太空擺渡車護羊毛衫衛(wèi)星“一站式到崗”

作者簡介：葉成敏，中國運載火箭技術(shù)研究院上面級副總師，現(xiàn)任C2-3A（前綴“CZ”代表長征）系列和北斗三號工程運載系統(tǒng)副總設(shè)計師，主要負(fù)責(zé)遠征系列上面級型號的研制工作，先后從事控制系統(tǒng)總體設(shè)計和型號總體設(shè)計工作，參與過CZ-2C、CZ-2F、CZ-3A系列，CZ-5等多個型號的研制工作。

太空擺渡車的奧秘

說起擺渡車，相信坐過飛機的同學(xué)都不陌生。每架航班都有自己的停靠機位，如果碰上?？课恢秒x候機廳較遠的航班，機場就會安排擺渡車運送乘客。

在太空中，為了把衛(wèi)星順利送人預(yù)定軌道，也會用到被稱為太空擺渡車的上面級。上面級是在基礎(chǔ)級火箭上增加的，具有獨立控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的火箭子級。上面級可以幫助衛(wèi)星“一站式到崗”，它的問世，對中國航天事業(yè)起到了很大的促進作用。

2021年12月30日0時43分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功將通信技術(shù)試驗衛(wèi)星九號發(fā)射升空，圓滿完成了長征系列運載火箭2021年發(fā)射48次的任務(wù)，創(chuàng)造了年度宇航發(fā)射總數(shù)的歷史。

將試驗衛(wèi)星九號直接送人工作軌道的，正是上面級。上面級不僅可以讓衛(wèi)星“到崗”時間從數(shù)天縮短為數(shù)小時，還能多次點火啟動，將一顆或者多顆衛(wèi)星送人預(yù)定軌道。

早期受到點火可靠性、飛行穩(wěn)定性等因素的制約，火箭很少超過三級，因此其運載能力有限，一般只能將衛(wèi)星等有效載荷送入繞地飛行的中間軌道。衛(wèi)星想要到達預(yù)定軌道，不僅需要自己“徒步”數(shù)天，還存在迷路的風(fēng)險。為了讓衛(wèi)星“一站式到崗”，上面級應(yīng)運而生。

上面級究竟是什么？

上面級是在基礎(chǔ)級火箭的基礎(chǔ)上，增加相對獨立的一級。它的主要任務(wù)是實行多星的發(fā)射和在軌的軌道部署。上面級有一個通俗的稱呼——太空擺渡車。當(dāng)基礎(chǔ)級火箭飛到中間軌道后，上面級脫離后繼續(xù)飛行，把不同的衛(wèi)星送到最終的軌道上。

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1期和2期建造期間，火箭發(fā)射到中地球軌道的衛(wèi)星，火箭只能送到近地點200公里，但是距離衛(wèi)星要達到的遠地點2萬多或3萬多公里的軌道該如何抵達呢？這時衛(wèi)星需要自帶推進系統(tǒng)、推進劑、儲能箱。衛(wèi)星跟火箭分離之后，經(jīng)過長時間的多次變軌，才能最終進入工作軌道。

但如果有上面級的幫助，衛(wèi)星就可以被直接送入預(yù)定軌道，而且衛(wèi)星也只要帶一個很小的動力系統(tǒng)。這樣可以大大簡化衛(wèi)星的設(shè)計，對衛(wèi)星的長時間在軌工作有利。

“遠征”系列的名字寓意和成員

東方紅衛(wèi)星、神舟飛船、嫦娥系列飛船、長征運載火箭……中國航天器的名字，不僅巧妙地契合了自身功能，也體現(xiàn)著中華民族的文化內(nèi)涵。因此上面級也有名字，而且它和其他航天器一樣有著自己的家族。

那么，上面級的名字有什么寓意？它的家族又有哪些成員呢？

上面級的命名，科學(xué)家們有過很多討論。龍樂豪院士曾說： “上面級是在火箭的基礎(chǔ)上確保能夠飛得更遠……”所以，在“長征火箭”名字的基礎(chǔ)上，上面級被命名為“遠征”，這也意味著“遠征”與“長征火箭”是一脈相承的。

目前，遠征系列有遠征一號——基本型、遠征一號甲——升級版、遠征二號——增強版和遠征一號S-商業(yè)版。商業(yè)版是為了針對短時間飛行任務(wù)，進一步提高經(jīng)濟性的構(gòu)型，成本、重量大大降低。這四款航天器已經(jīng)一共發(fā)射了十幾次，全部取得圓滿成功。

遠征上面級面臨的難題

與其他航天器相比，上面級算是一款全新的產(chǎn)品。在沒有太多經(jīng)驗可以借鑒的情況下，專家們是如何開展研究的？研究過程中碰到了哪些技術(shù)難點？

上面級的箭機是目前我國運載火箭系統(tǒng)里最先進的，相對于基礎(chǔ)型火箭，有三個主要難點需要克服。

一是長時間在軌時火箭推進劑的管理。由于太空中沒有重力，加上長時間在太空運行，推進劑就會飄浮起來。一旦飄浮起來，推進劑氣體就有可能進到管道里，發(fā)動機就會出現(xiàn)故障。所以，要確保發(fā)動機不夾氣，這是非常關(guān)鍵的一個技術(shù)難題。

二是長時間在軌的溫度控制。上面級的溫度控制和衛(wèi)星的溫度控制是不一樣的，衛(wèi)星因為飛行時間更長，溫度是一個平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，所以控制相對簡單;上面級因為飛行的時間不夠長，所以是一種瞬態(tài)的溫度控制。上面級沒有采用衛(wèi)星的復(fù)雜技術(shù)，而是采用了更加經(jīng)濟性的措施，來保證上面級在變軌過程中溫度等方面的要求。

三是應(yīng)對故障的方式。上面級和衛(wèi)星在飛行時間上有差別，導(dǎo)致出現(xiàn)故障時的應(yīng)對方式也不太一樣。衛(wèi)星有比較多的機會、時間來進行故障處理，而上面級一旦發(fā)生故障，可能來不及處理。所以上面級更多是依靠自身的穩(wěn)定性能，從根本上避免故障的發(fā)生。

相輔相成的“遠征”和“北斗”

同學(xué)們在電視新聞上看到的“北斗導(dǎo)航”，是我國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼CPS——美國研發(fā)的全球定位系統(tǒng)、GLONASS——俄羅斯研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅讓我們擺脫了過度依賴國外導(dǎo)航的困境，也為推動我國信息化建設(shè)提供了重要保證。而把北斗衛(wèi)星送入太空工作崗位的，正是我們的遠征家族上面級。它們把不同的“衛(wèi)星乘客”，直接送入各自的工作軌道，并且大大地縮短了飛行時間。

那么，上面級和北斗衛(wèi)星到底是何種關(guān)系？

可以說，遠征上面級就是為“北斗”而生的。因為北斗一號、北斗三號立項時，促成了遠征上面級項目的建立。同時，遠征上面級和北斗衛(wèi)星也是一個相互促進的關(guān)系。上面級改變了北斗工程的計劃走向，比如，在北斗試驗工程立項的時候，有一個IGSO（傾斜地球同步軌道）試驗衛(wèi)星。最初，上面級首飛是攜帶兩顆MEO（中地球軌道）試驗衛(wèi)星，其中一顆間接進入ICSO軌道。但是上面級立項后，原計劃由長征三號甲運載火箭發(fā)射的一顆間接進入IGSO軌道的試驗衛(wèi)星，改成了直接入軌。同時，通過IGSO試驗衛(wèi)星，又引出來一個同樣平臺的MEO衛(wèi)星發(fā)射。這樣就會給衛(wèi)星的生產(chǎn)、發(fā)射進度等方面帶來效率提升，也促進了這兩種導(dǎo)航衛(wèi)星平臺的研制。也正是有了遠征一號，才能同時在一年多的時間，完成北斗三號核心星座的組網(wǎng)。

“遠征”既確保安全，又不忘環(huán)保

在衛(wèi)星到達目的地后，上面級便完成了任務(wù)，但其攜帶的尚未用盡的推進劑、高壓氣、電池等東西可能會引發(fā)爆炸，變成太空垃圾，威脅在軌航天器的安全。

為了避免這些問題，有哪些解決的辦法呢？

國際上已經(jīng)出現(xiàn)過好幾次這樣的爆炸情況，都是由于軌道末級或者廢棄的衛(wèi)星發(fā)生爆炸，產(chǎn)生大量垃圾碎片，因此控制太空垃圾是很重要的。MEO軌道、GEO（地球靜止軌道，是指軌道傾角為0度的對地同步軌道）軌道、IGSO軌道的軌道高度非常高，如果要讓火箭從高軌道回到低軌道，然后重新進入大氣層，目前來說還做不到。所以，對于發(fā)射到MEO軌道、GEO軌道、IGSO軌道后的余下垃圾，其解決方法是，在與衛(wèi)星分離之后，上面級向著軌道高度更高的位置飛行，這樣上面級就會離開衛(wèi)星的工作軌道。離開衛(wèi)星工作軌道之后，就進入了一種“墳?zāi)管壍馈彼鼤L時間在那個軌道上運行，不影響衛(wèi)星工作。最后，上面級在不斷運行過程中把剩余的推進劑、氣體排放掉，將電池耗盡，就可以避免在太空發(fā)生爆炸。對于低軌道的垃圾處理就簡單很多。例如遠征一號S、遠征一號甲，它們飛往的軌道高度低，在完成任務(wù)后，直接往低軌道高度返回，進入大氣層直接燒毀。這樣就滿足了國際上對太空垃圾的控制要求。

中國航天，從萌芽到茁壯成長為參天大樹，離不開一代又一代航天人的努力。期待同學(xué)們了解更多的航天知識，有更多的同學(xué)加入航天事業(yè)中來，和航天專家們一起探秘遙遠的太空，將浩瀚星空盡收眼底。183421D8-FBD8-4364-AC87-6B49CDCE8573