長征- 3 C / 遠征- 1 火箭首射成功　首顆新一代“北斗”衛(wèi)星進入軌道

長征- 3 C / 遠征- 1 火箭首射成功首顆新一代“北斗”衛(wèi)星進入軌道

2015年3月30日21：52，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征-3C/遠征-1運載火箭成功發(fā)射了首顆“北斗”全球?qū)Ш皆囼炐l(wèi)星，它標志著我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展的啟動實施。在此次發(fā)射中，首次使用了被稱為“太空擺渡車”的遠征-1上面級，它由中國運載火箭技術(shù)研究院抓總研制，可在太空將一個或多個航天器直接送入不同的軌道，從而提高火箭的適應性和競爭力，也使長征-3A系列火箭正式邁入“3.0時代”，即從能力形成、能力提升發(fā)展到能力拓展。

1　上面級用途廣泛

火箭上面級是一種由基礎(chǔ)級運載火箭發(fā)射進入準地球軌道或地球軌道后，能夠進一步將有效載荷從準地球軌道或地球軌道送入預定工作軌道或預定空間位置的具有自主獨立性的飛行器。它可為不同的有效載荷提供更多樣、更靈活的發(fā)射模式解決方案，進一步降低火箭發(fā)射成本，提高商業(yè)發(fā)射的競爭力，并能在未來的深空探測任務，軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理等軌道服務中，以及新材料、新技術(shù)驗證等空間試驗領(lǐng)域等都發(fā)揮重要作用。

這種獨立的飛行器位于運載火箭最上面，作用介于運載火箭和航天器之間，具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，滿足不同的發(fā)射任務需求。之所以稱上面級為“太空擺渡車”，是因為用運載火箭基礎(chǔ)級已經(jīng)把有效載荷送上了太空，但還沒有到達最終運行軌道,需通過上面級再次或多次點火加力才行。所以，它很像機場的擺渡車。

相對于航天器而言，上面級成本較低，軌道機動能力強，可作為空間技術(shù)試驗的通用平臺創(chuàng)造靈活、多樣的組合模式，完成更多的拓展應用任務。利用上面級的軌道部署能力有助于采用直接入軌發(fā)射和“一箭多星”發(fā)射方式，有效提高發(fā)射效率，減少發(fā)射組織次數(shù)，使航天器快速進入太空，降低任務成本和航天器燃料的攜帶量，將珍貴的重量分配給其他用途的有效載荷,實現(xiàn)航天器輕量化發(fā)射。它的功能已經(jīng)發(fā)展到完成從低地球軌道到地球同步轉(zhuǎn)移軌道、地球同步軌道、太陽同步軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道和地火轉(zhuǎn)移軌道等各種軌道的有效載荷運送，并成為在軌機動、航天器返回地球等航天活動的主角。

例如，一般在發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星時，先把衛(wèi)星用運載火箭送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，然后靠衛(wèi)星自身多次變軌定點在預定的地球靜止軌道，因此需要消耗衛(wèi)星上的許多燃料和花費較長時間，而用上面級則可把衛(wèi)星直接送入地球靜止軌道。

從20世紀80年代末開始，我國研制了多種型號的固體推進劑上面級，并進行了約10次飛行，全部取得圓滿成功。但是它們均為滿足某種單一任務而研制，且只具有一次啟動能力，工作時間較短，所以對于更多的發(fā)射任務適應性較弱，即應用范圍有很大的局限性。我國曾在1997-1999年用長征-2C/FP火箭以“一箭雙星”的方式7次成功地發(fā)射了2顆模擬星及12顆美國“銥”星,該火箭是在長征-2C的基礎(chǔ)上增加了一個具有多星發(fā)射能力的固體推進劑上面級；我國曾在2003-2004年用長征-2C/SM火箭2次成功發(fā)射了探測-1、2衛(wèi)星,該火箭是在長征-2C的基礎(chǔ)上增加了一個新研制的固體推進劑上面級。

這次使用的長征-3 C/遠征-1火箭是由基礎(chǔ)級和上面級組成的4級火箭?；A(chǔ)級火箭是在長征-3C火箭基礎(chǔ)上為適應采用上面級而改進研制的捆綁式3級液體火箭，上面級是為發(fā)射我國新一代“北斗”導航衛(wèi)星而專門研制的采用常規(guī)推進劑的軌道運載器。

2　遠征-1　四大特點

遠征-1是我國新研制的第一種液體推進劑上面級。它繼承了近些年來我國航天領(lǐng)域的一些先進設(shè)計、制造技術(shù)。其功能相對獨立、可多次啟動而且工作時間達到數(shù)小時。它能在與基礎(chǔ)級火箭分離后，用自有的控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)按預定計劃繼續(xù)飛向深空，直到把衛(wèi)星送到預定軌道再與衛(wèi)星分開。

由于上面級構(gòu)造復雜、空中點火次數(shù)多、工作時間較長，與基礎(chǔ)級火箭相比更容易出現(xiàn)故障。為此，研制人員開展了大量試驗攻關(guān)，對飛行產(chǎn)品設(shè)計方案進行了全面考核驗證。

在外形上，遠征-1采取了高可靠的輕質(zhì)緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了運載能力，將更多的空間留給衛(wèi)星使用。由于上面級結(jié)構(gòu)復雜，與基礎(chǔ)級分離后呈半開敞式狀態(tài)，所以其在太空中的溫控設(shè)計需要單獨考慮。

遠征-1內(nèi)部設(shè)計突破了一系列先進技術(shù)：長時間高軌道自主導航、制導控制技術(shù)，高性能發(fā)動機技術(shù)，空間粒子防護技術(shù)，推進劑管理技術(shù)，高速率遠距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)……。

2014年珠海航展展出的我國多星發(fā)射上面級模型

在設(shè)計之初，我國火箭專家就考慮了遠征-1的通用化和系列化，使它具備在未來拓展其應用領(lǐng)域的潛力。因此，通過將遠征-1或其改型上面級與我國“長征”系列運載火箭靈活組合，能最大程度地發(fā)揮基礎(chǔ)級火箭的運載能力。我國將按照系列化發(fā)展的思路，在遠征-1的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建多種類、多用途的上面級產(chǎn)品。

據(jù)中國運載火箭研究院黨委書記梁小虹介紹，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(shù)特性。它是在運載火箭或可重復使用運載工具的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(xù)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(fā)射任務的需求。三是工作時間長。配備長壽命電池的遠征-1上面級首次采用了液體推進劑，在軌工作時間達6.5h。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空，上面級接力基礎(chǔ)級火箭繼續(xù)執(zhí)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。

據(jù)長征-3A系列運載火箭總設(shè)計師姜杰透露，長征-3C/遠征-1是在3級火箭長征-3C上面增加一級了獨立飛行器，即遠征-1上面級，變成4級火箭。以往的3級火箭只能將衛(wèi)星送至轉(zhuǎn)移軌道，發(fā)射的軌道是橢圓形，衛(wèi)星需要變軌為圓形軌道。用改進后的4級火箭可以直接將衛(wèi)星發(fā)送至距離更為遙遠的目標軌道，衛(wèi)星不需要再變軌。3級火箭的飛行時間為0.5h左右，4級火箭可飛行約6h，飛行距離也從幾百千米拓展到3萬多千米。這次長征-3C/遠征-1發(fā)射屬于“一箭一星”直接入軌發(fā)射，5h42min后星箭分離，遠征-1上面級初戰(zhàn)告捷。以后還將用長征-3B/遠征-1火箭實現(xiàn)“一箭雙星”直接發(fā)射入軌，這樣可進一步提高發(fā)射效率，滿足日益增長的航天高密度發(fā)射需求。

姜杰介紹說，長征-3C/遠征-1長57.126m，在長征-3 A“家族”中個頭最大。其“頭部”被4.2m大直徑的整流罩保護起來，內(nèi)有衛(wèi)星和上面級的組合體。從外觀上來看，此次發(fā)射的火箭看不出明顯長個兒。這是由于此前的衛(wèi)星必須攜帶變軌時所需要的發(fā)動機、推進劑等，因此，體形會相對比較龐大；采用上面級后可為衛(wèi)星“分憂解難”，使衛(wèi)星“瘦身”。所以火箭的整體外形不會出現(xiàn)明顯的“身高”變化。此枚火箭的研制經(jīng)歷了5年多的時間，在地面上做過了充分的試驗驗證，其中累計的各項試驗項目達到幾千項。即使基礎(chǔ)級火箭在發(fā)射過程中出現(xiàn)問題，也能通過地面指令，用上面級實現(xiàn)及時變軌，確保衛(wèi)星準確入軌。研制團隊從總體設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計，再到控制系統(tǒng)設(shè)計等，對每個技術(shù)細節(jié)都重新進行了設(shè)計、計算、仿真和試驗驗證，以保證這枚4級火箭整體工作可靠性更高、可控性更好。

“弗雷蓋特”上面級與聯(lián)盟-ST火箭第3級分離，然后“弗雷蓋特”上面級分別送歐洲第7顆和第8顆“伽利略”導航衛(wèi)星進入各自軌道面

3　國外上面級簡介

由于上面級具有功能多，工作時間長，能在太空中多次點火啟動，可把多個航天器送到不同目的地，大大減少有效載荷的燃料消耗、自身成本和技術(shù)復雜性，可滿足不同發(fā)射任務的需求等諸多優(yōu)點，大大提高了火箭發(fā)射任務的靈活性，所以受到了國外航天強國的普遍重視。美蘇早在20世紀50年代末和60年代就分別開始發(fā)展上面級技術(shù)，先后開發(fā)出數(shù)十種上面級。后來，歐洲也研制了性能高和適應性好的上面級，具有較強的市場競爭力。

至今，上面級主要有固體推進劑上面級、液體推進劑上面級兩種。其中固體推進劑上面級的優(yōu)點簡單，但任務適應能力較差，因為它推力小、多次啟動難，只適用于一種或一類的發(fā)射任務，早期多采用這種。與之相比，液體推進劑上面級性能高，推力大，可多次點火，任務適應能力較強，所以目前主要采用液體推進劑上面級。

美國至今總共研制出10多種上面級，用于發(fā)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(lián)/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(fā)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、B。

美國曾用航天飛機貨艙和內(nèi)的有效載荷助推艙/ Star-48B上面級來發(fā)射衛(wèi)星或空間探測器。目前，為了降低衛(wèi)星成本，美國GPS-2F導航衛(wèi)星不用遠地點發(fā)動機入軌，而用裝有上面級的宇宙神-5或德爾他-4火箭直接送入工作軌道。

上面級常用于“一箭多星”發(fā)射，目的也是降低發(fā)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，具備多星多軌道發(fā)射能力，可快速組網(wǎng)。例如，2015年3月28日（北京時間），裝有“弗雷蓋特”上面級的聯(lián)盟-ST火箭就一舉發(fā)射了第7顆和第8顆歐洲“伽利略”導航衛(wèi)星，把它們分別送到兩個軌道面。

也可用上面級完成某些特殊任務。例如，美國曾用“半人馬座”上面級先將美國“月球隕坑觀測與感知衛(wèi)星”送至月球軌道，然后用“半人馬座”上面級對月球進行撞擊式探測。

不過，由于上面級構(gòu)造復雜、空中點火次數(shù)多，工作時間較長，因此，它與基礎(chǔ)級火箭相比更容易出現(xiàn)故障。例如，俄羅斯目前主要用質(zhì)子-M/微風-M火箭發(fā)射國際商用通信衛(wèi)星。該火箭是在質(zhì)子-M的基礎(chǔ)上增加了微風-M上面級。微風-M上面級由1臺泵壓式擺動主發(fā)動機、4臺游機和12個姿控發(fā)動機組成，推進劑采用四氧化二氮/偏二甲肼，真空推力19.62kN，工作時間3000s，飛行中重復點火次數(shù)達8次，在太空飛行不少于24h，可幫助衛(wèi)星進入低、中、高軌道（包括地球同步軌道）。然而近年來，質(zhì)子-M/微風-M在發(fā)射時多次因微風-M上面級出現(xiàn)故障而導致“箭毀星亡”。最近兩年，俄羅斯火箭先后出現(xiàn)了6次重大發(fā)射失敗，其中5次是上面級“惹的禍”。2014年8月日22日，聯(lián)盟-ST/“弗雷蓋特”火箭在發(fā)射第5顆和第6顆歐洲“伽利略”衛(wèi)星時，也因“弗雷蓋特”上面級出現(xiàn)缺陷導致衛(wèi)星未能進入目標軌道。

由此可見，上面級很容易出現(xiàn)問題，但它在火箭發(fā)射中又具有重要的作用，所以世界航天大國越來越重視提高上面級的可靠性，并擬通過模塊化和系列化的設(shè)計提高上面級的通用性和適應性。目前，低溫推進劑上面級和電推進系統(tǒng)以其高性能的優(yōu)勢正成為各國發(fā)展的重點。歐美等國家還在研究可重復使用的上面級。

4　支撐“一帶一路”建設(shè)

這次發(fā)射的首顆新一代“北斗”衛(wèi)星是我國第17顆“北斗”導航衛(wèi)星，由中國科學院和上海市政府合作共建的上海微小衛(wèi)星工程中心研制，衛(wèi)星發(fā)射總質(zhì)量為800kg，運行在傾斜地球同步軌道。該衛(wèi)星將開展新型導航信號體制、星間鏈路等試驗驗證工作，為“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。

星間鏈路是指用于衛(wèi)星之間通信的鏈路，通過星間鏈路可以將多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，實現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，以及衛(wèi)星的自主導航，有助于提高測定軌道和授時精度。采用該技術(shù)可減少地面測控站對導航衛(wèi)星的信息上行注入等操作次數(shù)，減少對地面站的依賴，有效降低系統(tǒng)的運行管理成本。

這顆衛(wèi)星是首顆采用中國科學院導航衛(wèi)星專用平臺的衛(wèi)星，特點在于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于“一箭多星”發(fā)射模式；采用了國產(chǎn)通用中央處理器(CPU)—“龍芯”和銣原子鐘。據(jù)該衛(wèi)星總設(shè)計師林寶軍透露，整顆衛(wèi)星采用了一體化的設(shè)計方法，用功能鏈的設(shè)計理念取代以往的分系統(tǒng)設(shè)計理念，將整星分為有效載荷、結(jié)構(gòu)熱、電子學和姿軌控等功能鏈，以提高系統(tǒng)的可靠性和功能密度，有效降低衛(wèi)星質(zhì)量和功耗。在談及衛(wèi)星的研發(fā)目標時，林寶軍總設(shè)計師說，一方面要提高衛(wèi)星的穩(wěn)定性，“比如設(shè)計壽命達到10年以上，同時減少中斷率”；另一方面要降低衛(wèi)星成本，讓衛(wèi)星“再小一些，一次多發(fā)幾顆”。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風說，將于2020年建成的“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)從性能指標上要比目前在軌運行的“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)提高1～2倍，定位精度最高水平可能將達到2～3m，衛(wèi)星的壽命也將由8年延長到10～12年。它將推進國際合作，為“一帶一路”建設(shè)提供支撐。因為基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通是“一帶一路”建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域，“一帶一路”要實現(xiàn)互聯(lián)互通，所以“北斗”系統(tǒng)可在信息聯(lián)網(wǎng)、精確位置、指揮監(jiān)控等方面發(fā)揮自己的優(yōu)勢。

目前，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過兩種途徑參與國際合作。一方面是積極推動“北斗”進入國際民航、國際海事、移動通信等國際組織；另一方面是積極推動“北斗”系統(tǒng)服務國際社會，比如以“東盟行”、“亞太行”的方式幫助東南亞地區(qū)一些國家進行衛(wèi)星導航應用的方案設(shè)計，在當?shù)赝茝V普及“北斗”產(chǎn)品、建設(shè)地基增強系統(tǒng)。

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其說，2014年“北斗”已經(jīng)正式被國際海事組織接納成為全世界認可的衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)，它也是世界上第三個被國際海事組織所認可的衛(wèi)星導航系統(tǒng)?！氨倍贰睉迷?014年取得了比較大的突破,芯片的銷售量突破了500萬片?！氨倍贰苯K端導航儀已經(jīng)大規(guī)模上市，國內(nèi)有幾款手機導航定位芯片采用了中國自己企業(yè)生產(chǎn)的“北斗”定位芯片。

據(jù)悉，2015年我國還將發(fā)射3～4顆“北斗”導航衛(wèi)星，構(gòu)成一個完整的試驗體系，2020年前后完成全球組網(wǎng)。這意味著在未來5年，“北斗”導航衛(wèi)星將進入密集發(fā)射期。

宗河/文