一箭多星怎麼做到？未來的航天發射就靠上面級了！

文章來自「科學大院」公眾號

作者：李會超

2018年3月30日，長征三號乙運載火箭以「一箭雙星」方式成功發射北斗三號第七、八顆組網衛星。在有關這次發射的報道中，特別提到了兩顆衛星是由"遠征一號"上面級成功送入軌道的。

運載火箭和人造衛星都是大家熟知的航天器，而"上面級"，不少讀者可能會覺得有些陌生。實際上，隨著我國火箭推力的增強、深空探測的逐步開展和一箭多星發射方式的更多採用，上面級正在航天發射中起到越來越重要的作用。

太空多面手：複雜發射掌舵者

世界上第一種上面級是美國的「阿金納」上面級。在上世紀五十年代末的偵查衛星和導彈預警衛星計劃中，美國空軍希望研製一種通用的航天器模塊，既可以在火箭發射過程中像火箭的一級一樣，以自身推力工作一段時間，將衛星送入合適的軌道，又可以作為衛星本身的一部分，為實施不同探測目的的有效載荷提供電力供應，同時維持衛星的姿態。

為了更好的應對軍事危機與衝突，美國軍方還希望衛星在軌運行時，能夠按需要變換軌道。因此，改進型的阿金娜-B上面級，又增加了在太空中「熄火」後再重新「打火」的機會，即發動機的多次重複啟動，還配套增加了更加複雜的測控功能。

水星8號飛船上拍攝到的阿金娜上面級

隨著阿波羅登月計劃的展開，阿金納上面級又被賦予了新的任務。

為了給阿波羅飛船指令/服務艙與登月艙的對接進行技術驗證，阿金納-D型上面級變成一個獨立工作的目標飛行器，先發射到軌道上等待「水星」號載人飛船（阿波羅計劃正式實施前美國使用的載人飛船）與之對接。對接後，對接體的變軌推力便由阿金納上面級提供，宇航員也可以直接控制上面級。

在水星11號任務中，阿金納更是將組合體由近似圓形的近地軌道提升到了遠地點高度1369公里的橢圓軌道上，創下了圍繞地球運行的載人航天器軌道高度之最。

由以上的故事，我們不難總結出由阿金納定義的上面級技術特性：

「

上面級任務性質介於運載器與航天器之間，既可以像運載火箭那樣提供推力，又可以像航天器那樣具備獨立的電氣系統，在軌道上長時間工作。

」

此外，它的發動機採用了更適合在真空環境中工作的設計，可以在太空中點火，有些甚至具備多次啟動的功能。可以說，上面級是一位太空多面手，可以利用其綜合能力強的優勢執行一些較為複雜的發射。

例如，美國研製的「半人馬座」上面級，和宇宙神火箭一起，將去往月球的「測量員1號」探測器送入奔月軌道。在此次飛行中，去往月球的變軌技術和航天器在月球的軟著陸技術得到驗證，還讓美國成為了第一個使用無人航天器登陸月球的國家。之後，它還為美國許多重要的科學衛星提供了變軌的推力。

在旅行者1號的發射過程中，半人馬座還起到了「救場」的作用。執行發射任務的泰坦火箭第一級因為硬體問題提前關機。半人馬座上面級通過控制程序發現了這一問題，並通過增加自身工作時間的方式，讓發射最終取得了成功。

半人馬座上面級發射月球隕坑觀測與感測衛星（LCROSS）的效果圖

「續命大師」+「太空擺渡車」

太空梭是一種運載能力強大的航天器，它還可以搭載達多達27.5噸的載荷到達近地軌道。除了搭載航天員，太空梭也常被用作衛星發射平台。然而，由於太空梭本身只能飛行在近地軌道上，要想發射在其他軌道上工作的衛星，就只能藉助於上面級的力量。

為此，NASA選用了由波音公司開發的「慣性」上面級。與阿金納、半人馬座兩種採用液體燃料的上面級不同，慣性上面級採用了固體燃料，因此啟動後必須連續工作，不能多次重複啟動。

起初，NASA也考慮過使用半人馬座和太空梭做搭檔。但在挑戰者號太空梭事故後，NASA再不願意承擔液體燃料上面級所帶來的額外風險，轉而選擇了慣性上面級。

在實際發射中，慣性上面級被安裝在太空梭背部的有效載荷艙中。當太空梭到達近地軌道、準備發射衛星時，太空梭將打開載荷艙，將上面級和衛星的組合體抬起約50度。

之後，太空梭釋放衛星與上面級的組合體，待太空梭撤離到安全距離之外後，上面級開始在太空中點火工作，將衛星送到合適的軌道。上面級在釋放衛星的同時，還會降低自身軌道，防止和剛發射的衛星相撞。

太空梭利用慣性上面級發射「伽利略」探測器

發射「尤利西斯」探測器的慣性上面級與太空梭分離後的場景（效果圖）

在前不久成功進行的獵鷹重型火箭首次發射中，搭載Starman的紅色Roadster跑車雖然外表拉風、賺盡眼球，但實際上跑車本身不具備任何在太空中飛行的能力。將跑車和Starman送入地球-火星間轉移軌道的，是獵鷹重型火箭的第二級。按照Space X低成本、模塊化的設計思路，第二級採用的發動機和第一級、助推器的一樣，均為Merlin-1D型。

但這台發動機針對第二級所承擔的任務進行了特別改進，使其擁有了在真空中多次點火的能力。在實際飛行中，獵鷹重型火箭第二級與跑車共同在近地軌道滑行，並在發射後3分15秒、28分22秒、6小時0分0秒三次啟動工作，最終完成了將跑車送入轉移軌道的任務。

按照上面級的定義，獵鷹重型火箭第二級和之前多次執行複雜發射的獵鷹9火箭第二級，都應該被納入上面級的範疇。讓人略感遺憾的是，根據Space X在發射後透漏的消息，由於獵鷹重型火箭第二級工作的偏差，跑車實際進入的轉移軌道遠地點已經超過了火星軌道，到達了小行星帶內。（實際上就算第二級正確工作，跑車也無法真正與火星相遇。詳見本公眾號之前發布的文章《馬斯克的特斯拉跑車，真能到達火星嗎?》）

獵鷹重型火箭第二級與Roadster跑車、Starman假人在太空中飛行的效果圖

當一架飛機到達目的地機場後，機上的乘客一般要去往城市中的不同地方，這時，他們就要換乘在城市中設置多個站點的機場大巴，來去往各自的目的地了。在一枚火箭同時發射多個衛星的一箭多星發射中，每顆衛星的軌道傾角和軌道高度一般都會有所不同。這時，就需要火箭和上面級協力完成發射任務了。

「

運載火箭的角色類似飛機，將上面級和衛星從地面運送到太空中的某條軌道上；而上面級的作用類似機場大巴，通過自身的工作再將各個衛星送入各自不同的軌道。

」

這樣，不但提高了發射效率，還能使衛星無需再為變軌而消耗燃料，從而能將所有的燃料都用於在軌道上的正式工作。

衛星的燃料一旦耗盡，便沒法再維持自身姿態和軌道，即便其他設備已讓工作良好，也不得不做報廢處理。因此，節省的燃料可以讓衛星再軌道上工作更長時間。從這個意義上講，上面級也是衛星的「續命大師」。在衛星與上面級分離時，將根據衛星本身的特點制定「下車」方案，使得它們在離開時，不會互相干擾和碰撞，保持上面級的重心平穩。對於重量較大的衛星，可以採用彈簧彈射的分離方式與上面級分離。而重量較小的衛星，則可以採用燃料燃燒產生的氣流將其推出出去。

長征七號火箭首次發射時搭載了遠征一號甲上面級

我國曾經為了完成「銥星」通信衛星和「雙星」科學探測衛星的發射任務而研發過固體燃料上面級。然而，這些上面級都是針對特定任務開發的，功能比較單一。進入新世紀後，我國開發了「遠征」系列上面級，真正擁有了功能比較強大的「太空擺渡車」。

目前，遠征上面級家族已有3名成員。

1

遠征一號上面級是基本型，主要針對中高軌的直接入軌任務，只有兩次啟動能力。

2

長征七號首發時使用的遠征一號甲上面級實現了多次啟動、長時間在軌，目前啟動次數能達到20次，完成不同軌道的多星部署。

3

長征五號首發時使用的遠征二號上面級，是遠征一號系列化的產品，有兩台發動機，運載能力更大，執行高軌多星的直接入軌任務。

隨著我國航天事業的進一步發展，這些上面級必將在更廣闊的舞台上施展自己的本領。

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