首個自主研發四級火箭長征三號丙遠征一號今日首飛 搭載北斗衛星
2015-03-31 08:27:25 未知今年是中國航天發射的又一個密集年，計劃完成20次宇航發射，將超過40個航天器送入太空。
據《環球時報》報道，今天（3月30日），新一代上面級遠征一號即將以“太空擺渡車”的使命迎來首次太空之旅。“上面級”是什么？“遠征一號”未來又將擔負什么樣的太空發射任務？它的出現將帶給中國航天哪些深刻的變化呢？或許可以從遠征一號這個名稱中看到一些端倪。
遠征一號（科學報圖片）
遠征一號上面級是什么？
所謂上面級就是運載火箭最上面的一級或多級，其以下的幾級火箭被稱為基礎級。上面級有自主軌道機動能力，在軌飛行時間長，一般可多次啟動點火，滿足不同發 射任務需求，能將一個或多個有效載荷(如衛星、空間探測器等)送入預定軌道，就如同機場的擺渡車。使用上面級可以大大減少有效載荷自身的燃料消耗，從而大 大延長工作壽命。
據長征-3A系列運載火箭總設計師姜杰在兩會期間接受專訪時透露，長征-3C/遠征-1是在原本3級的長征-3C火箭上面增加一級，從而變成4級火箭。4級火箭的主要任務是搭載可以直接入軌的衛星。
為節省燃料，以往的3級火箭只能將衛星送至轉移軌道，即3級火箭發射的軌道是橢圓的，衛星需要變軌為圓形軌道。例如發射地球同步軌道（GEO）通訊衛星 時，長征三號火箭在一、二級分離后，第三級與衛星一起先進入一個近地圓軌道（又稱為停泊軌道）；然后第三級的發動機關機，第三級與衛星在停泊軌道上繞地球 運行；在運行到適合的位置后，第三級發動機再啟動加速，然后進入地球同步轉移軌道（GTO）；進入到GTO軌道后，第三級與衛星分離，衛星獨自在GTO軌 道上運行；最后衛星在GTO軌道的遠地點打開自身的火箭發動機，變軌進入GEO軌道的預定位置，這時整個發射才算完成。
而改進后的4級火箭可以直接將衛星發送至距離更為遙遠的目標軌道，衛星不需要再變軌。3級火箭的飛行只需要半小時左右，而4級火箭則需要飛行4~6小時， 能飛到幾萬公里的外太空。"上面級"這個概念主要要求火箭最頂部一級動力具有多次啟動、長時間待機的能力，以能用最低燃料消耗直接將衛星送入最終軌道。
衛星自載動力一般為高壓氣體，而非搭載液體推進劑，因其主要用于調整姿態等小幅度位置變動，不需要大推力動力系統；而作為“擺渡車”的上面級，它秉承“使 用盡量少的推進劑產生盡量大的推力”，有能力把衛星送到不同軌道的不同位置（甚至是地火軌道轉移），既可以發射單星，又可以發射多星，在性能和設計上追求 最優解。
遠征一號使用四氧化二氮+偏二甲肼的常溫液體推進劑組合。有軍事專家指出，由于我國液氫存儲技術尚不夠完善，液氫蒸發速度過快，無法實現在太空長時間在軌 待機。所以研制遠征一號上面級來應急。如果長征三號第三級液氫存儲技術有改進，能實現6.5個小時在軌待機，遠征一號實際上沒有存在必要。這個所謂“太空 擺渡車”的出現，反映的是我國運載火箭液氫存儲技術的落后。在遠征一號、遠征二號之后，我國也會研制能長時間在軌待機的氫氧上面級。根據初步設想，我國未 來的氫氧低溫上面級在軌時間不少于5天，可用于未來載人登月任務。要達到這個目標，中國航天還需努力。
采用氫氧發動機的美國半人馬座（Centaur）上面級最大飛行時間超過6個小時，可以堅持到直接將衛星送入地球同步軌道。這得益于美國長時間以來積累的液氧存儲技術，半人馬座可將液氫蒸發量控制到每天約2%。
遠征一號將為誰“擺渡”？
對于30日遠征一號將要擺渡的首個“客人”是誰，中國航天業界并不愿過多評論。不過國內媒體此前曾公開報道稱，2015年我國計劃發射4顆“北斗”全球導航試驗衛星，對全球導航衛星系統中的新技術進行驗證。
據中國運載火箭研究院黨委書記梁小虹在兩會期間介紹，新研制的遠征-1上面級有四大特點：一是兼具運載器與航天器的技術特性。它是在運載火箭或重復使用運 載工具上面增加的相對獨立的一級或多級，可依靠自身動力攜帶航天器繼續飛行。二是可多次啟動。運載火箭將其送入太空后，上面級能多次點火啟動，滿足不同發 射任務的需求。三是工作時間長。上面級長于運載火箭的工作時間，可以達到數小時、數天乃至數十天。遠征-1上面級首次采用了液體推進劑，在軌工作時間為 6.5小時。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空，上面級接力火箭繼續執行飛行任務，可通過飛行軌道的變化，將攜帶的一個或多個航天器直接 送到工作地點。
由于上面級擁有眾多優點，美俄等國很早就在研制并使用。美國目前總共研制出10多種上面級，用于發射大、中、小型有效載荷。如“阿金納”、變軌級、有效載荷助推艙/Star-48B、惰性上面級、“半人馬座”上面級等。
蘇聯/俄羅斯也先后打造了各種上面級。如D段、DM段、DM-SL段、微風-KM、微風-M和“弗雷蓋特”等上面級。歐洲航天局后發制人起點高，研制了可 貯存液體上面級EPS以及低溫上面級ESC-A和ESC-B。這些航天大國，不僅用裝有上面級的運載火箭把衛星直接送入軌道，美國還曾用航天飛機發射衛星 和空間探測器，它是靠裝在貨艙內的有效載荷助推艙/Star-48B上面級來發射。目前，為了降低衛星成本，美國GPS-2F導航衛星不用遠地點發動機入 軌，而用裝有上面級的“宇宙神-5”或“德爾塔-4”火箭直接送入工作軌道。
上面級也常用于“一箭多星”發射，以有效降低發射成本。美國的“半人馬座”、俄羅斯的微風-M、歐洲的EPS等著名上面級，具有多次變軌、高精度導航、星 箭接口適應性強等特點，都具備多星多軌道發射能力，進行快速組網。如2015年3月28日(北京時間)，裝有“弗雷蓋特”上面級的俄羅斯聯盟-ST火箭就 一舉發射了第7顆和第8顆歐洲“伽利略”導航衛星，把它們分別送到兩個軌道面。美國甚至還用上面級完成某些特殊任務，比如用“半人馬座”上面級先將美國 “月球隕坑觀測與感知衛星”送至月球軌道，然后用“半人馬座”上面級對月球進行撞擊。
太空垃圾回收車
“太空擺渡車”另外一個重要的使命，就是可提供軌道轉移、空間碎片清理等軌道服務。然而，“打掃太空垃圾”絕非易事。
“怎么收集太空垃圾？如何處理？太空垃圾首先不能對回收者造成實質性威脅。”軍事評論員宋忠平認為，未來“太空擺渡車”或能夠同時具有機械臂功能。
如果把利用“太空擺渡車”發射和釋放衛星到預定軌道的動作比作“卸車”，那么從特定軌道回收太空垃圾的動作就是“裝車”。“擺渡車”上如果有“機械臂”的 話，那么這兩個動作都將變得相對輕松和靈活。而且，太空垃圾多為報廢衛星，如果抓回來之后還能軟著路，對報廢衛星進行回收，還具有一定的研究價值。
“美國已經在這條路上走在了前列。”宋忠平認為，利用太空飛船或“太空擺渡車”來釋放、收回衛星更為靈活，應用更為廣泛，驗證和發展機械臂技術是未來需要考慮的方向。
“包括在空間站建設中，這些技術都是必不可少的。”宋忠平告訴記者，飛船與國際空間站的兩種對接方式，其中一種就類似機械臂的抓取，“太空機械臂在未來太空探索中必將發揮重要作用，我們需要逐步掌握”。
遠征一號不只是一個任務型號，而是系列編號
據了解，從上世紀80年代末開始，中國先后研制出多型固體推進劑上面級，并進行了多次飛行，全部取得圓滿成功。但此前的上面級均為滿足某種單一任務而研 制，只具有一次啟動能力，工作時間較短，對于更多發射任務適應性較弱。遠征一號作為一種液體推進劑上面級，有望成為中國航天領域真正意義上的“太空擺渡 車”。
梁小虹表示，為加強中國航天在深空探測、空間試驗等空間領域的探索和服務能力，中國運載火箭技術研究院將按照系列化發展的思路，在遠征一號的基礎上逐步構建多種類、多用途的上面級產品。
