遠征上面級研制技術發展

周佑君，葉成敏

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

上面級是一種由運載火箭基礎級發射進入地球軌道或準地球軌道，能夠進一步將有效載荷從地球軌道或準地球軌道送入預定軌道或預定空間位置的具有獨立自主性的飛行器，一般具有多次起動、長時間在軌、自主飛行、多任務適應等特點，能夠完成軌道轉移、軌道部署等任務[1-2]。

2015年3月30日21時52分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號丙/遠征一號運載火箭，成功發射北斗衛星導航系統第17顆衛星——北斗三號系統首顆衛星。31日凌晨，經過近6 h的飛行，遠征一號上面級與衛星成功分離，將衛星直接送入傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit， IGSO)，這是我國首次采用上面級直接入軌發射技術發射中高軌衛星。同年7月25日，長征三號乙運載火箭搭配遠征一號上面級以一箭雙星方式將第18、第19顆北斗導航衛星送入預定軌道，進一步確定了運載火箭搭配遠征一號上面級一箭雙星直接入軌發射成為北斗三號衛星導航系統工程的主要發射方式。2019年12月16日，長征三號乙運載火箭搭配遠征一號上面級以一箭雙星方式將第52、第53顆北斗導航衛星送入預定軌道，圓滿完成北斗三號核心星座組網建設任務[3]。

本文回顧與分析遠征上面級研制技術發展歷程，提出我國上面級后續發展設想。

1 技術發展背景

20世紀50年代，以美國和蘇聯為代表的世界航天強國開始了上面級的研究和發展，先后研制出了數十種類型各異、功能多樣的上面級，以滿足多種航天任務需要。其中，以美國阿金納、半人馬座、慣性上面級，蘇聯Fregat、微風上面級以及歐洲阿里安5上面級、織女火箭上面級為典型代表[2]。

中國自20世紀90年代以來，先后成功研制了長征二號丙/FP、SM、SMA固體上面級，并在多次飛行任務中得到成功應用，奠定了上面級技術發展的基礎。但由于早期的上面級均是針對專項工程研制，多采用固體發動機，不具備多次起動能力，其應用有局限性。依托北斗衛星導航系統工程，2009年，中國開始了支持直接入軌發射中高軌衛星的新一代常規液體上面級技術研究[3]。

2 上面級技術優勢分析

上面級是一種軌道轉移飛行器，任務性質介于運載器與航天器之間，兼具運載器與航天器的技術特點。采用“基礎級火箭+上面級”的組合發射方式，其技術優勢在于：

(1)提供一種靈活的進入空間實施方案

一方面，可以將有效載荷直接送入中、高軌工作軌道，簡化航天器入軌程序，減輕地面測控壓力；另一方面，可以一次發射多種有效載荷，實現快速軌道部署。

(2)充分拓展利用運載火箭的運載能力

可最大程度發揮基礎級火箭的運載能力，在滿足主發射任務前提下，可充分利用富余能力實現其他有效載荷的組合發射，特別是對大、中型運載火箭優勢明顯。

(3)提高發射效率，降低任務成本

一箭多星發射方式可有效提高發射效率，減少發射組織次數，降低任務成本，滿足日益增長的航天高密度發射需求。

(4)為在軌應用提供一種靈活和低成本的通用平臺

上面級具有長期在軌工作能力，可以為有效載荷提供能源、控制、數傳等基礎服務。相對于航天器，上面級成本較低，軌道機動能力強，可作為空間技術試驗的通用平臺，也可拓展在軌服務。

3 上面級關鍵技術研究

3.1 中高軌直接入軌軌道設計技術

被直接入軌發射進入中高軌道的航天器一般不具備大范圍軌道調整能力，通過上面級將航天器直接送入目標軌道，其軌道精確設計是高精度入軌的基礎。上面級自主在軌飛行數小時，測控需求、空間熱防護等均對軌道設計有嚴格的約束。近年來，研究滿足多種約束條件的直接入軌軌道設計技術成果豐碩。王傳魁等[4]研究了基于上面級快速定點發射地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛星軌道方案，給出了GEO 衛星定點調相設計方法和數值仿真分析結果，可簡化地球靜止軌道發射過程和大幅縮短靜止軌道定點發射時間，將衛星自身攜帶變軌發動機和燃料間接入軌和定點所需的6～12 d縮短至2 d以內。周文勇等[5]研究了上面級對發射窗口的約束問題，將發射窗口計算問題轉換為飛行姿態設計問題，通過搜索與解算上面級飛行姿態來滿足長時間滑行期間的熱控、地面測控等多種約束條件，為工程實際應用提供重要參考。

3.2 高可靠的長時間自主導航制導控制技術

上面級在軌飛行時間相比火箭的幾十分鐘延長至數小時，純慣性導航誤差隨時間累積，難以滿足長時間自主導航精度要求，且飛行高度從幾百千米至幾萬千米，衛星導航無法全程使用；上面級軌道轉移對實時性要求較高，無法像航天器似的通過地面多圈測量實現精確定軌；在遠地點變軌時，需克服長時間滑行累積的軌道偏差，完成大范圍軌道轉移并實現對多個軌道約束條件的控制。為滿足長時間自主工作、高精度入軌的需求，需采用多模式組合復合制導導航控制技術[6]，涉及復合導航技術、大范圍軌道機動的制導律、慣性組合累積誤差修正技術等方面。李超兵等[7]研究提出一種K矢量查找算法與星棱錐快速星圖匹配算法矢量，解決了星光導航中的星圖匹配算法問題。張利賓等[8]針對組合方案開展研究，提出了慣性/星敏感器/地球敏感器的組合導航系統，并通過星敏感器在回路中的半物理仿真實驗證明慣性/天文組合導航系統方案的可行性與正確性。針對轉移軌道中途修正時機問題，張利賓等[9]設計了一種基于NSGA-II的中途修正時機優化算法，基于上面級運動方程和Lambert 遠程變軌，通過仿真算例驗證了中途修正的必要性，確定了修正策略，并證明該算法中途修正效果很好。

為提高直接入軌發射任務的可靠性，在自主飛行控制基礎上通過上行遙控功能將自主控制和地面指令上行有機結合，使得上面級具備軌道重規劃和上行指令修正導航參數功能，可大大增強應對火箭及上面級故障的能力，較長的無動力滑行段為地面實施指令注入提供了操作窗口。當出現火箭入軌偏差大幅超差時，可在地面上傳重新規劃的變軌諸元，上面級攜衛星沿著新的軌道飛行，可再次確保衛星精確入軌或盡可能減小衛星入軌偏差。當上面級自主導航出現故障時，上行地面測定軌數據可對自主導航參數修正，仍可保障衛星入軌精度。王傳魁等[10]研究了應對火箭入軌大偏差情況下軌道在線規劃策略，制定了規劃依據和方法并經過數值仿真證明策略有效。黃普等[11]提出一種基于改進微分進化算法的軌道規劃方法，將軌道規劃問題轉化為多約束軌道優化問題并設計了多約束優化模型，以滿足衛星半長軸及軌道傾角的工程需求，通過改進的微分進化算法求解最優解解決上面級機動軌道重規劃問題。

3.3 推進劑管理及并聯貯箱均衡輸送技術

上面級一般采用4個貯箱兩兩并聯的構型為發動機供應推進劑，因并聯分支輸送系統布局復雜、流阻差異大導致發動機工作段推進劑消耗不均衡，會造成飛行過程中較大的質心偏移，從而降低姿態控制系統的控制力裕度,增加姿控推進劑的消耗量。再者，當供應主動力的某一個貯箱推進劑提前耗盡時，其他貯箱剩余的推進劑將無法繼續使用，會增加推進劑不可用量，同時輸送系統無法保證為發動機提供純液相的推進劑，夾氣的推進劑輸送至發動機可能造成起動時渦輪泵汽蝕，嚴重時發生結構破壞。且上述影響均會損失運載能力。

為此，在設計過程中，一般工程上使用2種方法抑制消耗不均衡現象：1)將兩分支管路的流體阻力特性進行匹配，采用汽蝕管、孔板等方式，盡量減少兩分支的流體阻力特性差異；2)在并聯貯箱間增加一個連通管路，用于平衡推進劑消耗過程中并聯貯箱內的推進劑。針對這兩類方法，國內開展了較多的仿真分析及地面原理性試驗研究，基于連通管的均衡輸送方案推進劑不可用量及質心偏移變化最小且有利于工程實現[12]。

長時間在軌工作期間，需經歷較長時間的在軌滑行和主發動機多次起動。在空間微重力條件下，需對推進劑進行管理，確保長時間滑行后主發動機再次起動時輸送系統為其提供不夾氣的推進劑。因貯箱尺寸較大，推進劑質量大，發動機流量大，膜片、囊式貯箱和衛星常用的表面張力貯箱等推進劑管理方案不適用，火箭末級常用的連續沉底方法則消耗推進劑較多，不適于長達數小時、數天的滑行任務。推進劑管理問題需從長時間滑行、大流量泵壓式發動機、多次起動等特點，研究貯箱內液體重定位規律、優化推進劑沉底程序，研究推進劑蓄流、防旋、防塌設計，推進劑管理裝置，落塔試驗等多方面問題。劉楨等[13]研究分析了正推沉底和正推重定位沉底兩種不同管理形式以及應用范圍。鄧新宇等[14]研究表明,間歇式沉底推進劑管理方法更適用于在軌數小時、啟動次數2次或幾次的動力系統，重點在于選擇沉底發動機的推力和工作時間。通過推進劑重定位數值仿真可優化設計推力時序[15]，結合在貯箱出口設置局部蓄留的推進劑管理裝置(PMD)，利用表面張力保證貯箱出口始終留存一部分推進劑，確保無動力滑行段氣體不進入輸送管路。啟動次數大于2次甚至達到數十次的長期在軌泵壓式動力系統宜采用可充填的啟動籃管理裝置方案，取消推進劑沉底系統，簡化動力工作時序，節省沉底用量[16]。

3.4 空間環境適應性防護設計技術

上面級在軌飛行時間數小時至數天，任務軌道高帶來的力、熱、空間粒子等空間環境比火箭更復雜、惡劣，但又有別于在軌數年的航天器。發射中上面級位于航天器與火箭之間，肩負著“承載、運輸和軌道部署”的多重功能，力學環境改變，其環境舒適性直接影響火箭及航天器飛行安全以及上面級功能實現。深入研究新環境，開展適應性分析與設計，制定適合上面級的空間防護和熱控制方案、開展精細的力學環境分析與預示是必須突破的關鍵技術。

上面級動力系統管路外露，雙組元推進劑溫差控制要求高；儀器設備功耗大且安裝板不直接朝向空間，散熱困難；泵壓發動機嵌入式安裝，工作時間長，熱環境嚴酷，需從熱環境分析、熱設計、熱試驗、熱防護材料應用、工藝實施等多方面研究適合上面級這類軌道轉移飛行器的熱控技術。通過分析其發射軌道的輻射外熱流變化規律，楊煒平等[17]采用對太陽定姿且繞箭體縱軸慢旋的策略可改善飛行熱環境，可簡化衛星和上面級的熱控系統設計。泵壓式多次起動空間發動機的熱控問題也是難點之一，其被動熱控與主動電加熱措施相結合的熱控方案及其熱分析建模方法、熱平衡試驗方法等多有研究與突破[18- 20]。針對該新領域，朱尚龍等[21]探索了上面級熱控系統研制流程的優化問題與實踐，為工程實踐提供了參考。李德富等[22-24]對多層隔熱材料傳熱特性、涂層的物性等均有不少研究成果，用于指導工程設計。

地球輻射帶內的空間環境對空間飛行器電子電氣系統的影響較大，特別對各類數字芯片的影響不可忽略，上面級軌道跨越內外高能輻射帶，涉及空間粒子環境分析、電氣系統抗粒子輻射研究、電子設備加固技術、電氣系統容錯設計等多種技術研究。結合飛行特點，采用冗余設計、軟件重構、適當提高元器件等級等多種措施相結合可實現產品可靠性與經濟性的統一。針對飛行過程強自主的要求，關鍵電氣設備如三冗余箭載計算機具備自主斷電重啟功能，可以在發生單粒子翻轉或鎖定時將發生故障的CPU斷電重新啟動并實現軟硬件同步，保證控制系統的可靠性。

針對特殊的并聯構型及力學環境，林宏等[25-26]對并聯懸掛貯箱進行了建模方法研究，并對適應不同基礎級火箭飛行過程中的激勵特性、不同發射任務中衛星質量和動力學特性差異、空間復雜結構的精細模擬等問題開展精細化分析與設計、試驗工作，獲取了精細化力學試驗條件制定方法、液體晃動參數仿真及計算修正方法、多分支結構的完整性設計準則、力學環境減緩技術。

3.5 多次起動常規液體空間發動機技術

為使上面級具備強的軌道機動能力和多任務適應性，突破多次起動的液體空間發動機技術是關鍵技術之一，多次起動、比沖高、工作時間長、高可靠等性能是這類發動機主要特點,也是設計難點，在發動機系統方案論證分析時需重點考慮發動機推進劑種類、供應系統、啟動方式、增壓方式等方面內容[27]。

發動機研制單位對多種啟動方式、起動過程、性能精度控制等均有所研究[27-30]。擠壓推進劑自燃有自身起動、火藥啟動器起動、起動箱起動等多種方式，自身起動簡單但響應時間長，且對燃氣發生器在低噴注壓降及室壓下的可靠性要求高；火藥啟動器起動方式不宜大于3次；起動箱起動適用于大于3次起動。性能精度控制是空間發動機的難點之一，研究表明[30]泵壓式空間發動機性能精度干擾因素多達27項，且最多只能出現10項一致性偏差；控制每項干擾因素偏差不大于0.5%，才可確保發動機總性能偏差不大于5%。

3.6 基于測控數傳一體化的遠距離高碼率測控技術

高軌道直接入軌任務要求上面級在現有測控網條件下必須具備40 000 km遠距離軌道跟蹤、無線信號傳輸能力且滿足遙測數據傳輸碼速率全程不低于1 Mbps的大容量需求。運載火箭基礎級、上面級、多顆衛星的測控需求勢必帶來頻率資源緊張的問題，大系統相互之間的電磁兼容性問題也不容忽視。通過采用測控數傳一體化體制，高度集成實現了遙測、遙控、測距和測速功能一體化，節約研制經費，簡化測控系統構成，可有效減少設備種類、體積、功耗和成本。采用非相干擴頻技術，增強了信號的抗干擾和抗截獲能力，可實現多系統同一點頻同時工作，提高頻譜利用率，解決上面級與其他工程系統之間點頻分配緊張問題，以及無線設備之間的電磁兼容問題。基于遙測天線相位延時及TURBO信道編碼技術、智能變幀技術等技術可有效、靈活地滿足測控距離遠、高碼率的數傳需求。

3.7 輕質高剛度結構設計技術

作為需進入空間軌道的上面級，追求其質量最小化且結構剛度高、與衛星組合后的整流罩內組合體頻率不能低于火箭指標要求是上面級結構的主要設計目標之一，因此輕質高剛度結構設計技術便是上面級研制的關鍵技術之一。帶十字形柵格板的上面級儀器艙結構可實現貯箱并聯，解決在有限高度內推進劑質量大、結構懸臂長的技術難題，滿足外包絡并保證了整體高剛度；以殼梁組合式外支撐構型的多星分配器形式可解決星箭轉換部段對組合體頻率衰減大的難題，上面級/衛星組合體頻率滿足火箭要求；桿系、骨架與多層復合結構相結合的輕質、高剛度的隔熱罩結構，解決了內嵌式主發動機長時間工作對周圍設備產生的熱防護問題[31]。

3.8 低沖擊高可靠多星分離技術

直接入軌一箭多星發射方式要求上面級具備多星發射分離能力，分離系統高可靠、為衛星提供較低的分離沖擊環境，必須突破上面級低沖擊高可靠多星分離技術。近年來的研究表明，攻克的技術涉及多個方面：多星布局和分離方式設計，多星分離仿真預示，多星運動間隙控制，多星地面分離試驗等技術，以及連接解鎖裝置的高效緩沖結構設計，浮動式壓環設計，標準平臺沖擊測試，多因素耦合沖擊源解構測試與分析，二硫化鉬固體潤滑涂層制備工藝等。

4 遠征上面級發展現狀

在北斗工程的牽引下，中國發展研制了遠征一號、遠征二號上面級[3,32-33]。遠征一號是遠征系列的基本型，遠征二號是增強型，在軌時間幾小時、起動次數2次。遠征一號甲在遠征一號基礎上進行長時間在軌和多次起動改進，起動次數達數十次，作為空間在軌試驗平臺，已成功將多種載荷送入異面軌道，實現了能力升級。遠征一號S商用型以及遠征三號上面級均是為滿足不同的中低軌道多星發射任務需求而研制的，目前均已完成首飛。

國內近10年來上面級技術發展表明，這一代上面級均采用可貯存液體推進劑動力，機動能力增強，起動次數增多，在軌時間更長；具有一定的通用性，與長征系列各構型運載火箭組合可執行低/中/高軌道直接入軌、多星發射、軌道轉移、共面/異面軌道部署等多種類型航天任務，累計發射近20次，將40余顆大型航天器精準送入中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)、地球同步軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)、太陽同步軌道(Sun-Synchronous Orbit, SSO)、再入軌道等多種空間軌道，實現了空間運輸系統跨越式發展。但同時在結構效率、自主任務規劃、集成化設計方面還略顯不足，應對未來重載高效的深空運輸服務和星際航行等方面能力還有所欠缺，需要繼續提升。

5 我國上面級后續發展的啟示

縱觀技術發展歷程，上面級技術發展存在3條主脈絡：

1)從任務特點上看，上面級逐步向通用化、模塊化、智能化以及可留軌應用的多任務空間平臺方向發展；

2)從在軌時間上看，在軌時間越來越長，從目前的數小時及數天，未來將逐步突破數十天、半年以上在軌；

3)從動力系統來看，從早期的固體動力到可貯存液體動力，后續將進一步發展氫氧、液氧煤油等高能動力，遠期則向電推進、核推進等先進動力方向發展。

結合發展趨勢和未來市場需求，我國上面級后續可向以下幾方面發展:

(1)發展智能化、通用化上面級，滿足未來航天運輸超高密度、多樣化市場需求

未來衛星市場將呈現“單星越來越重”和“小星越來越多”兩個變化趨勢，衛星直接入軌、軌道部署和各種空間任務需求旺盛，對上面級與不同運載火箭組合的通用化提出了快速響應的發射要求；復雜多樣的任務需求對上面級智能化和故障適應性提出了較高的要求。針對異常飛行情況，上面級通過在軌故障檢測、智能處理、軌道重構進行飛行任務自主調整，增強故障適應性，提高任務可靠性。在遠征系列上面級已有技術基礎上，進一步推進產品化研制模式，解決通用接口設計、小型集成化智能化電氣系統設計、輕質高效結構設計等關鍵技術，發展智能化、通用化上面級以滿足未來市場需求。

(2)加速發展低溫上面級，構建能力覆蓋全面、組合靈活多樣的上面級型譜

低溫上面級以其高比沖、高C3性能受到各航天大國的青睞，未來深空探測、星際航行等航天任務需要高能動力、在軌時間長的上面級。在通用化、模塊化的前提下，建議與我國運載火箭同步開展型譜規劃，完善常溫上面級型譜，加速研制低溫上面級、先進動力上面級，實現種類多樣、高/中/低檔搭配，達到能力覆蓋全面、發射經濟效益最大化。

(3)與商業航天結合，拓展發展留軌再利用的多功能空間試驗平臺

開發再利用上面級留軌資源，對空間進入能力的再開發、空間資源的再利用，是未來空間技術驗證、空間貨運的新途徑，此種方式具有不新增航天發射、不產生太空垃圾、不額外占據軌位資源等優勢，也是吸引商業航天的最佳切入點。建議對留軌上面級開發再利用、變廢為寶，以元器件在軌試驗搭載、載荷空間技術驗證、空間擺渡運輸等應用為拓展途徑，發展多功能空間試驗平臺。

6 結論

上面級在航天運輸系統中具有極其重要的作用和特殊的地位，我國近年來上面級技術發展迅猛,已躋身國際先進行列，成績喜人。后續還需加大投入,突破并掌握未來發展所需的核心技術，持續不斷地推陳出新，研制既能滿足國家需求又具有市場競爭力的系列化產品。