阿金納：最早的上面級(jí)

文/遲惑

▲ “阿金納”用于驅(qū)動(dòng)載人空間站目標(biāo)飛行器

“阿金納”是最早的火箭上面級(jí)，也是美國(guó)早期軍用衛(wèi)星發(fā)射和在軌運(yùn)行的重要?jiǎng)恿Α！鞍⒔鸺{”的變型非常之多，不做一番百科全書(shū)式的陳述，人們往往是搞不清楚這個(gè)家族成分的。不過(guò)，這也正好讓人們了解，上面級(jí)這種事物是為什么而生。

▲ 早期阿金納上面級(jí)用來(lái)發(fā)射偵察衛(wèi)星

“多面手”的阿金納

阿金納的軍用編號(hào)是RM-81，最初由洛克希德公司為WS-117L偵察衛(wèi)星項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。因?yàn)楫?dāng)年的電子技術(shù)并不發(fā)達(dá)，照相偵察衛(wèi)星還必須攜帶膠卷艙，拍攝完成后送回地球，因此衛(wèi)星本體相當(dāng)龐大沉重，僅僅依靠運(yùn)載火箭的力量無(wú)法把它們送進(jìn)預(yù)定軌道。

在型號(hào)發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)空軍發(fā)現(xiàn)，想把各種偵察用途放在WS-117L一個(gè)項(xiàng)目里是不現(xiàn)實(shí)的。于是WS-117L被拆分為照相偵察的“薩摩斯”和“科羅納”（后來(lái)改名為“發(fā)現(xiàn)者”），以及用于導(dǎo)彈預(yù)警的“米達(dá)斯”。不過(guò)阿金納被保留下來(lái)，承擔(dān)了所有這些衛(wèi)星的上面級(jí)任務(wù)。后來(lái)還用于美國(guó)宇航局的雙子座載人飛船交會(huì)對(duì)接技術(shù)演示，充當(dāng)目標(biāo)飛行器的推進(jìn)艙。阿金納上面級(jí)適配過(guò)宇宙神、雷神和泰坦IIIB火箭，還曾經(jīng)被考慮用于航天飛機(jī)。阿金納各型從1959年2月28日開(kāi)始發(fā)射，一直用到1987年2月，共發(fā)射了365枚。其中只有33枚是為美國(guó)宇航局服務(wù)的，其他服務(wù)于軍用衛(wèi)星。

在有些任務(wù)中，衛(wèi)星直接裝在阿金納的標(biāo)準(zhǔn)艙壁前方，由后者提供電力、通信和三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制。不過(guò)也有的衛(wèi)星在發(fā)射后與阿金納分離，自己承擔(dān)飛行任務(wù)。

隨著時(shí)代發(fā)展，阿金納經(jīng)歷了兩次升級(jí)，用來(lái)支持更重、更復(fù)雜的衛(wèi)星，例如帶有多個(gè)膠卷艙和更大相機(jī)的科羅娜偵察衛(wèi)星。

阿金納這個(gè)名字是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（也就是后來(lái)的DARPA，當(dāng)時(shí)叫做ARPA）確定的。此前，它的名字叫做“半人馬座貝塔星”（Beta Centauri），是夜空中排名第十的亮星。不過(guò)ARPA建議采用這顆恒星的另外一個(gè)名字“阿金納”，因?yàn)樗鼘ⅰ霸谔炜罩悬c(diǎn)燃”，符合洛克希德公司用恒星現(xiàn)象來(lái)命名產(chǎn)品的傳統(tǒng)。

阿金納的特點(diǎn)

阿金納的直徑為1.5米，具備三軸穩(wěn)定能力，這對(duì)圖像偵察來(lái)說(shuō)是極其必要的。阿金納采用貝爾航空系統(tǒng)公司研制的XLR81發(fā)動(dòng)機(jī)，采用人們熟悉的偏二甲肼和硝酸作為推進(jìn)劑。這兩種燃料不但可以在常溫常壓下存儲(chǔ)，而且可以自燃，不需要點(diǎn)火系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。因此，XLR81發(fā)動(dòng)機(jī)可以在地面無(wú)線電指令的控制下，在軌道上多次重啟。

這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)原來(lái)是用在康沃爾B-58超音速轟炸機(jī)上的。這種上世紀(jì)50年代研制的超音速轟炸機(jī)可以攜帶一種MB-1C吊艙，里面裝著核彈頭。但是MB-1C的設(shè)計(jì)不太成功，于是康沃爾公司打算實(shí)施改進(jìn)，在后面裝一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，把它變成一枚核火箭。這個(gè)計(jì)劃當(dāng)然也不可能成功，但是XLR81發(fā)動(dòng)機(jī)卻研制成功了。阿金納A使用的具體型號(hào)是貝爾8048（XLR81-BA-5）發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可在兩分鐘內(nèi)產(chǎn)生69千牛的推力。

XLR81的鋁合金結(jié)構(gòu)比較著名。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉部和噴管采用了所謂的再生冷卻模式，但是因?yàn)楹聿康膾佄锞€形狀，在這里為燃料鉆孔有很大的困難，畢竟鉆頭是直的。于是，貝爾航空系統(tǒng)公司的工程師通過(guò)將冷卻通道布置成“一片式圓形雙曲面”形狀，解決了問(wèn)題。

阿金納偏航方向姿態(tài)測(cè)量由一個(gè)慣性參考系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，里面包括3個(gè)陀螺儀、兩個(gè)水平傳感器和冷卻用的氮-氟利昂混合物微射流器。俯仰和滾動(dòng)姿態(tài)測(cè)量由兩個(gè)密封的積分陀螺單元實(shí)現(xiàn)。速率陀螺單元通過(guò)感測(cè)軌道速率來(lái)確定偏航誤差。俯仰和滾動(dòng)陀螺誤差由地平線傳感器校正，由太陽(yáng)和恒星敏感器提供參考。這使得阿金納具備很高的指向穩(wěn)定性，從而使科羅娜衛(wèi)星的相機(jī)能實(shí)現(xiàn)更好的地面分辨率。

由于阿金納的設(shè)計(jì)目的是在繞地球運(yùn)行時(shí)在太空中保持固定方向，因此設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)熱控制系統(tǒng)。

早期阿金納的主要電力來(lái)源是過(guò)氧化銀鋅電池，從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，阿金納上安裝了太陽(yáng)能電池陣列。測(cè)控通信功能由一個(gè)S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)，它能接收地面命令序列（圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、改變姿態(tài)等），存儲(chǔ)起來(lái)陸續(xù)執(zhí)行。

▲ 貝爾 8048發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 貝爾8048發(fā)動(dòng)機(jī)用于阿金納上面級(jí)

▲ 阿金納上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)與殼體結(jié)合的過(guò)程

型號(hào)家族

阿金納A

阿金納 A是阿金納家族的第一種型號(hào)，配用雷神和宇宙神火箭，主要從范登堡空軍基地75號(hào)工位和阿格洛角1號(hào)發(fā)射工位發(fā)射到極地軌道。另外，還在卡納維拉爾角的14號(hào)發(fā)射場(chǎng)搭配宇宙神火箭發(fā)射了兩次。1959年至1961年間發(fā)射了18枚阿金納A，都是為“發(fā)現(xiàn)者”“米達(dá)斯”和“薩摩斯”偵察衛(wèi)星計(jì)劃服務(wù)的。

▲ “阿金納”在發(fā)射偵察衛(wèi)星時(shí)，也會(huì)搭載一些小衛(wèi)星

阿金納B

1960年，洛克希德公司引進(jìn)了改進(jìn)的阿金納B。它改用貝爾8081發(fā)動(dòng)機(jī)，可產(chǎn)生71千牛的推力。這種上面級(jí)具備了在軌多次點(diǎn)火的能力，所攜帶的燃料也更多一些，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作時(shí)間可以達(dá)到4分鐘。阿金納B服務(wù)于薩摩斯-E、薩摩斯-F和米達(dá)斯預(yù)警衛(wèi)星、游騎兵號(hào)月球探測(cè)器、水手號(hào)行星探測(cè)器。阿金納B的第一次飛行是1960年10月26日“發(fā)現(xiàn)者16號(hào)”的發(fā)射，但沒(méi)有成功。直到1961年7月12日的“米達(dá)斯3”，阿金納B才得到了再次飛行的機(jī)會(huì)。阿金納B的最后一次飛行是1966年6月7日發(fā)射的OGO3衛(wèi)星。總共發(fā)射了75枚。

▲ 阿金納B上面級(jí)

阿金納D

阿金納D是洛克希德公司工程執(zhí)行官勞倫斯·愛(ài)德華茲在1962年提出的。此前的每一枚阿金納都是單獨(dú)定制的。愛(ài)德華茲建議將阿金納的基本配置標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)有效載荷要求，增加附加功能。當(dāng)時(shí)，五角大樓也希望阿金納能與泰坦火箭配套使用。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的另外兩種火箭——雷神和宇宙神——故障率高得不可接受。這促使人們提出用改善運(yùn)載火箭的標(biāo)準(zhǔn)化水平來(lái)提高可靠性。

經(jīng)過(guò)一番研究工作，阿金納D的標(biāo)準(zhǔn)化包括如下內(nèi)容：

阿金納 D的通用配置包括四個(gè)分系統(tǒng)，①主要制導(dǎo)、信標(biāo)、電力和遙測(cè)設(shè)備；②一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有效載荷控制臺(tái)；③位于發(fā)動(dòng)機(jī)上方的后機(jī)架，用于插入式安裝可選設(shè)備，如太陽(yáng)能電池板、搭載小衛(wèi)星；④貝爾航空系統(tǒng)公司的發(fā)動(dòng)機(jī)，可在太空中重啟16次。阿金納D直徑為1.5米，長(zhǎng)度為6.3米，電池容量19500瓦時(shí)。

截至2014年，阿金納D是美國(guó)發(fā)射次數(shù)最多的上面級(jí)，從1963年6月28日首次發(fā)射鎖眼4七號(hào)星開(kāi)始，共發(fā)射了269枚阿金納D。洛克希德公司為此建立了一條專門的生產(chǎn)線，每年生產(chǎn)40枚。愛(ài)德華茲一直負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)達(dá)幾年時(shí)間，直到美國(guó)空軍宣布阿金納D投入使用，技術(shù)狀態(tài)凍結(jié)。到退役時(shí)，阿金納D的可靠性超過(guò)了95%。

雷神-阿金納組合的最后一次飛行是在1972年，當(dāng)時(shí)它發(fā)射了一顆鎖眼4B衛(wèi)星。1978年，阿特拉斯-阿金納D采用翻新的阿特拉斯F火箭，發(fā)射了Seasat衛(wèi)星。

此后，阿金納D還用于發(fā)射鎖眼-7和鎖眼-8偵察衛(wèi)星、3個(gè)水手號(hào)金星探測(cè)器、兩個(gè)水手號(hào)火星探測(cè)器。1987年2月12日，最后一枚阿金納D由泰坦IIIB火箭發(fā)射，把最后一顆SDS-1衛(wèi)星送入軌道。

▲ 早期阿金納上面級(jí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)射一次定制一次

阿金納目標(biāo)飛行器

阿金納目標(biāo)飛行器以阿金納D為基礎(chǔ)，增加了相應(yīng)設(shè)備來(lái)支持雙子座計(jì)劃的交會(huì)對(duì)接活動(dòng)。它配備了一臺(tái)貝爾航空公司的8247型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可在宇宙空間重復(fù)點(diǎn)火15次之多。在實(shí)際任務(wù)中，當(dāng)雙子座飛船與目標(biāo)飛行器對(duì)接后，阿金納的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，把組合體推動(dòng)到更高的軌道，然后再返回。在雙子座11號(hào)任務(wù)中，組合體一度達(dá)到了遠(yuǎn)地點(diǎn)為1375千米的橢圓軌道，創(chuàng)下了載人航天飛行的高度紀(jì)錄，直到阿波羅8號(hào)（首次載人奔月任務(wù)）超過(guò)這個(gè)紀(jì)錄。

20世紀(jì)70年代初，洛克希德公司研究了在航天飛機(jī)貨艙里安裝阿金納，用于有效載荷入軌的可能性。考慮到航天飛機(jī)的貨艙直徑很大，洛克希德公司設(shè)計(jì)了一種直徑增大的阿金納C，但從未建造。此后，還設(shè)計(jì)過(guò)一種全面現(xiàn)代化的阿金納2000，準(zhǔn)備用在輕型版宇宙神5火箭上。隨著這種火箭的下馬，阿金納2000也失去了問(wèn)世的機(jī)會(huì)。