長征- 3 C / 遠(yuǎn)征- 1 火箭首射成功首顆新一代“北斗”衛(wèi)星進(jìn)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(yuǎn)征-1運(yùn)載火箭成功發(fā)射了首顆“北斗”全球?qū)Ш皆囼?yàn)衛(wèi)星，它標(biāo)志著我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的啟動實(shí)施。在此次發(fā)射中，首次使用了被稱為“太空擺渡車”的遠(yuǎn)征-1上面級，它由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制，可在太空將一個(gè)或多個(gè)航天器直接送入不同的軌道，從而提高火箭的適應(yīng)性和競爭力，也使長征-3A系列火箭正式邁入“3.0時(shí)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(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道或地球軌道后，能夠進(jìn)一步將有效載荷從準(zhǔn)地球軌道或地球軌道送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置的具有自主獨(dú)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(jìn)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(wù)，軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理等軌道服務(wù)中，以及新材料、新技術(shù)驗(yàn)證等空間試驗(yàn)領(lǐng)域等都發(fā)揮重要作用。

這種獨(dú)立的飛行器位于運(yùn)載火箭最上面，作用介于運(yùn)載火箭和航天器之間，具有自主軌道機(jī)動能力，在軌飛行時(shí)間長，一般可多次啟動點(diǎn)火，滿足不同的發(fā)射任務(wù)需求。之所以稱上面級為“太空擺渡車”，是因?yàn)橛眠\(yùn)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(dá)最終運(yùn)行軌道,需通過上面級再次或多次點(diǎn)火加力才行。所以，它很像機(jī)場的擺渡車。

相對于航天器而言，上面級成本較低，軌道機(jī)動能力強(qiáng)，可作為空間技術(shù)試驗(yàn)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(yīng)用任務(wù)。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(jìn)入太空，降低任務(wù)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(shí)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(yùn)送，并成為在軌機(jī)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(shí)，先把衛(wèi)星用運(yùn)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(diǎn)在預(yù)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(fèi)較長時(shí)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(jì)80年代末開始，我國研制了多種型號的固體推進(jìn)劑上面級，并進(jìn)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(wù)而研制，且只具有一次啟動能力，工作時(shí)間較短，所以對于更多的發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性較弱，即應(yīng)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(gè)具有多星發(fā)射能力的固體推進(jìn)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(gè)新研制的固體推進(jìn)劑上面級。

這次使用的長征-3 C/遠(yuǎn)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(yīng)采用上面級而改進(jìn)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(dǎo)航衛(wèi)星而專門研制的采用常規(guī)推進(jìn)劑的軌道運(yùn)載器。

2　遠(yuǎn)征-1　四大特點(diǎn)

遠(yuǎn)征-1是我國新研制的第一種液體推進(jìn)劑上面級。它繼承了近些年來我國航天領(lǐng)域的一些先進(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。其功能相對獨(dú)立、可多次啟動而且工作時(shí)間達(dá)到數(shù)小時(shí)。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(yù)定計(jì)劃繼續(xù)飛向深空，直到把衛(wèi)星送到預(yù)定軌道再與衛(wèi)星分開。

由于上面級構(gòu)造復(fù)雜、空中點(diǎn)火次數(shù)多、工作時(shí)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(yàn)攻關(guān)，對飛行產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了全面考核驗(yàn)證。

在外形上，遠(yuǎn)征-1采取了高可靠的輕質(zhì)緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了運(yùn)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(fù)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(jì)需要單獨(dú)考慮。

遠(yuǎn)征-1內(nèi)部設(shè)計(jì)突破了一系列先進(jìn)技術(shù)：長時(shí)間高軌道自主導(dǎo)航、制導(dǎo)控制技術(shù)，高性能發(fā)動機(jī)技術(shù)，空間粒子防護(hù)技術(shù)，推進(jìn)劑管理技術(shù)，高速率遠(yuǎn)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(jì)之初，我國火箭專家就考慮了遠(yuǎn)征-1的通用化和系列化，使它具備在未來拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。因此，通過將遠(yuǎn)征-1或其改型上面級與我國“長征”系列運(yùn)載火箭靈活組合，能最大程度地發(fā)揮基礎(chǔ)級火箭的運(yùn)載能力。我國將按照系列化發(fā)展的思路，在遠(yuǎn)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(yùn)載火箭研究院黨委書記梁小虹介紹，遠(yuǎn)征-1上面級有四大特點(diǎn)：一是兼具運(yùn)載器與航天器的技術(shù)特性。它是在運(yùn)載火箭或可重復(fù)使用運(yùn)載工具的上面增加的相對獨(dú)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(yùn)載火箭將其送入太空后，上面級能多次點(diǎn)火啟動，滿足不同發(fā)射任務(wù)的需求。三是工作時(shí)間長。配備長壽命電池的遠(yuǎn)征-1上面級首次采用了液體推進(jìn)劑，在軌工作時(shí)間達(dá)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(wù)，可通過飛行軌道的變化，將攜帶的一個(gè)或多個(gè)航天器直接送到工作地點(diǎn)。

據(jù)長征-3A系列運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師姜杰透露，長征-3C/遠(yuǎn)征-1是在3級火箭長征-3C上面增加一級了獨(dú)立飛行器，即遠(yuǎn)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(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級火箭的飛行時(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)征-1上面級初戰(zhàn)告捷。以后還將用長征-3B/遠(yuǎn)征-1火箭實(shí)現(xiàn)“一箭雙星”直接發(fā)射入軌，這樣可進(jìn)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(yuǎn)征-1長57.126m，在長征-3 A“家族”中個(gè)頭最大。其“頭部”被4.2m大直徑的整流罩保護(hù)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(gè)兒。這是由于此前的衛(wèi)星必須攜帶變軌時(shí)所需要的發(fā)動機(jī)、推進(jìn)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(shí)間，在地面上做過了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，其中累計(jì)的各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)到幾千項(xiàng)。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(shí)現(xiàn)及時(shí)變軌，確保衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌。研制團(tuán)隊(duì)從總體設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，對每個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)都重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)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(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)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(shí)間長，能在太空中多次點(diǎn)火啟動，可把多個(gè)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(fù)雜性，可滿足不同發(fā)射任務(wù)的需求等諸多優(yōu)點(diǎn)，大大提高了火箭發(fā)射任務(wù)的靈活性，所以受到了國外航天強(qiáng)國的普遍重視。美蘇早在20世紀(jì)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(yīng)性好的上面級，具有較強(qiáng)的市場競爭力。

至今，上面級主要有固體推進(jìn)劑上面級、液體推進(jìn)劑上面級兩種。其中固體推進(jìn)劑上面級的優(yōu)點(diǎn)簡單，但任務(wù)適應(yīng)能力較差，因?yàn)樗屏π?、多次啟動難，只適用于一種或一類的發(fā)射任務(wù)，早期多采用這種。與之相比，液體推進(jìn)劑上面級性能高，推力大，可多次點(diǎn)火，任務(wù)適應(yīng)能力較強(qiáng)，所以目前主要采用液體推進(jìn)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(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(diǎn)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(jī)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(dǎo)航衛(wèi)星不用遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)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(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(qiáng)等特點(diǎn)，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(shí)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(dǎo)航衛(wèi)星，把它們分別送到兩個(gè)軌道面。

也可用上面級完成某些特殊任務(wù)。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(jìn)行撞擊式探測。

不過，由于上面級構(gòu)造復(fù)雜、空中點(diǎn)火次數(shù)多，工作時(shí)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(fēng)-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(fēng)-M上面級。微風(fēng)-M上面級由1臺泵壓式擺動主發(fā)動機(jī)、4臺游機(jī)和12個(gè)姿控發(fā)動機(jī)組成，推進(jìn)劑采用四氧化二氮/偏二甲肼，真空推力19.62kN，工作時(shí)間3000s，飛行中重復(fù)點(diǎn)火次數(shù)達(dá)8次，在太空飛行不少于24h，可幫助衛(wèi)星進(jìn)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(fēng)-M在發(fā)射時(shí)多次因微風(fēng)-M上面級出現(xiàn)故障而導(dǎo)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(shí)，也因“弗雷蓋特”上面級出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致衛(wèi)星未能進(jìn)入目標(biāo)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(jì)提高上面級的通用性和適應(yīng)性。目前，低溫推進(jìn)劑上面級和電推進(jìn)系統(tǒng)以其高性能的優(yōu)勢正成為各國發(fā)展的重點(diǎn)。歐美等國家還在研究可重復(fù)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(dǎo)航衛(wèi)星，由中國科學(xué)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(yùn)行在傾斜地球同步軌道。該衛(wèi)星將開展新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，以及衛(wèi)星的自主導(dǎo)航，有助于提高測定軌道和授時(shí)精度。采用該技術(shù)可減少地面測控站對導(dǎo)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(yùn)行管理成本。

這顆衛(wèi)星是首顆采用中國科學(xué)院導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺的衛(wèi)星，特點(diǎn)在于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)師林寶軍透露，整顆衛(wèi)星采用了一體化的設(shè)計(jì)方法，用功能鏈的設(shè)計(jì)理念取代以往的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，將整星分為有效載荷、結(jié)構(gòu)熱、電子學(xué)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(biāo)時(shí)，林寶軍總設(shè)計(jì)師說，一方面要提高衛(wèi)星的穩(wěn)定性，“比如設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10年以上，同時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊長風(fēng)說，將于2020年建成的“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從性能指標(biāo)上要比目前在軌運(yùn)行的“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提高1～2倍，定位精度最高水平可能將達(dá)到2～3m，衛(wèi)星的壽命也將由8年延長到10～12年。它將推進(jìn)國際合作，為“一帶一路”建設(shè)提供支撐。因?yàn)榛A(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(shí)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(dǎo)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(jìn)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(wù)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(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的方案設(shè)計(jì)，在當(dāng)?shù)赝茝V普及“北斗”產(chǎn)品、建設(shè)地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

中國衛(wèi)星導(dǎo)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(rèn)可的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它也是世界上第三個(gè)被國際海事組織所認(rèn)可的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?！氨倍贰睉?yīng)用在2014年取得了比較大的突破,芯片的銷售量突破了500萬片。“北斗”終端導(dǎo)航儀已經(jīng)大規(guī)模上市，國內(nèi)有幾款手機(jī)導(dǎo)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(dǎo)航衛(wèi)星，構(gòu)成一個(gè)完整的試驗(yàn)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(dǎo)航衛(wèi)星將進(jìn)入密集發(fā)射期。

宗河/文