太空里的“擺渡車”

近年來，我國(guó)航天事業(yè)捷報(bào)頻傳，多次成功將各類航天器精準(zhǔn)送入太空預(yù)定軌道。盡管運(yùn)載火箭在這些任務(wù)中扮演了重要角色，但它們并非唯一的功臣。事實(shí)上，還有一些關(guān)鍵航天器也在其中發(fā)揮了不可或缺的作用，比如我們今天要介紹的主角——上面級(jí)。

何為上面級(jí)

提到上面級(jí)，很多人可能感到陌生，不知道它究竟是什么。其實(shí)，從名字上就能看出，上面級(jí)是運(yùn)載火箭最上面的一級(jí)或多級(jí)部分，它的出現(xiàn)與運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力密切相關(guān)。

我們知道，為了提高運(yùn)載能力，運(yùn)載火箭通常以多級(jí)的形式出現(xiàn)。在飛行過程中，前一級(jí)燃料耗盡并脫落之后，后一級(jí)會(huì)立即投入工作中，通過這種接力的方式，確保火箭能夠持續(xù)保持高速飛行。然而，由于受到點(diǎn)火可靠性、飛行穩(wěn)定性等因素的限制，運(yùn)載火箭很少超過四級(jí)，因此其運(yùn)載能力仍然存在一定的局限性。

通常情況下，運(yùn)載火箭運(yùn)送航天器的終點(diǎn)只是繞地球飛行的中間軌道，而從這個(gè)軌道到航天器最終的目的地還有一段距離。在過去，航天器到達(dá)中間軌道后，需要進(jìn)行多次變軌， 才能抵達(dá)最終目的地。而上面級(jí)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了航天器的太空之旅。上面級(jí)具備完整的動(dòng)力系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)。在運(yùn)載火箭的運(yùn)送任務(wù)結(jié)束后，上面級(jí)可以依靠自身的動(dòng)力，將航天器送到最終目的地，做好“最后一程”的運(yùn)送服務(wù)。

如果把運(yùn)載火箭比作飛機(jī)，把航天器比作乘客，那么上面級(jí)就相當(dāng)于在飛機(jī)和目的地之間往返的“太空擺渡車”。它為航天器的太空之旅提供了更為便捷、高效的解決方案，是現(xiàn)代航天任務(wù)中不可或缺的重要組成部分。

上面級(jí)的家族史

雖然上面級(jí)聽起來有些陌生，但它并不是航天領(lǐng)域的新成員。早在二十世紀(jì)五六十年代，美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)就開始進(jìn)行上面級(jí)的研制工作。美國(guó)研制出了阿金納、半人馬座等可用于發(fā)射大、中、小型有效載荷的上面級(jí)，蘇聯(lián)和后來的俄羅斯則讓D 段、微風(fēng)-M、KVRB 等上面級(jí)先后跟隨運(yùn)載火箭上了太空。

我國(guó)對(duì)上面級(jí)的研制工作始于20 世紀(jì)90 年代，目前已有多款優(yōu)秀產(chǎn)品問世，并成功應(yīng)用于航天發(fā)射任務(wù)中。遠(yuǎn)征家族成員就是其中之一。就在2024 年年底，遠(yuǎn)征三號(hào)聯(lián)合長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，成功將高速激光鉆石星座試驗(yàn)系統(tǒng)的5 顆衛(wèi)星送入太空中的預(yù)定軌道。遠(yuǎn)征二號(hào)也與長(zhǎng)征五號(hào)乙運(yùn)載火箭合作，成功將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)低軌01 組衛(wèi)星送到工作崗位上。

上面級(jí)的閃光點(diǎn)

作為“太空擺渡車”，上面級(jí)的作用遠(yuǎn)不止將航天器更輕松地送達(dá)目的地，它具備諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

No.1 精確送達(dá)

上面級(jí)憑借其強(qiáng)大的控制能力、導(dǎo)航能力和出色的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，能夠精準(zhǔn)地將航天器送到預(yù)定軌道。即便運(yùn)載火箭未能按計(jì)劃飛行，將“乘客”拉過了站，上面級(jí)也能通過重新規(guī)劃飛行路線，確保任務(wù)順利完成。值得一提的是，上面級(jí)的運(yùn)送目的地可以不唯一，可以將多個(gè)航天器送到不同的目的地。遠(yuǎn)征三號(hào)就曾將高速激光鉆石星座試驗(yàn)系統(tǒng)的5 顆衛(wèi)星送入3 個(gè)不同的軌道。

No.2 無懼惡劣環(huán)境

作為合格的“太空擺渡車”，除了要能準(zhǔn)確找到目的地，還要能應(yīng)對(duì)太空中的惡劣環(huán)境。為了讓上面級(jí)滿足這一條件，科學(xué)家會(huì)做一些針對(duì)性設(shè)計(jì)。以遠(yuǎn)征一號(hào)為例，科學(xué)家用特殊材料為其量身定做了一件可抵御太陽風(fēng)暴的防護(hù)衣，同時(shí)對(duì)其內(nèi)部元器件和軟件進(jìn)行了備份，極大地提高了其在軌運(yùn)行的安全性。

No.3 為航天器減負(fù)、延壽

借助上面級(jí)，航天器無須攜帶過多設(shè)備前往最終軌道，從而實(shí)現(xiàn)“輕裝上陣”，節(jié)省燃料用于實(shí)際工作，延長(zhǎng)了使用壽命。

No.4 工作時(shí)間長(zhǎng)

與地面的擺渡車相比，上面級(jí)的工作時(shí)間要長(zhǎng)得多。根據(jù)任務(wù)需求，上面級(jí)一般要工作幾小時(shí)到幾天不等。有些需要長(zhǎng)時(shí)間為航天器提供變軌服務(wù)的上面級(jí)，工作時(shí)長(zhǎng)甚至能達(dá)到幾個(gè)月。

No.5 兼職“太空探測(cè)員”

在當(dāng)好“太空擺渡車”的同時(shí)，有的上面級(jí)還兼職“太空探測(cè)員”。它們會(huì)測(cè)量周圍的太空環(huán)境，并將數(shù)據(jù)傳回地面，為后續(xù)航天器進(jìn)入太空積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

No.6 不做太空垃圾

完成任務(wù)后，上面級(jí)會(huì)離開軌道，避免成為太空垃圾。例如，美國(guó)的半人馬座上面級(jí)在把航天器送到月球軌道后，選擇撞擊月球表面；而我國(guó)的遠(yuǎn)征三號(hào)在完成任務(wù)后，可受控進(jìn)入地球大氣層，在大氣層中燒毀殆盡。

目前，我國(guó)已充分掌握了上面級(jí)的研制技術(shù)，并多次成功應(yīng)用于航天發(fā)射任務(wù)中。隨著星際探索、載人航天和商業(yè)航天的快速發(fā)展，上面級(jí)將在更多任務(wù)中發(fā)揮重要作用，為我國(guó)航天事業(yè)帶來更多驚喜。