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今年是中國航天發(fā)射的又一個密集年，計劃完成20次宇航發(fā)射，將超過40個航天器送入太空。

據(jù)《環(huán)球時報》報道，今天（3月30日），新一代上面級遠(yuǎn)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(yuǎn)征一號”未來又將擔(dān)負(fù)什么樣的太空發(fā)射任務(wù)？它的出現(xiàn)將帶給中國航天哪些深刻的變化呢？或許可以從遠(yuǎn)征一號這個名稱中看到一些端倪。

遠(yuǎn)征一號（科學(xué)報圖片）

遠(yuǎn)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(chǔ)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(fā)射任務(wù)需求，能將一個或多個有效載荷(如衛(wèi)星、空間探測器等)送入預(yù)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(jù)長征-3A系列運載火箭總設(shè)計師姜杰在兩會期間接受專訪時透露，長征-3C/遠(yuǎn)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(wù)是搭載可以直接入軌的衛(wèi)星。

為節(jié)省燃料，以往的3級火箭只能將衛(wèi)星送至轉(zhuǎn)移軌道，即3級火箭發(fā)射的軌道是橢圓的，衛(wèi)星需要變軌為圓形軌道。例如發(fā)射地球同步軌道（GEO）通訊衛(wèi)星時，長征三號火箭在一、二級分離后，第三級與衛(wèi)星一起先進(jìn)入一個近地圓軌道（又稱為停泊軌道）；然后第三級的發(fā)動機關(guān)機，第三級與衛(wèi)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(fā)動機再啟動加速，然后進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）；進(jìn)入到GTO軌道后，第三級與衛(wèi)星分離，衛(wèi)星獨自在GTO軌道上運行；最后衛(wèi)星在GTO軌道的遠(yuǎn)地點打開自身的火箭發(fā)動機，變軌進(jìn)入GEO軌道的預(yù)定位置，這時整個發(fā)射才算完成。

而改進(jìn)后的4級火箭可以直接將衛(wèi)星發(fā)送至距離更為遙遠(yuǎn)的目標(biāo)軌道，衛(wèi)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(wèi)星送入最終軌道。

衛(wèi)星自載動力一般為高壓氣體，而非搭載液體推進(jìn)劑，因其主要用于調(diào)整姿態(tài)等小幅度位置變動，不需要大推力動力系統(tǒng)；而作為“擺渡車”的上面級，它秉承“使用盡量少的推進(jìn)劑產(chǎn)生盡量大的推力”，有能力把衛(wèi)星送到不同軌道的不同位置（甚至是地火軌道轉(zhuǎn)移），既可以發(fā)射單星，又可以發(fā)射多星，在性能和設(shè)計上追求最優(yōu)解。

遠(yuǎn)征一號使用四氧化二氮+偏二甲肼的常溫液體推進(jìn)劑組合。有軍事專家指出，由于我國液氫存儲技術(shù)尚不夠完善，液氫蒸發(fā)速度過快，無法實現(xiàn)在太空長時間在軌待機。所以研制遠(yuǎn)征一號上面級來應(yīng)急。如果長征三號第三級液氫存儲技術(shù)有改進(jìn)，能實現(xiàn)6.5個小時在軌待機，遠(yuǎn)征一號實際上沒有存在必要。這個所謂“太空擺渡車”的出現(xiàn)，反映的是我國運載火箭液氫存儲技術(shù)的落后。在遠(yuǎn)征一號、遠(yuǎn)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(jù)初步設(shè)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(wù)。要達(dá)到這個目標(biāo)，中國航天還需努力。

采用氫氧發(fā)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(wèi)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(shù)，半人馬座可將液氫蒸發(fā)量控制到每天約2%。

遠(yuǎn)征一號將為誰“擺渡”？

對于30日遠(yuǎn)征一號將要擺渡的首個“客人”是誰，中國航天業(yè)界并不愿過多評論。不過國內(nèi)媒體此前曾公開報道稱，2015年我國計劃發(fā)射4顆“北斗”全球?qū)Ш皆囼炐l(wèi)星，對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的新技術(shù)進(jìn)行驗證。

據(jù)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(yuǎn)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。它是在運載火箭或重復(fù)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(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(wù)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(dá)到數(shù)小時、數(shù)天乃至數(shù)十天。遠(yuǎn)征-1上面級首次采用了液體推進(jìn)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(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)，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(yōu)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(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(fēng)-KM、微風(fēng)-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和ESC-B。這些航天大國，不僅用裝有上面級的運載火箭把衛(wèi)星直接送入軌道，美國還曾用航天飛機發(fā)射衛(wèi)星和空間探測器，它是靠裝在貨艙內(nèi)的有效載荷助推艙/Star-48B上面級來發(fā)射。目前，為了降低衛(wèi)星成本，美國GPS-2F導(dǎo)航衛(wèi)星不用遠(yuǎn)地點發(fā)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(fā)射，以有效降低發(fā)射成本。美國的“半人馬座”、俄羅斯的微風(fēng)-M、歐洲的EPS等著名上面級，具有多次變軌、高精度導(dǎo)航、星箭接口適應(yīng)性強等特點，都具備多星多軌道發(fā)射能力，進(jìn)行快速組網(wǎng)。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(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(dǎo)航衛(wèi)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(wù)，比如用“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(jìn)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(zhuǎn)移、空間碎片清理等軌道服務(wù)。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(zhì)性威脅。”軍事評論員宋忠平認(rèn)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(fā)射和釋放衛(wèi)星到預(yù)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(wèi)星，如果抓回來之后還能軟著路，對報廢衛(wèi)星進(jìn)行回收，還具有一定的研究價值。

“美國已經(jīng)在這條路上走在了前列。”宋忠平認(rèn)為，利用太空飛船或“太空擺渡車”來釋放、收回衛(wèi)星更為靈活，應(yīng)用更為廣泛，驗證和發(fā)展機械臂技術(shù)是未來需要考慮的方向。

“包括在空間站建設(shè)中，這些技術(shù)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(fā)揮重要作用，我們需要逐步掌握”。

遠(yuǎn)征一號不只是一個任務(wù)型號，而是系列編號

據(jù)了解，從上世紀(jì)80年代末開始，中國先后研制出多型固體推進(jìn)劑上面級，并進(jìn)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(wù)而研制，只具有一次啟動能力，工作時間較短，對于更多發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性較弱。遠(yuǎn)征一號作為一種液體推進(jìn)劑上面級，有望成為中國航天領(lǐng)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(lǐng)域的探索和服務(wù)能力，中國運載火箭技術(shù)研究院將按照系列化發(fā)展的思路，在遠(yuǎn)征一號的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建多種類、多用途的上面級產(chǎn)品。

（綜合環(huán)球時報、騰訊軍事、中國科學(xué)報報道）