形形色色的火箭上面級

文/遲惑

2023年1月9日，維珍軌道公司“運載器一號”首次在英國本土起飛發射，在飛行過程中火箭上面級出現異常，未能順利入軌。

火箭上面級，是我們經常聽說的一種設備。上面級的主要工作位置在馮卡門線以上的宇宙空間里，但它的任務并不是空間應用，而是把人造衛星或者其他航天器送到預定的工作軌道去。所以，雖然很多上面級看起來不像火箭級段，這類產品卻依然是由火箭制造單位來研制和使用的。

火箭上面級聽起來是一大類型號，但它們的長相各式各樣。有的看起來像運載火箭的級段，有的看起來就是一個帶著噴管的圓餅。有的能趕上好幾層樓高，有的卻和人體差不多大小。它的特點到底是什么呢？

▲ 半人馬座上面級看起來和火箭級段還是比較像的，圖為半人馬座上面級準備執行陸地衛星九號任務

▲ 電子號火箭的上面級與火箭二級分離

▲ 俄羅斯展出的弗雷蓋特上面級和火星探測器組合模型

用途

上面級的用途主要是提高基礎級運載器，也就是運載火箭的性能和任務適應能力。與傳統發射模式相比，采用基礎級火箭+上面級的組合發射方式，先把上面級和衛星一起送到低軌道，然后火箭分離，由上面級把衛星送到中、高軌工作軌道，或者其他軌道，簡化了運載火箭的飛行過程，減輕了地面測控壓力。

在星際探測活動中，也需要用上面級來實現探測器或者飛船，從繞地軌道向星際軌道轉移。在阿波羅計劃期間，登月組合體就是用大型上面級送入奔月軌道的。

使用上面級，還能充分利用運載火箭的能力，在主衛星之外搭載一些副載荷、小衛星。這對于大、中型運載火箭尤其重要。采用上面級之后，可以更容易地實現一箭多星發射，有效提高發射效率，減少發射次數。這在發射活動日益頻繁、發射場高強度運轉的今天，有很大價值。上面級本身還能搭載一些空間技術試驗設備，充分發揮價值。

動力

上面級基本上是一枚完整的航天運載器，包括了完整的動力、制導導航控制、熱控制、測控和結構等系統。與運載火箭不同的是，上面級的主要飛行環境，是地球高層大氣和宇宙空間，外界基本沒有大氣壓，但是有著比較惡劣的輻射環境。這樣的環境決定了上面級的各分系統與運載火箭的設計特點有所不同。

上面級的發動機可以采用具有最佳真空膨脹比的低壓燃燒室和噴管。上面級一般用來完成軌道進入任務，比如地球轉移軌道和行星際轉移軌道，所以它們的工作時間有的只有幾個小時，有的則要好幾天。還有些上面級要長時間與衛星連接在一起，為它們提供全壽命的變軌機動，可能要飛行幾個月。

這就決定了推進系統的燃料選擇，短時間工作的上面級可以采用低溫燃料和固體燃料。如半人馬座用了液氫膨脹機循環發動機，阿里安5 ECA的HM7B上面級使用氣體發生器驅動的渦輪泵。固體燃料的上面級發動機結構最簡單，比如中國研制的EPKM上面級和CZ-2C/FP上面級。

▲ 泰坦-半人馬座組合曾經大量發射

長時間工作的上面級發動機采用自燃推進劑，比如經典的阿金納，以及德爾它-K或阿里安5 ES第二級，都采用了偏二甲肼和硝酸的組合，直接用高壓氣體供給燃料就可以滿足發動機燃燒的要求，不需要渦輪泵。這也決定了燃料供給系統的設計思路有很大差異。

除了固體推進劑的上面級，其他都要考慮在軌關機和重新啟動。這就帶來了長時間在軌的推進劑管理問題和燃料輸送問題，還需要解決如何抑制氣體夾雜到推進劑里的難題。另外，在宇宙空間里，溫度環境要比大氣層里更加惡劣，要考慮到深冷低溫的空間背景、太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照等因素。發動機工作時的自身羽流、熱輻射，關機后的熱反浸，都會對發動機本身以及燃料供給系統產生復雜影響，所以發動機主要部件對溫度控制均有嚴格要求。

▲ 在博物館中展出的阿金納B上面級

控制

上面級的姿態控制包括姿態穩定和姿態機動兩個方面。前者是保持已有姿態的過程，后者是重定向過程。少數上面級采用自旋穩定的控制方案，但如今多數都采用三軸穩定。按照國內學者的研究，上面級的姿態控制在設計上要考慮以下四個因素。首先是最小推進劑消耗和最短時間控制的平衡，選擇最佳方案。其次是姿態控制推力器的布局和優化，不能太多也不能太少，既要保證精確控制，又要簡化結構。第三是自修復技術，如果某個推力器或者某個部分出現故障，要通過其他推力器的協同，繼續完成飛行任務。第四種因素是和多星入軌相關的，某些衛星分離后，上面級和其余衛星的質量分布特性就發生了變化，必須重新建立姿態控制模式。這在小衛星大行其道的今天，顯得尤其重要。

上面級一般不需要考慮氣動外形的問題，所以，包括俄羅斯弗雷蓋特和中國遠征系列上面級，都沒有整流罩。但是，一些大型上面級需要安裝在運載火箭頂部，暴露外殼，穿過整個大氣層，因此也采用了較長的圓柱形外表面，看起來和火箭級段相同。

迄今為止，人類研制了20多種上面級，正在使用的不超過10種。隨著一箭多星發射模式的常態化，特別是隨著星座建設規模越來越大、種類越來越多，上面級將在今后的航天發射活動中發揮更大的作用。

今天的火箭上面級，承擔著多星、異軌的空間運輸任務。展望未來，上面級可能演變成另外一種新概念航天器，那就是空間拖船。

目前，中國已經充分掌握了上面級的研制技術，并且進行了成功的飛行。隨著星際探索、載人航天和商業航天的進一步發展，上面級可能向大小兩個方向發展，大型上面級用于星際探測器和大型載人航天設施的入軌，小型上面級用于小衛星入軌和星座部署。它將成為商業空間飛行的主力運載器之一。

▲ 弗雷蓋特上面級發射一網衛星

▲聯合發射聯盟公司為SLS火箭研制的上面級