进剂的上面级，在轨工作时间达6.5小时。“太空摆渡车”的问世，将大大增强我国运载火箭的任务适应性。

　　据介绍长征-3C/远征-1发射属于“一箭一星”直接入轨发射。而2015年将迎来长征-3B/远征-1火箭的首飞，实现“一箭双星”首次直接入轨发射，搭载2颗“北斗”导航卫星。

编辑：尹盼秋