远征上面级研制技术发展

2020-11-27周佑君叶成敏

宇航总体技术 2020年6期

周佑君，叶成敏

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

上面级是一种由运载火箭基础级发射进入地球轨道或准地球轨道，能够进一步将有效载荷从地球轨道或准地球轨道送入预定轨道或预定空间位置的具有独立自主性的飞行器，一般具有多次起动、长时间在轨、自主飞行、多任务适应等特点，能够完成轨道转移、轨道部署等任务[1-2]。

2015年3月30日21时52分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙/远征一号运载火箭，成功发射北斗卫星导航系统第17颗卫星——北斗三号系统首颗卫星。31日凌晨，经过近6 h的飞行，远征一号上面级与卫星成功分离，将卫星直接送入倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit， IGSO)，这是我国首次采用上面级直接入轨发射技术发射中高轨卫星。同年7月25日，长征三号乙运载火箭搭配远征一号上面级以一箭双星方式将第18、第19颗北斗导航卫星送入预定轨道，进一步确定了运载火箭搭配远征一号上面级一箭双星直接入轨发射成为北斗三号卫星导航系统工程的主要发射方式。2019年12月16日，长征三号乙运载火箭搭配远征一号上面级以一箭双星方式将第52、第53颗北斗导航卫星送入预定轨道，圆满完成北斗三号核心星座组网建设任务[3]。

本文回顾与分析远征上面级研制技术发展历程，提出我国上面级后续发展设想。

1 技术发展背景

20世纪50年代，以美国和苏联为代表的世界航天强国开始了上面级的研究和发展，先后研制出了数十种类型各异、功能多样的上面级，以满足多种航天任务需要。其中，以美国阿金纳、半人马座、惯性上面级，苏联Fregat、微风上面级以及欧洲阿里安5上面级、织女火箭上面级为典型代表[2]。

中国自20世纪90年代以来，先后成功研制了长征二号丙/FP、SM、SMA固体上面级，并在多次飞行任务中得到成功应用，奠定了上面级技术发展的基础。但由于早期的上面级均是针对专项工程研制，多采用固体发动机，不具备多次起动能力，其应用有局限性。依托北斗卫星导航系统工程，2009年，中国开始了支持直接入轨发射中高轨卫星的新一代常规液体上面级技术研究[3]。

2 上面级技术优势分析

上面级是一种轨道转移飞行器，任务性质介于运载器与航天器之间，兼具运载器与航天器的技术特点。采用“基础级火箭+上面级”的组合发射方式，其技术优势在于：

(1)提供一种灵活的进入空间实施方案

一方面，可以将有效载荷直接送入中、高轨工作轨道，简化航天器入轨程序，减轻地面测控压力；另一方面，可以一次发射多种有效载荷，实现快速轨道部署。

(2)充分拓展利用运载火箭的运载能力

可最大程度发挥基础级火箭的运载能力，在满足主发射任务前提下，可充分利用富余能力实现其他有效载荷的组合发射，特别是对大、中型运载火箭优势明显。

(3)提高发射效率，降低任务成本

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。

(4)为在轨应用提供一种灵活和低成本的通用平台

上面级具有长期在轨工作能力，可以为有效载荷提供能源、控制、数传等基础服务。相对于航天器，上面级成本较低，轨道机动能力强，可作为空间技术试验的通用平台，也可拓展在轨服务。

3 上面级关键技术研究

3.1 中高轨直接入轨轨道设计技术

被直接入轨发射进入中高轨道的航天器一般不具备大范围轨道调整能力，通过上面级将航天器直接送入目标轨道，其轨道精确设计是高精度入轨的基础。上面级自主在轨飞行数小时，测控需求、空间热防护等均对轨道设计有严格的约束。近年来，研究满足多种约束条件的直接入轨轨道设计技术成果丰硕。王传魁等[4]研究了基于上面级快速定点发射地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星轨道方案，给出了GEO 卫星定点调相设计方法和数值仿真分析结果，可简化地球静止轨道发射过程和大幅缩短静止轨道定点发射时间，将卫星自身携带变轨发动机和燃料间接入轨和定点所需的6～12 d缩短至2 d以内。周文勇等[5]研究了上面级对发射窗口的约束问题，将发射窗口计算问题转换为飞行姿态设计问题，通过搜索与解算上面级飞行姿态来满足长时间滑行期间的热控、地面测控等多种约束条件，为工程实际应用提供重要参考。

3.2 高可靠的长时间自主导航制导控制技术

上面级在轨飞行时间相比火箭的几十分钟延长至数小时，纯惯性导航误差随时间累积，难以满足长时间自主导航精度要求，且飞行高度从几百千米至几万千米，卫星导航无法全程使用；上面级轨道转移对实时性要求较高，无法像航天器似的通过地面多圈测量实现精确定轨；在远地点变轨时，需克服长时间滑行累积的轨道偏差，完成大范围轨道转移并实现对多个轨道约束条件的控制。为满足长时间自主工作、高精度入轨的需求，需采用多模式组合复合制导导航控制技术[6]，涉及复合导航技术、大范围轨道机动的制导律、惯性组合累积误差修正技术等方面。李超兵等[7]研究提出一种K矢量查找算法与星棱锥快速星图匹配算法矢量，解决了星光导航中的星图匹配算法问题。张利宾等[8]针对组合方案开展研究，提出了惯性/星敏感器/地球敏感器的组合导航系统，并通过星敏感器在回路中的半物理仿真实验证明惯性/天文组合导航系统方案的可行性与正确性。针对转移轨道中途修正时机问题，张利宾等[9]设计了一种基于NSGA-II的中途修正时机优化算法，基于上面级运动方程和Lambert 远程变轨，通过仿真算例验证了中途修正的必要性，确定了修正策略，并证明该算法中途修正效果很好。

为提高直接入轨发射任务的可靠性，在自主飞行控制基础上通过上行遥控功能将自主控制和地面指令上行有机结合，使得上面级具备轨道重规划和上行指令修正导航参数功能，可大大增强应对火箭及上面级故障的能力，较长的无动力滑行段为地面实施指令注入提供了操作窗口。当出现火箭入轨偏差大幅超差时，可在地面上传重新规划的变轨诸元，上面级携卫星沿着新的轨道飞行，可再次确保卫星精确入轨或尽可能减小卫星入轨偏差。当上面级自主导航出现故障时，上行地面测定轨数据可对自主导航参数修正，仍可保障卫星入轨精度。王传魁等[10]研究了应对火箭入轨大偏差情况下轨道在线规划策略，制定了规划依据和方法并经过数值仿真证明策略有效。黄普等[11]提出一种基于改进微分进化算法的轨道规划方法，将轨道规划问题转化为多约束轨道优化问题并设计了多约束优化模型，以满足卫星半长轴及轨道倾角的工程需求，通过改进的微分进化算法求解最优解解决上面级机动轨道重规划问题。

3.3 推进剂管理及并联贮箱均衡输送技术

上面级一般采用4个贮箱两两并联的构型为发动机供应推进剂，因并联分支输送系统布局复杂、流阻差异大导致发动机工作段推进剂消耗不均衡，会造成飞行过程中较大的质心偏移，从而降低姿态控制系统的控制力裕度,增加姿控推进剂的消耗量。再者，当供应主动力的某一个贮箱推进剂提前耗尽时，其他贮箱剩余的推进剂将无法继续使用，会增加推进剂不可用量，同时输送系统无法保证为发动机提供纯液相的推进剂，夹气的推进剂输送至发动机可能造成起动时涡轮泵汽蚀，严重时发生结构破坏。且上述影响均会损失运载能力。

为此，在设计过程中，一般工程上使用2种方法抑制消耗不均衡现象：1)将两分支管路的流体阻力特性进行匹配，采用汽蚀管、孔板等方式，尽量减少两分支的流体阻力特性差异；2)在并联贮箱间增加一个连通管路，用于平衡推进剂消耗过程中并联贮箱内的推进剂。针对这两类方法，国内开展了较多的仿真分析及地面原理性试验研究，基于连通管的均衡输送方案推进剂不可用量及质心偏移变化最小且有利于工程实现[12]。

长时间在轨工作期间，需经历较长时间的在轨滑行和主发动机多次起动。在空间微重力条件下，需对推进剂进行管理，确保长时间滑行后主发动机再次起动时输送系统为其提供不夹气的推进剂。因贮箱尺寸较大，推进剂质量大，发动机流量大，膜片、囊式贮箱和卫星常用的表面张力贮箱等推进剂管理方案不适用，火箭末级常用的连续沉底方法则消耗推进剂较多，不适于长达数小时、数天的滑行任务。推进剂管理问题需从长时间滑行、大流量泵压式发动机、多次起动等特点，研究贮箱内液体重定位规律、优化推进剂沉底程序，研究推进剂蓄流、防旋、防塌设计，推进剂管理装置，落塔试验等多方面问题。刘桢等[13]研究分析了正推沉底和正推重定位沉底两种不同管理形式以及应用范围。邓新宇等[14]研究表明,间歇式沉底推进剂管理方法更适用于在轨数小时、启动次数2次或几次的动力系统，重点在于选择沉底发动机的推力和工作时间。通过推进剂重定位数值仿真可优化设计推力时序[15]，结合在贮箱出口设置局部蓄留的推进剂管理装置(PMD)，利用表面张力保证贮箱出口始终留存一部分推进剂，确保无动力滑行段气体不进入输送管路。启动次数大于2次甚至达到数十次的长期在轨泵压式动力系统宜采用可充填的启动篮管理装置方案，取消推进剂沉底系统，简化动力工作时序，节省沉底用量[16]。

3.4 空间环境适应性防护设计技术

上面级在轨飞行时间数小时至数天，任务轨道高带来的力、热、空间粒子等空间环境比火箭更复杂、恶劣，但又有别于在轨数年的航天器。发射中上面级位于航天器与火箭之间，肩负着“承载、运输和轨道部署”的多重功能，力学环境改变，其环境舒适性直接影响火箭及航天器飞行安全以及上面级功能实现。深入研究新环境，开展适应性分析与设计，制定适合上面级的空间防护和热控制方案、开展精细的力学环境分析与预示是必须突破的关键技术。

上面级动力系统管路外露，双组元推进剂温差控制要求高；仪器设备功耗大且安装板不直接朝向空间，散热困难；泵压发动机嵌入式安装，工作时间长，热环境严酷，需从热环境分析、热设计、热试验、热防护材料应用、工艺实施等多方面研究适合上面级这类轨道转移飞行器的热控技术。通过分析其发射轨道的辐射外热流变化规律，杨炜平等[17]采用对太阳定姿且绕箭体纵轴慢旋的策略可改善飞行热环境，可简化卫星和上面级的热控系统设计。泵压式多次起动空间发动机的热控问题也是难点之一，其被动热控与主动电加热措施相结合的热控方案及其热分析建模方法、热平衡试验方法等多有研究与突破[18- 20]。针对该新领域，朱尚龙等[21]探索了上面级热控系统研制流程的优化问题与实践，为工程实践提供了参考。李德富等[22-24]对多层隔热材料传热特性、涂层的物性等均有不少研究成果，用于指导工程设计。

地球辐射带内的空间环境对空间飞行器电子电气系统的影响较大，特别对各类数字芯片的影响不可忽略，上面级轨道跨越内外高能辐射带，涉及空间粒子环境分析、电气系统抗粒子辐射研究、电子设备加固技术、电气系统容错设计等多种技术研究。结合飞行特点，采用冗余设计、软件重构、适当提高元器件等级等多种措施相结合可实现产品可靠性与经济性的统一。针对飞行过程强自主的要求，关键电气设备如三冗余箭载计算机具备自主断电重启功能，可以在发生单粒子翻转或锁定时将发生故障的CPU断电重新启动并实现软硬件同步，保证控制系统的可靠性。

针对特殊的并联构型及力学环境，林宏等[25-26]对并联悬挂贮箱进行了建模方法研究，并对适应不同基础级火箭飞行过程中的激励特性、不同发射任务中卫星质量和动力学特性差异、空间复杂结构的精细模拟等问题开展精细化分析与设计、试验工作，获取了精细化力学试验条件制定方法、液体晃动参数仿真及计算修正方法、多分支结构的完整性设计准则、力学环境减缓技术。

3.5 多次起动常规液体空间发动机技术

为使上面级具备强的轨道机动能力和多任务适应性，突破多次起动的液体空间发动机技术是关键技术之一，多次起动、比冲高、工作时间长、高可靠等性能是这类发动机主要特点,也是设计难点，在发动机系统方案论证分析时需重点考虑发动机推进剂种类、供应系统、启动方式、增压方式等方面内容[27]。

发动机研制单位对多种启动方式、起动过程、性能精度控制等均有所研究[27-30]。挤压推进剂自燃有自身起动、火药启动器起动、起动箱起动等多种方式，自身起动简单但响应时间长，且对燃气发生器在低喷注压降及室压下的可靠性要求高；火药启动器起动方式不宜大于3次；起动箱起动适用于大于3次起动。性能精度控制是空间发动机的难点之一，研究表明[30]泵压式空间发动机性能精度干扰因素多达27项，且最多只能出现10项一致性偏差；控制每项干扰因素偏差不大于0.5%，才可确保发动机总性能偏差不大于5%。

3.6 基于测控数传一体化的远距离高码率测控技术

高轨道直接入轨任务要求上面级在现有测控网条件下必须具备40 000 km远距离轨道跟踪、无线信号传输能力且满足遥测数据传输码速率全程不低于1 Mbps的大容量需求。运载火箭基础级、上面级、多颗卫星的测控需求势必带来频率资源紧张的问题，大系统相互之间的电磁兼容性问题也不容忽视。通过采用测控数传一体化体制，高度集成实现了遥测、遥控、测距和测速功能一体化，节约研制经费，简化测控系统构成，可有效减少设备种类、体积、功耗和成本。采用非相干扩频技术，增强了信号的抗干扰和抗截获能力，可实现多系统同一点频同时工作，提高频谱利用率，解决上面级与其他工程系统之间点频分配紧张问题，以及无线设备之间的电磁兼容问题。基于遥测天线相位延时及TURBO信道编码技术、智能变帧技术等技术可有效、灵活地满足测控距离远、高码率的数传需求。

3.7 轻质高刚度结构设计技术

作为需进入空间轨道的上面级，追求其质量最小化且结构刚度高、与卫星组合后的整流罩内组合体频率不能低于火箭指标要求是上面级结构的主要设计目标之一，因此轻质高刚度结构设计技术便是上面级研制的关键技术之一。带十字形栅格板的上面级仪器舱结构可实现贮箱并联，解决在有限高度内推进剂质量大、结构悬臂长的技术难题，满足外包络并保证了整体高刚度；以壳梁组合式外支撑构型的多星分配器形式可解决星箭转换部段对组合体频率衰减大的难题，上面级/卫星组合体频率满足火箭要求；杆系、骨架与多层复合结构相结合的轻质、高刚度的隔热罩结构，解决了内嵌式主发动机长时间工作对周围设备产生的热防护问题[31]。

3.8 低冲击高可靠多星分离技术

直接入轨一箭多星发射方式要求上面级具备多星发射分离能力，分离系统高可靠、为卫星提供较低的分离冲击环境，必须突破上面级低冲击高可靠多星分离技术。近年来的研究表明，攻克的技术涉及多个方面：多星布局和分离方式设计，多星分离仿真预示，多星运动间隙控制，多星地面分离试验等技术，以及连接解锁装置的高效缓冲结构设计，浮动式压环设计，标准平台冲击测试，多因素耦合冲击源解构测试与分析，二硫化钼固体润滑涂层制备工艺等。

4 远征上面级发展现状

在北斗工程的牵引下，中国发展研制了远征一号、远征二号上面级[3,32-33]。远征一号是远征系列的基本型，远征二号是增强型，在轨时间几小时、起动次数2次。远征一号甲在远征一号基础上进行长时间在轨和多次起动改进，起动次数达数十次，作为空间在轨试验平台，已成功将多种载荷送入异面轨道，实现了能力升级。远征一号S商用型以及远征三号上面级均是为满足不同的中低轨道多星发射任务需求而研制的，目前均已完成首飞。

国内近10年来上面级技术发展表明，这一代上面级均采用可贮存液体推进剂动力，机动能力增强，起动次数增多，在轨时间更长；具有一定的通用性，与长征系列各构型运载火箭组合可执行低/中/高轨道直接入轨、多星发射、轨道转移、共面/异面轨道部署等多种类型航天任务，累计发射近20次，将40余颗大型航天器精准送入中轨道(Medium Earth Orbit, MEO)、地球同步轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)、太阳同步轨道(Sun-Synchronous Orbit, SSO)、再入轨道等多种空间轨道，实现了空间运输系统跨越式发展。但同时在结构效率、自主任务规划、集成化设计方面还略显不足，应对未来重载高效的深空运输服务和星际航行等方面能力还有所欠缺，需要继续提升。

5 我国上面级后续发展的启示

纵观技术发展历程，上面级技术发展存在3条主脉络：

1)从任务特点上看，上面级逐步向通用化、模块化、智能化以及可留轨应用的多任务空间平台方向发展；

2)从在轨时间上看，在轨时间越来越长，从目前的数小时及数天，未来将逐步突破数十天、半年以上在轨；

3)从动力系统来看，从早期的固体动力到可贮存液体动力，后续将进一步发展氢氧、液氧煤油等高能动力，远期则向电推进、核推进等先进动力方向发展。

结合发展趋势和未来市场需求，我国上面级后续可向以下几方面发展:

(1)发展智能化、通用化上面级，满足未来航天运输超高密度、多样化市场需求

未来卫星市场将呈现“单星越来越重”和“小星越来越多”两个变化趋势，卫星直接入轨、轨道部署和各种空间任务需求旺盛，对上面级与不同运载火箭组合的通用化提出了快速响应的发射要求；复杂多样的任务需求对上面级智能化和故障适应性提出了较高的要求。针对异常飞行情况，上面级通过在轨故障检测、智能处理、轨道重构进行飞行任务自主调整，增强故障适应性，提高任务可靠性。在远征系列上面级已有技术基础上，进一步推进产品化研制模式，解决通用接口设计、小型集成化智能化电气系统设计、轻质高效结构设计等关键技术，发展智能化、通用化上面级以满足未来市场需求。

(2)加速发展低温上面级，构建能力覆盖全面、组合灵活多样的上面级型谱

低温上面级以其高比冲、高C3性能受到各航天大国的青睐，未来深空探测、星际航行等航天任务需要高能动力、在轨时间长的上面级。在通用化、模块化的前提下，建议与我国运载火箭同步开展型谱规划，完善常温上面级型谱，加速研制低温上面级、先进动力上面级，实现种类多样、高/中/低档搭配，达到能力覆盖全面、发射经济效益最大化。

(3)与商业航天结合，拓展发展留轨再利用的多功能空间试验平台

开发再利用上面级留轨资源，对空间进入能力的再开发、空间资源的再利用，是未来空间技术验证、空间货运的新途径，此种方式具有不新增航天发射、不产生太空垃圾、不额外占据轨位资源等优势，也是吸引商业航天的最佳切入点。建议对留轨上面级开发再利用、变废为宝，以元器件在轨试验搭载、载荷空间技术验证、空间摆渡运输等应用为拓展途径，发展多功能空间试验平台。