衛星投送界的快遞
——上面級

文/ 袁東

俄羅斯聯盟號火箭2017年11月28日在東方發射場發射失敗后，有關這次事故的復雜情況陸續浮出水面。種種跡象表明，“弗雷蓋特”上面級在東方發射場“水土不服”，其主飛控計算機的軟件算法缺陷導致發動機點火工作在了錯誤的方向上。星箭俱毀，損失慘重！

那么什么是上面級呢？它和運載火箭是什么關系？

上面級并不是一個新生事物

美國的上面級早在上世紀50年代就研制并發射成功。

1955年，美國空軍研發軌道照相偵察平臺，代號“阿金納（Agena）”。間諜照相機在太空要對準目標，要拍得清晰，要求照相機運載工具具有導航、姿態穩定、變軌的能力，還具備電力供應、通信等一堆相機工作的周邊需求。科學家忙得團團轉，索性另起爐灶，從娘胎里就以一個獨立的航天器來設計，既然它負責的是上了天之后的事情，那么就叫“上面級（UPPER STAGE）”。

▲ 太空探索技術公司二級就是一個典型的上面級，這是為“銥星”定做的分配器

這個阿金納上面級是和火箭的基礎級完全獨立定位和設計，并與火箭第一級分工明確，各司其職，組合搭配，你負責送我一程，我負責入軌和任務。

它是世界上第一種具有三軸穩定和具備多次啟動能力并能在軌進行機動的上面級。“阿金納”三軸穩定系統有三個陀螺儀、兩個地平線傳感器，并使用氮氣進行姿態修正。這使得“阿金納”能夠具備軌道飛行穩定性，滿足地面分辨率成像的需要，滿足美國科羅納間諜相機精確指向要求。

“阿金納”能夠和“雷神”、“宇宙神”和“大力神”多種火箭基礎級配合，將各種軍事和民用有效載荷發射到軌道上。

▲ 太空探索技術公司在2017年以一箭10星方式發射“銥星”

入軌后應用為王的概念

“阿金納”，原本是作為照相機載具的運載器和航天器的混搭設計，但練就的三軸穩定、供電配套、天地通信、數據處理等功夫，多才多藝，使它獲得了旺盛的生命力！美國共制造了阿金納上面級380個，一直延續使用至1987年退役。

齊奧爾科夫斯基開創的多級火箭的概念，更多的是從結構上定義，而前述阿金納種種為了間諜照相任務的設計，指明了上面級更多的是從具體任務能力出發的分類，和基礎級做了區分。

美國的軍用標準MIL-STD-1540是具有國際影響的用于航天器試驗和驗證的標準，對于各國在航天發展中是一個重要的參考標準，準確定義上面級為：在基礎級運載器發射進入準地球軌道基礎之上，能夠進一步將一個或者多個航天器載荷送入預定軌道。

軌道轉移（多次點火和空間滑行）、調整傾角等軌道機動，讓連續工作的運載火箭來實現確實勉為其難，而“阿金納”這樣的上面級，可控的多次點火和停泊軌道長時間滑行的組合，可以實現靈活的轉移和入軌。上面級具有較強的

公 示

根據新聞出版總署《關于開展新聞記者證核發情況自查工作并重申有關規定的緊急通知》（《2009》299號）、《新聞記者證管理辦法》、《關于2009年換發新聞記者證的通知》、《關于期刊申領新聞記者證的有關通知》、《關于廣播電影電視新聞單位申領新聞記者證的通知》要求，《太空探索》雜志社已對申領記者證人員的資格進行嚴格審核，現將我單位已領取新聞記者證人員名單進行公示，公示期2018年3月7日—3月17日。國家新聞出版廣電總局舉報電話：010-83138953，《太空探索》雜志社聯系電話：010-68767130，68767020

已領取新聞記者證名單：楊建、陳彩連、薛滔、夏丹任務適應性，是提高火箭性能和增強任務適應能力的有效途徑之一。現在的概念，運載器、航天器和上面級三者是并列關系，上面級兼具運載器和航天器二者的屬性。

由于具有上述特點，上面級受到了世界各航天大國的高度重視。美國先后發展了“阿金納”“半人馬座”“慣性上面級”和有效載荷輔助艙等上面級，俄羅斯成功研制了“質子號D級”“微風”“弗里蓋特”等上面級，歐空局則為阿里安5運載火箭研制了“EPS”“ESC—A/B”上面級。我國也成功發射了“遠征一號甲”和“遠征二號”上面級！

▲ 美國水手2號金星探測器

上面級的“賣點”

上面級具有自主飛行、多次起動、長時間工作等特點，尤其是長時間工作這個要求，通常為幾小時至幾天，這可不是火箭幾十分鐘對于供電、保溫、抗輻射的要求，難度相當大，但是帶來的好處是顯而易見的！

一是送得快——直接入軌。以往運載火箭只能將衛星送至轉移軌道，讓裝滿劇毒推進劑的衛星自駕出行，變軌到目標軌道不僅不經濟也費時。有了上面級，運載火箭將“上面級+衛星”送入轉移軌道后，再由上面級直接將衛星發送到目標軌道，衛星不需要再變軌，這樣衛星就可省下自身攜帶的燃料，用于在軌工作期間的軌道維持，衛星壽命得到延長。另外美國后面那些大情報收集衛星，天線大，經不起遠地點發動機反復點火折騰，就靠上面級3次點火直送入地球同步軌道。

二是送得多——一箭多星。上面級具有多次變軌、高精度導航等特點，許多一箭多星任務可由上面級完成。目前，通用的一箭多星發射方式有兩種：一種是天女散花、撒土豆，單次多放，即一次將多顆衛星送入一個相同軌道。2017年2月15日凌晨，印度用一枚火箭向太空中發射了104顆衛星，創造了一箭多星的世界新紀錄，采用的就是第一種發射方式，技術相對簡單。另一種是有心插柳，多次單放，即分次分批將多顆衛星送入多個不同軌道，這就要靠上面級的多次變軌能力和分配器的工作可靠性，如歐空局采用一箭多星的發射方式分兩次向兩個軌道面發射伽利略導航衛星。

三是送得遠——星際探測。上面級還可滿足一些特定任務的工作要求，比如要突破第二宇宙速度的行星際探測器加速和特殊軌道送達要求。“阿金納”在羽翼漸豐的時候就被看上用于發射行星探測器。1962年8月27日，美國的水手2號金星探測器通過阿金納上面級送入到金星的軌道，同年12月14日水手2號從距金星34800千米處飛過，是美國第一只成功的星際間探測器，是世界上第一個到達金星附近的星際間探測器，測得金星表面溫度大概在425攝氏度，揭開了人類探測金星的序幕。

另外也要說一下波音公司開發的慣性上面級Inertial Upper Stage (IUS),可以從“大力神4”或者航天飛機上發射，1988年IUS從航天飛機上發射了麥哲倫金星探測器，創下多個第一！IUS在1990年發射了伽利略木星探測器。

四是不怕累——彌補發射場緯度高的短板。對于像俄羅斯北緯46度的拜科努爾發射場，發射地球靜止軌道衛星除了需要強有力的基礎級火箭外，還需要上面級多次點火和變軌。如微風M上面級，可以在太空中多達8次點火、工作24小時，直接把載荷送入到遠地點軌道或地球同步軌道。

微風M/Briz M上面級長得像可樂瓶瓶蓋，最前面是載荷。

上面級最早是用來完成地球低軌道發射任務的。如今, 它的功能已經發展到完成從低軌道到同步轉移軌道、地球同步軌道、太陽同步軌道、深空探測等各種軌道的有效載荷運送,運載火箭的運載能力在很大程度上取決于上面級推進系統。由于上面級技術極大地拓展了已有運載火箭型號的能力范圍，各航天大國都在積極發展上面級技術。★