阿金納：最早的上面級

文/遲惑

▲ “阿金納”用于驅動載人空間站目標飛行器

“阿金納”是最早的火箭上面級，也是美國早期軍用衛(wèi)星發(fā)射和在軌運行的重要動力。“阿金納”的變型非常之多，不做一番百科全書式的陳述，人們往往是搞不清楚這個家族成分的。不過，這也正好讓人們了解，上面級這種事物是為什么而生。

▲ 早期阿金納上面級用來發(fā)射偵察衛(wèi)星

“多面手”的阿金納

阿金納的軍用編號是RM-81，最初由洛克希德公司為WS-117L偵察衛(wèi)星項目開發(fā)。因為當年的電子技術并不發(fā)達，照相偵察衛(wèi)星還必須攜帶膠卷艙，拍攝完成后送回地球，因此衛(wèi)星本體相當龐大沉重，僅僅依靠運載火箭的力量無法把它們送進預定軌道。

在型號發(fā)展過程中，美國空軍發(fā)現(xiàn)，想把各種偵察用途放在WS-117L一個項目里是不現(xiàn)實的。于是WS-117L被拆分為照相偵察的“薩摩斯”和“科羅納”（后來改名為“發(fā)現(xiàn)者”），以及用于導彈預警的“米達斯”。不過阿金納被保留下來，承擔了所有這些衛(wèi)星的上面級任務。后來還用于美國宇航局的雙子座載人飛船交會對接技術演示，充當目標飛行器的推進艙。阿金納上面級適配過宇宙神、雷神和泰坦IIIB火箭，還曾經被考慮用于航天飛機。阿金納各型從1959年2月28日開始發(fā)射，一直用到1987年2月，共發(fā)射了365枚。其中只有33枚是為美國宇航局服務的，其他服務于軍用衛(wèi)星。

在有些任務中，衛(wèi)星直接裝在阿金納的標準艙壁前方，由后者提供電力、通信和三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制。不過也有的衛(wèi)星在發(fā)射后與阿金納分離，自己承擔飛行任務。

隨著時代發(fā)展，阿金納經歷了兩次升級，用來支持更重、更復雜的衛(wèi)星，例如帶有多個膠卷艙和更大相機的科羅娜偵察衛(wèi)星。

阿金納這個名字是美國國防部高級研究計劃局（也就是后來的DARPA，當時叫做ARPA）確定的。此前，它的名字叫做“半人馬座貝塔星”（Beta Centauri），是夜空中排名第十的亮星。不過ARPA建議采用這顆恒星的另外一個名字“阿金納”，因為它將“在天空中點燃”，符合洛克希德公司用恒星現(xiàn)象來命名產品的傳統(tǒng)。

阿金納的特點

阿金納的直徑為1.5米，具備三軸穩(wěn)定能力，這對圖像偵察來說是極其必要的。阿金納采用貝爾航空系統(tǒng)公司研制的XLR81發(fā)動機，采用人們熟悉的偏二甲肼和硝酸作為推進劑。這兩種燃料不但可以在常溫常壓下存儲，而且可以自燃，不需要點火系統(tǒng)，簡化了發(fā)動機設計。因此，XLR81發(fā)動機可以在地面無線電指令的控制下，在軌道上多次重啟。

這臺發(fā)動機原來是用在康沃爾B-58超音速轟炸機上的。這種上世紀50年代研制的超音速轟炸機可以攜帶一種MB-1C吊艙，里面裝著核彈頭。但是MB-1C的設計不太成功，于是康沃爾公司打算實施改進，在后面裝一臺火箭發(fā)動機，把它變成一枚核火箭。這個計劃當然也不可能成功，但是XLR81發(fā)動機卻研制成功了。阿金納A使用的具體型號是貝爾8048（XLR81-BA-5）發(fā)動機，該發(fā)動機可在兩分鐘內產生69千牛的推力。

XLR81的鋁合金結構比較著名?；鸺l(fā)動機的喉部和噴管采用了所謂的再生冷卻模式，但是因為喉部的拋物線形狀，在這里為燃料鉆孔有很大的困難，畢竟鉆頭是直的。于是，貝爾航空系統(tǒng)公司的工程師通過將冷卻通道布置成“一片式圓形雙曲面”形狀，解決了問題。

阿金納偏航方向姿態(tài)測量由一個慣性參考系統(tǒng)實現(xiàn)，里面包括3個陀螺儀、兩個水平傳感器和冷卻用的氮-氟利昂混合物微射流器。俯仰和滾動姿態(tài)測量由兩個密封的積分陀螺單元實現(xiàn)。速率陀螺單元通過感測軌道速率來確定偏航誤差。俯仰和滾動陀螺誤差由地平線傳感器校正，由太陽和恒星敏感器提供參考。這使得阿金納具備很高的指向穩(wěn)定性，從而使科羅娜衛(wèi)星的相機能實現(xiàn)更好的地面分辨率。

由于阿金納的設計目的是在繞地球運行時在太空中保持固定方向，因此設計了一種被動熱控制系統(tǒng)。

早期阿金納的主要電力來源是過氧化銀鋅電池，從20世紀60年代初開始，阿金納上安裝了太陽能電池陣列。測控通信功能由一個S頻段轉發(fā)器實現(xiàn)，它能接收地面命令序列（圖像運動補償、改變姿態(tài)等），存儲起來陸續(xù)執(zhí)行。

▲ 貝爾 8048發(fā)動機

▲ 貝爾8048發(fā)動機用于阿金納上面級

▲ 阿金納上面級發(fā)動機與殼體結合的過程

型號家族

阿金納A

阿金納 A是阿金納家族的第一種型號，配用雷神和宇宙神火箭，主要從范登堡空軍基地75號工位和阿格洛角1號發(fā)射工位發(fā)射到極地軌道。另外，還在卡納維拉爾角的14號發(fā)射場搭配宇宙神火箭發(fā)射了兩次。1959年至1961年間發(fā)射了18枚阿金納A，都是為“發(fā)現(xiàn)者”“米達斯”和“薩摩斯”偵察衛(wèi)星計劃服務的。

▲ “阿金納”在發(fā)射偵察衛(wèi)星時，也會搭載一些小衛(wèi)星

阿金納B

1960年，洛克希德公司引進了改進的阿金納B。它改用貝爾8081發(fā)動機，可產生71千牛的推力。這種上面級具備了在軌多次點火的能力，所攜帶的燃料也更多一些，發(fā)動機累計工作時間可以達到4分鐘。阿金納B服務于薩摩斯-E、薩摩斯-F和米達斯預警衛(wèi)星、游騎兵號月球探測器、水手號行星探測器。阿金納B的第一次飛行是1960年10月26日“發(fā)現(xiàn)者16號”的發(fā)射，但沒有成功。直到1961年7月12日的“米達斯3”，阿金納B才得到了再次飛行的機會。阿金納B的最后一次飛行是1966年6月7日發(fā)射的OGO3衛(wèi)星?？偣舶l(fā)射了75枚。

▲ 阿金納B上面級

阿金納D

阿金納D是洛克希德公司工程執(zhí)行官勞倫斯·愛德華茲在1962年提出的。此前的每一枚阿金納都是單獨定制的。愛德華茲建議將阿金納的基本配置標準化，并根據(jù)有效載荷要求，增加附加功能。當時，五角大樓也希望阿金納能與泰坦火箭配套使用。因為當時的另外兩種火箭——雷神和宇宙神——故障率高得不可接受。這促使人們提出用改善運載火箭的標準化水平來提高可靠性。

經過一番研究工作，阿金納D的標準化包括如下內容：

阿金納 D的通用配置包括四個分系統(tǒng)，①主要制導、信標、電力和遙測設備；②一個標準有效載荷控制臺；③位于發(fā)動機上方的后機架，用于插入式安裝可選設備，如太陽能電池板、搭載小衛(wèi)星；④貝爾航空系統(tǒng)公司的發(fā)動機，可在太空中重啟16次。阿金納D直徑為1.5米，長度為6.3米，電池容量19500瓦時。

截至2014年，阿金納D是美國發(fā)射次數(shù)最多的上面級，從1963年6月28日首次發(fā)射鎖眼4七號星開始，共發(fā)射了269枚阿金納D。洛克希德公司為此建立了一條專門的生產線，每年生產40枚。愛德華茲一直負責工程設計長達幾年時間，直到美國空軍宣布阿金納D投入使用，技術狀態(tài)凍結。到退役時，阿金納D的可靠性超過了95%。

雷神-阿金納組合的最后一次飛行是在1972年，當時它發(fā)射了一顆鎖眼4B衛(wèi)星。1978年，阿特拉斯-阿金納D采用翻新的阿特拉斯F火箭，發(fā)射了Seasat衛(wèi)星。

此后，阿金納D還用于發(fā)射鎖眼-7和鎖眼-8偵察衛(wèi)星、3個水手號金星探測器、兩個水手號火星探測器。1987年2月12日，最后一枚阿金納D由泰坦IIIB火箭發(fā)射，把最后一顆SDS-1衛(wèi)星送入軌道。

▲ 早期阿金納上面級沒有實現(xiàn)標準化，發(fā)射一次定制一次

阿金納目標飛行器

阿金納目標飛行器以阿金納D為基礎，增加了相應設備來支持雙子座計劃的交會對接活動。它配備了一臺貝爾航空公司的8247型發(fā)動機，該發(fā)動機可在宇宙空間重復點火15次之多。在實際任務中，當雙子座飛船與目標飛行器對接后，阿金納的發(fā)動機啟動，把組合體推動到更高的軌道，然后再返回。在雙子座11號任務中，組合體一度達到了遠地點為1375千米的橢圓軌道，創(chuàng)下了載人航天飛行的高度紀錄，直到阿波羅8號（首次載人奔月任務）超過這個紀錄。

20世紀70年代初，洛克希德公司研究了在航天飛機貨艙里安裝阿金納，用于有效載荷入軌的可能性?？紤]到航天飛機的貨艙直徑很大，洛克希德公司設計了一種直徑增大的阿金納C，但從未建造。此后，還設計過一種全面現(xiàn)代化的阿金納2000，準備用在輕型版宇宙神5火箭上。隨著這種火箭的下馬，阿金納2000也失去了問世的機會。