形形色色的火箭上面級(jí)

文/遲惑

2023年1月9日，維珍軌道公司“運(yùn)載器一號(hào)”首次在英國(guó)本土起飛發(fā)射，在飛行過程中火箭上面級(jí)出現(xiàn)異常，未能順利入軌。

火箭上面級(jí)，是我們經(jīng)常聽說的一種設(shè)備。上面級(jí)的主要工作位置在馮卡門線以上的宇宙空間里，但它的任務(wù)并不是空間應(yīng)用，而是把人造衛(wèi)星或者其他航天器送到預(yù)定的工作軌道去。所以，雖然很多上面級(jí)看起來(lái)不像火箭級(jí)段，這類產(chǎn)品卻依然是由火箭制造單位來(lái)研制和使用的。

火箭上面級(jí)聽起來(lái)是一大類型號(hào)，但它們的長(zhǎng)相各式各樣。有的看起來(lái)像運(yùn)載火箭的級(jí)段，有的看起來(lái)就是一個(gè)帶著噴管的圓餅。有的能趕上好幾層樓高，有的卻和人體差不多大小。它的特點(diǎn)到底是什么呢？

▲ 半人馬座上面級(jí)看起來(lái)和火箭級(jí)段還是比較像的，圖為半人馬座上面級(jí)準(zhǔn)備執(zhí)行陸地衛(wèi)星九號(hào)任務(wù)

▲ 電子號(hào)火箭的上面級(jí)與火箭二級(jí)分離

▲ 俄羅斯展出的弗雷蓋特上面級(jí)和火星探測(cè)器組合模型

用途

上面級(jí)的用途主要是提高基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載器，也就是運(yùn)載火箭的性能和任務(wù)適應(yīng)能力。與傳統(tǒng)發(fā)射模式相比，采用基礎(chǔ)級(jí)火箭+上面級(jí)的組合發(fā)射方式，先把上面級(jí)和衛(wèi)星一起送到低軌道，然后火箭分離，由上面級(jí)把衛(wèi)星送到中、高軌工作軌道，或者其他軌道，簡(jiǎn)化了運(yùn)載火箭的飛行過程，減輕了地面測(cè)控壓力。

在星際探測(cè)活動(dòng)中，也需要用上面級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器或者飛船，從繞地軌道向星際軌道轉(zhuǎn)移。在阿波羅計(jì)劃期間，登月組合體就是用大型上面級(jí)送入奔月軌道的。

使用上面級(jí)，還能充分利用運(yùn)載火箭的能力，在主衛(wèi)星之外搭載一些副載荷、小衛(wèi)星。這對(duì)于大、中型運(yùn)載火箭尤其重要。采用上面級(jí)之后，可以更容易地實(shí)現(xiàn)一箭多星發(fā)射，有效提高發(fā)射效率，減少發(fā)射次數(shù)。這在發(fā)射活動(dòng)日益頻繁、發(fā)射場(chǎng)高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)的今天，有很大價(jià)值。上面級(jí)本身還能搭載一些空間技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備，充分發(fā)揮價(jià)值。

動(dòng)力

上面級(jí)基本上是一枚完整的航天運(yùn)載器，包括了完整的動(dòng)力、制導(dǎo)導(dǎo)航控制、熱控制、測(cè)控和結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)。與運(yùn)載火箭不同的是，上面級(jí)的主要飛行環(huán)境，是地球高層大氣和宇宙空間，外界基本沒有大氣壓，但是有著比較惡劣的輻射環(huán)境。這樣的環(huán)境決定了上面級(jí)的各分系統(tǒng)與運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有所不同。

上面級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用具有最佳真空膨脹比的低壓燃燒室和噴管。上面級(jí)一般用來(lái)完成軌道進(jìn)入任務(wù)，比如地球轉(zhuǎn)移軌道和行星際轉(zhuǎn)移軌道，所以它們的工作時(shí)間有的只有幾個(gè)小時(shí)，有的則要好幾天。還有些上面級(jí)要長(zhǎng)時(shí)間與衛(wèi)星連接在一起，為它們提供全壽命的變軌機(jī)動(dòng)，可能要飛行幾個(gè)月。

這就決定了推進(jìn)系統(tǒng)的燃料選擇，短時(shí)間工作的上面級(jí)可以采用低溫燃料和固體燃料。如半人馬座用了液氫膨脹機(jī)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，阿里安5 ECA的HM7B上面級(jí)使用氣體發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的渦輪泵。固體燃料的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，比如中國(guó)研制的EPKM上面級(jí)和CZ-2C/FP上面級(jí)。

▲ 泰坦-半人馬座組合曾經(jīng)大量發(fā)射

長(zhǎng)時(shí)間工作的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用自燃推進(jìn)劑，比如經(jīng)典的阿金納，以及德爾它-K或阿里安5 ES第二級(jí)，都采用了偏二甲肼和硝酸的組合，直接用高壓氣體供給燃料就可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的要求，不需要渦輪泵。這也決定了燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路有很大差異。

除了固體推進(jìn)劑的上面級(jí)，其他都要考慮在軌關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)。這就帶來(lái)了長(zhǎng)時(shí)間在軌的推進(jìn)劑管理問題和燃料輸送問題，還需要解決如何抑制氣體夾雜到推進(jìn)劑里的難題。另外，在宇宙空間里，溫度環(huán)境要比大氣層里更加惡劣，要考慮到深冷低溫的空間背景、太陽(yáng)輻照、地球紅外輻射、地球反照等因素。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的自身羽流、熱輻射，關(guān)機(jī)后的熱反浸，都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身以及燃料供給系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜影響，所以發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件對(duì)溫度控制均有嚴(yán)格要求。

▲ 在博物館中展出的阿金納B上面級(jí)

控制

上面級(jí)的姿態(tài)控制包括姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)兩個(gè)方面。前者是保持已有姿態(tài)的過程，后者是重定向過程。少數(shù)上面級(jí)采用自旋穩(wěn)定的控制方案，但如今多數(shù)都采用三軸穩(wěn)定。按照國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，上面級(jí)的姿態(tài)控制在設(shè)計(jì)上要考慮以下四個(gè)因素。首先是最小推進(jìn)劑消耗和最短時(shí)間控制的平衡，選擇最佳方案。其次是姿態(tài)控制推力器的布局和優(yōu)化，不能太多也不能太少，既要保證精確控制，又要簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。第三是自修復(fù)技術(shù)，如果某個(gè)推力器或者某個(gè)部分出現(xiàn)故障，要通過其他推力器的協(xié)同，繼續(xù)完成飛行任務(wù)。第四種因素是和多星入軌相關(guān)的，某些衛(wèi)星分離后，上面級(jí)和其余衛(wèi)星的質(zhì)量分布特性就發(fā)生了變化，必須重新建立姿態(tài)控制模式。這在小衛(wèi)星大行其道的今天，顯得尤其重要。

上面級(jí)一般不需要考慮氣動(dòng)外形的問題，所以，包括俄羅斯弗雷蓋特和中國(guó)遠(yuǎn)征系列上面級(jí)，都沒有整流罩。但是，一些大型上面級(jí)需要安裝在運(yùn)載火箭頂部，暴露外殼，穿過整個(gè)大氣層，因此也采用了較長(zhǎng)的圓柱形外表面，看起來(lái)和火箭級(jí)段相同。

迄今為止，人類研制了20多種上面級(jí)，正在使用的不超過10種。隨著一箭多星發(fā)射模式的常態(tài)化，特別是隨著星座建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大、種類越來(lái)越多，上面級(jí)將在今后的航天發(fā)射活動(dòng)中發(fā)揮更大的作用。

今天的火箭上面級(jí)，承擔(dān)著多星、異軌的空間運(yùn)輸任務(wù)。展望未來(lái)，上面級(jí)可能演變成另外一種新概念航天器，那就是空間拖船。

目前，中國(guó)已經(jīng)充分掌握了上面級(jí)的研制技術(shù)，并且進(jìn)行了成功的飛行。隨著星際探索、載人航天和商業(yè)航天的進(jìn)一步發(fā)展，上面級(jí)可能向大小兩個(gè)方向發(fā)展，大型上面級(jí)用于星際探測(cè)器和大型載人航天設(shè)施的入軌，小型上面級(jí)用于小衛(wèi)星入軌和星座部署。它將成為商業(yè)空間飛行的主力運(yùn)載器之一。

▲ 弗雷蓋特上面級(jí)發(fā)射一網(wǎng)衛(wèi)星

▲聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司為SLS火箭研制的上面級(jí)