中国“太空摆渡车”，载客启程

航天 · 2016-10-31 18:59:28

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核心提示：3月30日，我国首个“太空摆渡车”远征一号上面级首飞成功，将“ 乘客”——北斗卫星导航系统第17颗卫星直接送入预定轨道。上面级到底是何神器？它是一种具有自主独立性的飞行器，兼具运载器与航天器的技术特性，由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道，能够依靠自身动力进一步将有效载荷送入预定工作轨道或预定空间位置。下面，本文将带大家撩开上面级神秘面纱，一睹芳容。

在珠海航展上展出的国产多星发射上面级按照推进剂的类型，上面级被划分为固体上面级、液体上面级和固液混合型上面级三种类型。固体上面级一般只适用于一种或一类发射任务，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。因此近期发展的都是液体上面级。“ 远征一号”并非我国首个上面级。我国从上世纪80年代末开始，先后研制出多型固体推进剂上面级，飞行均取得圆满成功，也曾成功应用于外星发射任务。然而相较于固体上面级，远征一号上面级采用液体推进剂，在轨工作时间可达6.5小时，具备可多次启动、能适应多个载荷发射任务等多种特性，因此被认为是真正意义上的“太空摆渡车”。美国从上世纪50年代末就开始发展上面级技术，如今共研制出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。俄罗斯（苏联）从上世纪60年代末开始升级已有的运载火箭，在技术相对成熟的运载火箭如“联盟号”、“质子号”和天顶号火箭上加装了各种上面级。欧洲在上面级技术方面虽然起步较晚，却起点高，具有性能好、适应性强、市场竞争力强等特点。专家认为，上面级种类有很多，不能单纯地比较各国上面级的技术水平。我国上面级研制起步时间晚于美俄等航天强国，但就同种类的上面级而言，与国外先进上面级的水平相当。

美国半人马座火箭的上面级模拟图“太空摆渡车”何以载客？一般来说，可以从三个方面来衡量上面级的技术水平：性能、结构和适应性。如果上面级可以使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力，说明其性能高。在结构方面，由于整流罩的限制，且要尽可能地将空间留给卫星载荷使用，上面级应结构紧凑，同时尽量降低干重，以最大程度地提高运载能力。远征一号上面级此次采取的就是轻质紧凑型结构设计，并配以4.2米的整流罩。除此之外，上面级还得能适应各种任务需求，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。随着近年来上面级研制的发展和完善，各国“太空摆渡车”可以执行的任务越来越多。首先，上面级可以使卫星直接入轨。当地球同步轨道卫星平台未装远地点发动机时，只能依赖上面级将其直接送入轨道。在本次长征三号丙/ 远征一号运载火箭发射北斗卫星导航系统第17颗卫星的任务中，我国首次采取上面级直接入轨技术发射中高轨卫星。自1978年以来，美国前五代的57颗GPS导航卫星分别用“宇宙神”、“德尔塔”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。而第六代GPS导航卫星采用有上面级的德尔塔-4M或宇宙神-5运载火箭直接送入工作轨道。针对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。目前，通用的一箭多星发射方式有两种：一种是单次多放，即一次将多颗卫星送入一个相同轨道；另一种是多次单放，即分次分批将多颗卫星送入多个不同轨道。2013年底，美国和俄罗斯分别实现了一箭28星和一箭32星的发射，采用的就是第一种发射方式，技术相对简单。欧空局则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。在此次发射任务中，远征一号上面级虽然只发射了一颗卫星，但后续远征系列上面级其他型号将实现一箭多星的发射。未来，我国上面级研制团队更是将目光瞄准通过“太空摆渡车”将多名“乘客”送达不同目的地的目标。通过轨道设计，上面级还可满足一些任务的特定要求。如半人马座上面级将美国的月球陨坑观测与感知卫星运送至月球轨道，并先后撞击了月球。2013年，美国和印度分别发射了火星探测器。印度的火星探测器依靠自身动力入轨，在地球轨道加速了一个月才脱离地球引力。而美国的火星探测器由于运用了先进的上面级技术，在发射的1小时内即脱离了地球引力飞向火星。此外，上面级的运载能力还可以通过优化结构设计得以提高，在基础级火箭起飞运载能力不变的条件下，能一定程度地提高全箭的有效运载能力。在远征一号上面级的工艺设计中，各系统结构紧固件广泛采用了钛钉，以达到结构减重的目的。

俄罗斯微风M上面级模拟图产品化发展加速组网上面级在运载火箭中起着至关重要的作用。俄罗斯近几年出现的几次质子号火箭发射失败中，多数都由于上面级出现故障。近年来，世界各航天大国都在不断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。我国也通过产品化的设计提高上面级对不同发射任务的适应性。之前，卫星要进入地球同步轨道一般由运载火箭发射到椭圆过渡轨道上，然后在远地点变轨，最后进入地球同步轨道，整个过程需要消耗卫星大量的推进剂。用上面级发射卫星，可以极大地节省卫星所携带的燃料。上面级将卫星送入地球同步转移轨道后，经过多次点火，将卫星直接送入同步轨道，之后自行离轨。这样卫星可以做到小型化、轻型化，在轨寿命也更长，再加之上面级具有多次变轨将多颗卫星送入不同轨道的优势，非常有助于快速组网。我国北斗导航系统等项目需要发射大量卫星组成星座，未来可以通过新一代运载火箭与上面级的搭配进行一箭多星发射，从而加快部署进度，降低发射成本。目前，液体上面级已成为上面级发展的趋势，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。欧美等国还在研究可重复使用的上面级。而未来，我国“太空摆渡车”还将在探月、探火等深空探测任务中，在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务方面，以及在新材料、新技术验证等空间试验领域里发挥重要作用。（崔恩慧）

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