形形色色的火箭上面级

2023-03-14迟惑

太空探索 2023年3期

文/迟惑

2023年1月9日，维珍轨道公司“运载器一号”首次在英国本土起飞发射，在飞行过程中火箭上面级出现异常，未能顺利入轨。

火箭上面级，是我们经常听说的一种设备。上面级的主要工作位置在冯卡门线以上的宇宙空间里，但它的任务并不是空间应用，而是把人造卫星或者其他航天器送到预定的工作轨道去。所以，虽然很多上面级看起来不像火箭级段，这类产品却依然是由火箭制造单位来研制和使用的。

火箭上面级听起来是一大类型号，但它们的长相各式各样。有的看起来像运载火箭的级段，有的看起来就是一个带着喷管的圆饼。有的能赶上好几层楼高，有的却和人体差不多大小。它的特点到底是什么呢？

▲ 半人马座上面级看起来和火箭级段还是比较像的，图为半人马座上面级准备执行陆地卫星九号任务

▲ 电子号火箭的上面级与火箭二级分离

▲ 俄罗斯展出的弗雷盖特上面级和火星探测器组合模型

用途

上面级的用途主要是提高基础级运载器，也就是运载火箭的性能和任务适应能力。与传统发射模式相比，采用基础级火箭+上面级的组合发射方式，先把上面级和卫星一起送到低轨道，然后火箭分离，由上面级把卫星送到中、高轨工作轨道，或者其他轨道，简化了运载火箭的飞行过程，减轻了地面测控压力。

在星际探测活动中，也需要用上面级来实现探测器或者飞船，从绕地轨道向星际轨道转移。在阿波罗计划期间，登月组合体就是用大型上面级送入奔月轨道的。

使用上面级，还能充分利用运载火箭的能力，在主卫星之外搭载一些副载荷、小卫星。这对于大、中型运载火箭尤其重要。采用上面级之后，可以更容易地实现一箭多星发射，有效提高发射效率，减少发射次数。这在发射活动日益频繁、发射场高强度运转的今天，有很大价值。上面级本身还能搭载一些空间技术试验设备，充分发挥价值。

动力

上面级基本上是一枚完整的航天运载器，包括了完整的动力、制导导航控制、热控制、测控和结构等系统。与运载火箭不同的是，上面级的主要飞行环境，是地球高层大气和宇宙空间，外界基本没有大气压，但是有着比较恶劣的辐射环境。这样的环境决定了上面级的各分系统与运载火箭的设计特点有所不同。

上面级的发动机可以采用具有最佳真空膨胀比的低压燃烧室和喷管。上面级一般用来完成轨道进入任务，比如地球转移轨道和行星际转移轨道，所以它们的工作时间有的只有几个小时，有的则要好几天。还有些上面级要长时间与卫星连接在一起，为它们提供全寿命的变轨机动，可能要飞行几个月。

这就决定了推进系统的燃料选择，短时间工作的上面级可以采用低温燃料和固体燃料。如半人马座用了液氢膨胀机循环发动机，阿里安5 ECA的HM7B上面级使用气体发生器驱动的涡轮泵。固体燃料的上面级发动机结构最简单，比如中国研制的EPKM上面级和CZ-2C/FP上面级。

▲ 泰坦-半人马座组合曾经大量发射

长时间工作的上面级发动机采用自燃推进剂，比如经典的阿金纳，以及德尔它-K或阿里安5 ES第二级，都采用了偏二甲肼和硝酸的组合，直接用高压气体供给燃料就可以满足发动机燃烧的要求，不需要涡轮泵。这也决定了燃料供给系统的设计思路有很大差异。

除了固体推进剂的上面级，其他都要考虑在轨关机和重新启动。这就带来了长时间在轨的推进剂管理问题和燃料输送问题，还需要解决如何抑制气体夹杂到推进剂里的难题。另外，在宇宙空间里，温度环境要比大气层里更加恶劣，要考虑到深冷低温的空间背景、太阳辐照、地球红外辐射、地球反照等因素。发动机工作时的自身羽流、热辐射，关机后的热反浸，都会对发动机本身以及燃料供给系统产生复杂影响，所以发动机主要部件对温度控制均有严格要求。

▲ 在博物馆中展出的阿金纳B上面级

控制

上面级的姿态控制包括姿态稳定和姿态机动两个方面。前者是保持已有姿态的过程，后者是重定向过程。少数上面级采用自旋稳定的控制方案，但如今多数都采用三轴稳定。按照国内学者的研究，上面级的姿态控制在设计上要考虑以下四个因素。首先是最小推进剂消耗和最短时间控制的平衡，选择最佳方案。其次是姿态控制推力器的布局和优化，不能太多也不能太少，既要保证精确控制，又要简化结构。第三是自修复技术，如果某个推力器或者某个部分出现故障，要通过其他推力器的协同，继续完成飞行任务。第四种因素是和多星入轨相关的，某些卫星分离后，上面级和其余卫星的质量分布特性就发生了变化，必须重新建立姿态控制模式。这在小卫星大行其道的今天，显得尤其重要。

上面级一般不需要考虑气动外形的问题，所以，包括俄罗斯弗雷盖特和中国远征系列上面级，都没有整流罩。但是，一些大型上面级需要安装在运载火箭顶部，暴露外壳，穿过整个大气层，因此也采用了较长的圆柱形外表面，看起来和火箭级段相同。

迄今为止，人类研制了20多种上面级，正在使用的不超过10种。随着一箭多星发射模式的常态化，特别是随着星座建设规模越来越大、种类越来越多，上面级将在今后的航天发射活动中发挥更大的作用。

今天的火箭上面级，承担着多星、异轨的空间运输任务。展望未来，上面级可能演变成另外一种新概念航天器，那就是空间拖船。

目前，中国已经充分掌握了上面级的研制技术，并且进行了成功的飞行。随着星际探索、载人航天和商业航天的进一步发展，上面级可能向大小两个方向发展，大型上面级用于星际探测器和大型载人航天设施的入轨，小型上面级用于小卫星入轨和星座部署。它将成为商业空间飞行的主力运载器之一。