【独家】“太空摆渡车”高超车技如何练成

【独家】“太空摆渡车”高超车技如何练成

3月30日晚上到31日凌晨，中国首辆“太空摆渡车”——远征一号上面级“发车”，经过近6个小时的“车程”，将“乘客”——北斗卫星导航系统第17颗卫星直接送达工作地点——倾斜地球同步轨道。

远征一号“太空摆渡车”为“乘客”提供优质服务的同时，相应地也给自身带来了研制难度。长三甲系列火箭总指挥岑拯笑言，“上面级要一次成功地把卫星送到预定轨道，走的是‘独木桥’，做的是一锤子买卖”，而他们“这次把鸡蛋（卫星）都放到了一个篮子（上面级）里，篮子必须得结实”。这些虽是玩笑话，却道出了此次任务的风险之大。

  

                               
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长征三号丙/远征一号运载火箭飞行过程示意图

外表土豪金 内装很豪华

上面级兼具了火箭和卫星的技术特性。相较于以前火箭最长半小时左右的飞行时间和几百公里的飞行高度，上面级要工作约6小时，飞行高度达到36000公里的同步轨道高度。这对研制团队来说是个前所未有的挑战。

对此，研制人员借鉴了卫星的设计思想，做了大量的试验，对飞行产品设计方案进行了全面考核验证。

由于上面级结构复杂，与基础级分离后呈半开敞式状态，在太空中的温控设计便需要被单独考虑。“我们将加热带缠绕在输送管路上进行主动热控，再通过‘穿衣服’、‘敷面膜’的隔热包覆手段为上面级进行被动热控。”一院211厂总装事业部主管工艺员李凯介绍，“所以总装好的上面级外表是金光灿灿的，看起来像卫星一样。”

在外形上，远征一号采取了高可靠的轻质紧凑型结构设计，提高了运载能力，将更多空间留给卫星载荷使用。其内部设计更是突破了一系列先进技术：长时间高轨道自主导航制导控制技术、高性能发动机技术、空间粒子防护技术、推进剂管理技术、高码率远距离数据传输技术……内外兼修的全新设计使远征一号上面级堪称豪华的“太空摆渡车”。

可多次点火运送多位乘客

“上面级的一个突出特点就是适应性强，可以搭配不同的火箭基础级，完成不同的发射任务。”一院上面级型号办副主任刘欣说。

在此次任务中，远征一号上面级只将一名“乘客”送到了终点站，其实它还可以运送多名“乘客”。研制团队将来的目标是使“太空摆渡车”能够多次点火启动，“行驶”数小时、数天甚至数十天，多次变轨，把不同的“乘客”送到不同的目的地。

“火箭上面级将高轨卫星直接发射入轨的技术，能够极大地提升卫星快速进入空间的能力，从而实现北斗卫星导航系统的快速、高效组网。”长三甲系列火箭总设计师姜杰表示。

按照我国对上面级的发展规划，未来，“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，长途跋涉并施展高超“车技”。（中国航天报记者 崔恩慧）

【解读】远征一号上面级是什么？



上面级是运载火箭最上面的一级或多级，由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道，然后依靠自身动力进一步将有效载荷（如卫星、空间探测器等）送入预定工作轨道或位置，如同机场的摆渡车。

通俗地讲，之前火箭把卫星送到“起点站”，卫星要想到达“终点站”，往往需要自己多次变轨，而使用上面级，就可以将卫星“一站式”送至目标轨道，上面级一般可多次启动点火，将一个多个有效载荷送入预定轨道。


为什么要发上面级？

卫星等载荷“一站”到达目的地，一方面可以大大减少卫星自身的燃料消耗，从而大大延长寿命。另一方面，“减负”后的卫星得以实现小型化，在太空之旅中可以“轻装上阵”。而且，运送完卫星，上面级可以自行进入垃圾轨道，不占用宝贵的同步轨道位置资源。

通过将上面级与我国长征系列运载火箭灵活组合，可最大程度发挥基础级火箭的运载能力。利用上面级轨道部署能力，以一箭多星发射方式，可有效提高发射效率，减少发射组织次数，降低任务成本，满足日益增长的航天高密度发射需求。



“太空摆渡车”有啥特点？

据中国航天科技集团公司一院党委书记梁小虹介绍，“太空摆渡车”有四大特点：一是兼具运载器与航天器的技术特性。它是在运载火箭或重复使用运载工具上面增加的相对独立的一级或多级，可依靠自身动力携带航天器继续飞行。二是可多次点火启动。运载火箭将其送入太空后，上面级能多次点火启动，满足不同发射任务的需求。三是工作时间长。上面级长于运载火箭的工作时间，可以达到数小时、数天乃至数十天。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。能携带多个载荷，通过飞行轨道的变化将载荷送入预定轨道。

远征一号是我国第一个上面级吗？

其实，我国从上世纪80年代末开始，便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。但它们均为满足某种单一任务而研制，只具有一次起动能力，工作时间较短。相较于“前辈们”，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、“摆渡”多名“乘客”等特性，因此被认为是真正意义上的“太空摆渡车”。


其他航天大国也有上面级吗？

美国：

美国从20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：

俄罗斯（前苏联）从20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各种上面级，先后研制出D段、DM段、微风-M、KVRB和Fregat等上面级。

欧洲：

欧洲的阿里安-5运载火箭在国际发射服务市场中占有一半以上的份额，大部分采用一箭双星发射的方式。为了提高阿里安火箭的适应性，欧空局先后研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。

上面级的巨大作用是毋庸置疑的。2013年，美国和印度分别发射了火星探测器。其中，印度依靠自身动力入轨，整个飞往火星的行程预计将历时3年。而美国由于运用了先进上面级技术，在发射的1小时内即脱离地球引力圈飞向火星。