衛(wèi)星投送界的快遞
——上面級

文/ 袁東

俄羅斯聯(lián)盟號火箭2017年11月28日在東方發(fā)射場發(fā)射失敗后，有關(guān)這次事故的復(fù)雜情況陸續(xù)浮出水面。種種跡象表明，“弗雷蓋特”上面級在東方發(fā)射場“水土不服”，其主飛控計算機的軟件算法缺陷導(dǎo)致發(fā)動機點火工作在了錯誤的方向上。星箭俱毀，損失慘重！

那么什么是上面級呢？它和運載火箭是什么關(guān)系？

上面級并不是一個新生事物

美國的上面級早在上世紀(jì)50年代就研制并發(fā)射成功。

1955年，美國空軍研發(fā)軌道照相偵察平臺，代號“阿金納（Agena）”。間諜照相機在太空要對準(zhǔn)目標(biāo)，要拍得清晰，要求照相機運載工具具有導(dǎo)航、姿態(tài)穩(wěn)定、變軌的能力，還具備電力供應(yīng)、通信等一堆相機工作的周邊需求?？茖W(xué)家忙得團團轉(zhuǎn)，索性另起爐灶，從娘胎里就以一個獨立的航天器來設(shè)計，既然它負(fù)責(zé)的是上了天之后的事情，那么就叫“上面級（UPPER STAGE）”。

▲ 太空探索技術(shù)公司二級就是一個典型的上面級，這是為“銥星”定做的分配器

這個阿金納上面級是和火箭的基礎(chǔ)級完全獨立定位和設(shè)計，并與火箭第一級分工明確，各司其職，組合搭配，你負(fù)責(zé)送我一程，我負(fù)責(zé)入軌和任務(wù)。

它是世界上第一種具有三軸穩(wěn)定和具備多次啟動能力并能在軌進(jìn)行機動的上面級?！鞍⒔鸺{”三軸穩(wěn)定系統(tǒng)有三個陀螺儀、兩個地平線傳感器，并使用氮氣進(jìn)行姿態(tài)修正。這使得“阿金納”能夠具備軌道飛行穩(wěn)定性，滿足地面分辨率成像的需要，滿足美國科羅納間諜相機精確指向要求。

“阿金納”能夠和“雷神”、“宇宙神”和“大力神”多種火箭基礎(chǔ)級配合，將各種軍事和民用有效載荷發(fā)射到軌道上。

▲ 太空探索技術(shù)公司在2017年以一箭10星方式發(fā)射“銥星”

入軌后應(yīng)用為王的概念

“阿金納”，原本是作為照相機載具的運載器和航天器的混搭設(shè)計，但練就的三軸穩(wěn)定、供電配套、天地通信、數(shù)據(jù)處理等功夫，多才多藝，使它獲得了旺盛的生命力！美國共制造了阿金納上面級380個，一直延續(xù)使用至1987年退役。

齊奧爾科夫斯基開創(chuàng)的多級火箭的概念，更多的是從結(jié)構(gòu)上定義，而前述阿金納種種為了間諜照相任務(wù)的設(shè)計，指明了上面級更多的是從具體任務(wù)能力出發(fā)的分類，和基礎(chǔ)級做了區(qū)分。

美國的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1540是具有國際影響的用于航天器試驗和驗證的標(biāo)準(zhǔn)，對于各國在航天發(fā)展中是一個重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確定義上面級為：在基礎(chǔ)級運載器發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道基礎(chǔ)之上，能夠進(jìn)一步將一個或者多個航天器載荷送入預(yù)定軌道。

軌道轉(zhuǎn)移（多次點火和空間滑行）、調(diào)整傾角等軌道機動，讓連續(xù)工作的運載火箭來實現(xiàn)確實勉為其難，而“阿金納”這樣的上面級，可控的多次點火和停泊軌道長時間滑行的組合，可以實現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)移和入軌。上面級具有較強的

公 示

根據(jù)新聞出版總署《關(guān)于開展新聞記者證核發(fā)情況自查工作并重申有關(guān)規(guī)定的緊急通知》（《2009》299號）、《新聞記者證管理辦法》、《關(guān)于2009年換發(fā)新聞記者證的通知》、《關(guān)于期刊申領(lǐng)新聞記者證的有關(guān)通知》、《關(guān)于廣播電影電視新聞單位申領(lǐng)新聞記者證的通知》要求，《太空探索》雜志社已對申領(lǐng)記者證人員的資格進(jìn)行嚴(yán)格審核，現(xiàn)將我單位已領(lǐng)取新聞記者證人員名單進(jìn)行公示，公示期2018年3月7日—3月17日。國家新聞出版廣電總局舉報電話：010-83138953，《太空探索》雜志社聯(lián)系電話：010-68767130，68767020

已領(lǐng)取新聞記者證名單：楊建、陳彩連、薛滔、夏丹任務(wù)適應(yīng)性，是提高火箭性能和增強任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑之一。現(xiàn)在的概念，運載器、航天器和上面級三者是并列關(guān)系，上面級兼具運載器和航天器二者的屬性。

由于具有上述特點，上面級受到了世界各航天大國的高度重視。美國先后發(fā)展了“阿金納”“半人馬座”“慣性上面級”和有效載荷輔助艙等上面級，俄羅斯成功研制了“質(zhì)子號D級”“微風(fēng)”“弗里蓋特”等上面級，歐空局則為阿里安5運載火箭研制了“EPS”“ESC—A/B”上面級。我國也成功發(fā)射了“遠(yuǎn)征一號甲”和“遠(yuǎn)征二號”上面級！

▲ 美國水手2號金星探測器

上面級的“賣點”

上面級具有自主飛行、多次起動、長時間工作等特點，尤其是長時間工作這個要求，通常為幾小時至幾天，這可不是火箭幾十分鐘對于供電、保溫、抗輻射的要求，難度相當(dāng)大，但是帶來的好處是顯而易見的！

一是送得快——直接入軌。以往運載火箭只能將衛(wèi)星送至轉(zhuǎn)移軌道，讓裝滿劇毒推進(jìn)劑的衛(wèi)星自駕出行，變軌到目標(biāo)軌道不僅不經(jīng)濟也費時。有了上面級，運載火箭將“上面級+衛(wèi)星”送入轉(zhuǎn)移軌道后，再由上面級直接將衛(wèi)星發(fā)送到目標(biāo)軌道，衛(wèi)星不需要再變軌，這樣衛(wèi)星就可省下自身攜帶的燃料，用于在軌工作期間的軌道維持，衛(wèi)星壽命得到延長。另外美國后面那些大情報收集衛(wèi)星，天線大，經(jīng)不起遠(yuǎn)地點發(fā)動機反復(fù)點火折騰，就靠上面級3次點火直送入地球同步軌道。

二是送得多——一箭多星。上面級具有多次變軌、高精度導(dǎo)航等特點，許多一箭多星任務(wù)可由上面級完成。目前，通用的一箭多星發(fā)射方式有兩種：一種是天女散花、撒土豆，單次多放，即一次將多顆衛(wèi)星送入一個相同軌道。2017年2月15日凌晨，印度用一枚火箭向太空中發(fā)射了104顆衛(wèi)星，創(chuàng)造了一箭多星的世界新紀(jì)錄，采用的就是第一種發(fā)射方式，技術(shù)相對簡單。另一種是有心插柳，多次單放，即分次分批將多顆衛(wèi)星送入多個不同軌道，這就要靠上面級的多次變軌能力和分配器的工作可靠性，如歐空局采用一箭多星的發(fā)射方式分兩次向兩個軌道面發(fā)射伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星。

三是送得遠(yuǎn)——星際探測。上面級還可滿足一些特定任務(wù)的工作要求，比如要突破第二宇宙速度的行星際探測器加速和特殊軌道送達(dá)要求?！鞍⒔鸺{”在羽翼漸豐的時候就被看上用于發(fā)射行星探測器。1962年8月27日，美國的水手2號金星探測器通過阿金納上面級送入到金星的軌道，同年12月14日水手2號從距金星34800千米處飛過，是美國第一只成功的星際間探測器，是世界上第一個到達(dá)金星附近的星際間探測器，測得金星表面溫度大概在425攝氏度，揭開了人類探測金星的序幕。

另外也要說一下波音公司開發(fā)的慣性上面級Inertial Upper Stage (IUS),可以從“大力神4”或者航天飛機上發(fā)射，1988年IUS從航天飛機上發(fā)射了麥哲倫金星探測器，創(chuàng)下多個第一！IUS在1990年發(fā)射了伽利略木星探測器。

四是不怕累——彌補發(fā)射場緯度高的短板。對于像俄羅斯北緯46度的拜科努爾發(fā)射場，發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星除了需要強有力的基礎(chǔ)級火箭外，還需要上面級多次點火和變軌。如微風(fēng)M上面級，可以在太空中多達(dá)8次點火、工作24小時，直接把載荷送入到遠(yuǎn)地點軌道或地球同步軌道。

微風(fēng)M/Briz M上面級長得像可樂瓶瓶蓋，最前面是載荷。

上面級最早是用來完成地球低軌道發(fā)射任務(wù)的。如今, 它的功能已經(jīng)發(fā)展到完成從低軌道到同步轉(zhuǎn)移軌道、地球同步軌道、太陽同步軌道、深空探測等各種軌道的有效載荷運送,運載火箭的運載能力在很大程度上取決于上面級推進(jìn)系統(tǒng)。由于上面級技術(shù)極大地拓展了已有運載火箭型號的能力范圍，各航天大國都在積極發(fā)展上面級技術(shù)?！?/p>