今年是中國(guó)航天發(fā)射的又一個(gè)密集年，計(jì)劃完成20次宇航發(fā)射，將超過(guò)40個(gè)航天器送入太空。

據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》報(bào)道，今天（3月30日），新一代上面級(jí)遠(yuǎn)征一號(hào)即將以“太空擺渡車”的使命迎來(lái)首次太空之旅。“上面級(jí)”是什么？“遠(yuǎn)征一號(hào)”未來(lái)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(guó)航天哪些深刻的變化呢？或許可以從遠(yuǎn)征一號(hào)這個(gè)名稱中看到一些端倪。

遠(yuǎn)征一號(hào)（科學(xué)報(bào)圖片）

遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)是什么？

所謂上面級(jí)就是運(yùn)載火箭最上面的一級(jí)或多級(jí)，其以下的幾級(jí)火箭被稱為基礎(chǔ)級(jí)。上面級(jí)有自主軌道機(jī)動(dòng)能力，在軌飛行時(shí)間長(zhǎng)，一般可多次啟動(dòng)點(diǎn)火，滿足不同發(fā)射任務(wù)需求，能將一個(gè)或多個(gè)有效載荷(如衛(wèi)星、空間探測(cè)器等)送入預(yù)定軌道，就如同機(jī)場(chǎng)的擺渡車。使用上面級(jí)可以大大減少有效載荷自身的燃料消耗，從而大大延長(zhǎng)工作壽命。

據(jù)長(zhǎng)征-3A系列運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師姜杰在兩會(huì)期間接受專訪時(shí)透露，長(zhǎng)征-3C/遠(yuǎn)征-1是在原本3級(jí)的長(zhǎng)征-3C火箭上面增加一級(jí)，從而變成4級(jí)火箭。4級(jí)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(jí)火箭只能將衛(wèi)星送至轉(zhuǎn)移軌道，即3級(jí)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(shí)，長(zhǎng)征三號(hào)火箭在一、二級(jí)分離后，第三級(jí)與衛(wèi)星一起先進(jìn)入一個(gè)近地圓軌道（又稱為停泊軌道）；然后第三級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，第三級(jí)與衛(wèi)星在停泊軌道上繞地球運(yùn)行；在運(yùn)行到適合的位置后，第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)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(jí)與衛(wèi)星分離，衛(wèi)星獨(dú)自在GTO軌道上運(yùn)行；最后衛(wèi)星在GTO軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)打開(kāi)自身的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，變軌進(jìn)入GEO軌道的預(yù)定位置，這時(shí)整個(gè)發(fā)射才算完成。

而改進(jìn)后的4級(jí)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(jí)火箭的飛行只需要半小時(shí)左右，而4級(jí)火箭則需要飛行4~6小時(shí)，能飛到幾萬(wàn)公里的外太空。"上面級(jí)"這個(gè)概念主要要求火箭最頂部一級(jí)動(dòng)力具有多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)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(dòng)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(dòng)，不需要大推力動(dòng)力系統(tǒng)；而作為“擺渡車”的上面級(jí)，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(jì)上追求最優(yōu)解。

遠(yuǎn)征一號(hào)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(guó)液氫存儲(chǔ)技術(shù)尚不夠完善，液氫蒸發(fā)速度過(guò)快，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在太空長(zhǎng)時(shí)間在軌待機(jī)。所以研制遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)來(lái)應(yīng)急。如果長(zhǎng)征三號(hào)第三級(jí)液氫存儲(chǔ)技術(shù)有改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)6.5個(gè)小時(shí)在軌待機(jī)，遠(yuǎn)征一號(hào)實(shí)際上沒(méi)有存在必要。這個(gè)所謂“太空擺渡車”的出現(xiàn)，反映的是我國(guó)運(yùn)載火箭液氫存儲(chǔ)技術(shù)的落后。在遠(yuǎn)征一號(hào)、遠(yuǎn)征二號(hào)之后，我國(guó)也會(huì)研制能長(zhǎng)時(shí)間在軌待機(jī)的氫氧上面級(jí)。根據(jù)初步設(shè)想，我國(guó)未來(lái)的氫氧低溫上面級(jí)在軌時(shí)間不少于5天，可用于未來(lái)載人登月任務(wù)。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，中國(guó)航天還需努力。

采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的美國(guó)半人馬座（Centaur）上面級(jí)最大飛行時(shí)間超過(guò)6個(gè)小時(shí)，可以堅(jiān)持到直接將衛(wèi)星送入地球同步軌道。這得益于美國(guó)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)積累的液氧存儲(chǔ)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(hào)將為誰(shuí)“擺渡”？

對(duì)于30日遠(yuǎn)征一號(hào)將要擺渡的首個(gè)“客人”是誰(shuí)，中國(guó)航天業(yè)界并不愿過(guò)多評(píng)論。不過(guò)國(guó)內(nèi)媒體此前曾公開(kāi)報(bào)道稱，2015年我國(guó)計(jì)劃發(fā)射4顆“北斗”全球?qū)Ш皆囼?yàn)衛(wèi)星，對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的新技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

據(jù)中國(guó)運(yùn)載火箭研究院黨委書(shū)記梁小虹在兩會(huì)期間介紹，新研制的遠(yuǎn)征-1上面級(jí)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)載火箭或重復(fù)使用運(yùn)載工具上面增加的相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)或多級(jí)，可依靠自身動(dòng)力攜帶航天器繼續(xù)飛行。二是可多次啟動(dòng)。運(yùn)載火箭將其送入太空后，上面級(jí)能多次點(diǎn)火啟動(dòng)，滿足不同發(fā)射任務(wù)的需求。三是工作時(shí)間長(zhǎng)。上面級(jí)長(zhǎng)于運(yùn)載火箭的工作時(shí)間，可以達(dá)到數(shù)小時(shí)、數(shù)天乃至數(shù)十天。遠(yuǎn)征-1上面級(jí)首次采用了液體推進(jìn)劑，在軌工作時(shí)間為6.5小時(shí)。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空，上面級(jí)接力火箭繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)，可通過(guò)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)。

由于上面級(jí)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，美俄等國(guó)很早就在研制并使用。美國(guó)目前總共研制出10多種上面級(jí)，用于發(fā)射大、中、小型有效載荷。如“阿金納”、變軌級(jí)、有效載荷助推艙/Star-48B、惰性上面級(jí)、“半人馬座”上面級(jí)等。

蘇聯(lián)/俄羅斯也先后打造了各種上面級(jí)。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(jí)。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(jí)EPS以及低溫上面級(jí)ESC-A和ESC-B。這些航天大國(guó)，不僅用裝有上面級(jí)的運(yùn)載火箭把衛(wèi)星直接送入軌道，美國(guó)還曾用航天飛機(jī)發(fā)射衛(wèi)星和空間探測(cè)器，它是靠裝在貨艙內(nèi)的有效載荷助推艙/Star-48B上面級(jí)來(lái)發(fā)射。目前，為了降低衛(wèi)星成本，美國(guó)GPS-2F導(dǎo)航衛(wèi)星不用遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)入軌，而用裝有上面級(jí)的“宇宙神-5”或“德?tīng)査?4”火箭直接送入工作軌道。

上面級(jí)也常用于“一箭多星”發(fā)射，以有效降低發(fā)射成本。美國(guó)的“半人馬座”、俄羅斯的微風(fēng)-M、歐洲的EPS等著名上面級(jí)，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)，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(shí)間)，裝有“弗雷蓋特”上面級(jí)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(gè)軌道面。美國(guó)甚至還用上面級(jí)完成某些特殊任務(wù)，比如用“半人馬座”上面級(jí)先將美國(guó)“月球隕坑觀測(cè)與感知衛(wèi)星”送至月球軌道，然后用“半人馬座”上面級(jí)對(duì)月球進(jìn)行撞擊。

太空垃圾回收車

“太空擺渡車”另外一個(gè)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(duì)回收者造成實(shí)質(zhì)性威脅?！避娛略u(píng)論員宋忠平認(rèn)為，未來(lái)“太空擺渡車”或能夠同時(shí)具有機(jī)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(dòng)作比作“卸車”，那么從特定軌道回收太空垃圾的動(dòng)作就是“裝車”。“擺渡車”上如果有“機(jī)械臂”的話，那么這兩個(gè)動(dòng)作都將變得相對(duì)輕松和靈活。而且，太空垃圾多為報(bào)廢衛(wèi)星，如果抓回來(lái)之后還能軟著路，對(duì)報(bào)廢衛(wèi)星進(jìn)行回收，還具有一定的研究?jī)r(jià)值。

“美國(guó)已經(jīng)在這條路上走在了前列?！彼沃移秸J(rèn)為，利用太空飛船或“太空擺渡車”來(lái)釋放、收回衛(wèi)星更為靈活，應(yīng)用更為廣泛，驗(yàn)證和發(fā)展機(jī)械臂技術(shù)是未來(lái)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?！彼沃移礁嬖V記者，飛船與國(guó)際空間站的兩種對(duì)接方式，其中一種就類似機(jī)械臂的抓取，“太空機(jī)械臂在未來(lái)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(hào)不只是一個(gè)任務(wù)型號(hào)，而是系列編號(hào)

據(jù)了解，從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，中國(guó)先后研制出多型固體推進(jìn)劑上面級(jí)，并進(jìn)行了多次飛行，全部取得圓滿成功。但此前的上面級(jí)均為滿足某種單一任務(wù)而研制，只具有一次啟動(dòng)能力，工作時(shí)間較短，對(duì)于更多發(fā)射任務(wù)適應(yīng)性較弱。遠(yuǎn)征一號(hào)作為一種液體推進(jìn)劑上面級(jí)，有望成為中國(guó)航天領(lǐng)域真正意義上的“太空擺渡車”。

梁小虹表示，為加強(qiáng)中國(guó)航天在深空探測(cè)、空間試驗(yàn)等空間領(lǐng)域的探索和服務(wù)能力，中國(guó)運(yùn)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(hào)的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建多種類、多用途的上面級(jí)產(chǎn)品。

（綜合環(huán)球時(shí)報(bào)、騰訊軍事、中國(guó)科學(xué)報(bào)報(bào)道）