運載火箭上面級標準現(xiàn)狀及標準需求研究

徐巖 吳永亮 謝萱

（1中國航天標準化研究所，北京，100071；2北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

隨著先進通信、電子、先進材料、先進制造等技術的進步，衛(wèi)星向著小型化、組網(wǎng)化，深空探測器向著任務多樣化的趨勢發(fā)展，同時也對運載系統(tǒng)提出了多星發(fā)射、精確入軌和提升運載能力的更高要求。但我國現(xiàn)役大部分運載火箭并不具備將中高軌衛(wèi)星 （地球靜止軌道GEO、地球中軌道MEO、傾斜地球同步軌道IGSO）直接送入目標軌道的能力。面對多樣化的發(fā)射需求，通用做法是細化運載系統(tǒng)，采用基礎級火箭搭配上面級的模式[1]。基礎級火箭將上面級和有效載荷運送到預定軌道，其任務需求是保證運載能力最大化之后再由上面級將單星或多星載荷精確送入任務軌道。相對于傳統(tǒng)運載火箭攜帶有效載荷間接入軌的方式，上面級可以有效地降低發(fā)射成本，提高火箭任務適應性和競爭力[2]。

盡管上面級應用越來越廣，但相對于比較成熟的運載火箭標準體系，國內(nèi)外相關標準卻較少。雖然上面級同時具備類似火箭的運載能力，以及衛(wèi)星的長期在軌能力，但其承擔的飛行任務以及任務環(huán)境，與傳統(tǒng)運載火箭末級、衛(wèi)星均有較大差別，因此不能簡單套用運載火箭標準，有必要對現(xiàn)有的國內(nèi)外上面級標準現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，針對其管理、生產(chǎn)、發(fā)射服務等全壽命工作的標準化提出需求，以期為上面級技術發(fā)展、質(zhì)量保證和產(chǎn)業(yè)鏈有序運行提供有力保障。

1 上面級基本情況

上面級是航天運輸體系的重要組成，由于其功能同時兼?zhèn)浠鸺\載能力和衛(wèi)星在軌能力的特點，目前并沒有統(tǒng)一明確的定義。廣義上來說，上面級是指多級運載火箭的第一級以上部分，一般為第二級或第三級。狹義上來說，上面級是指在原有火箭基礎上面，增加的相對獨立的一級（或多級）末子級，具備完成自主軌道轉(zhuǎn)移、長時在軌、多星分離、發(fā)射和部署任務的能力，這也是現(xiàn)在普遍認同的定義[3]。表1中列出了現(xiàn)有國內(nèi)外標準對上面級概念提出的定義。

表1 現(xiàn)有標準中上面級定義

不同標準雖然對上面級定義表述并不相同，但其共通的地方有2點：首先是上面級都被定義為獨立的飛行器，而非運載火箭的一個子級；其次在任務過程中，都是由運載火箭送入準地球軌道后，再搭載有效載荷 （航天器等）部署到預定軌道。這與狹義的上面級概念也是一致的。

從功能來說，上面級可以執(zhí)行多星發(fā)射與部署、衛(wèi)星精確入軌、月球及深空探測等任務，滿足多樣化空間任務需求。相對于傳統(tǒng)運載火箭研制周期過長的情況，研制改進上面級，搭配不同的基礎級火箭，極大地拓展了航天運輸系統(tǒng)運載能力和任務適應能力。上面級還具備一定的在軌能力，可短時間內(nèi)履行航天器的部分功能，拓展提供中繼控制、衛(wèi)星延壽、碎片清理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍谲壏铡Ｒ虼耍厦婕壥艿搅耸澜缰饕教鞆妵H航天機構甚至商業(yè)發(fā)射公司極大的重視，紛紛結合自身技術現(xiàn)狀，拓展上面級新型號[4-5]。現(xiàn)有上面級型號基本情況見表2。

表2 現(xiàn)有上面級型號基本情況

2 國內(nèi)外上面級標準現(xiàn)狀

2.1 國外上面級標準情況

MIL-HDBK-340A Test Requirements for Launch，Upper-Stage，and Space Vehicles（《運載器、上面級飛行器和航天器試驗要求）》，規(guī)定了上面級等飛行器系統(tǒng)級、分系統(tǒng)及和組件的試驗要求，是美軍標中一項重要指導文件。它分為2卷，卷一是 “基本要求”，其內(nèi)容實際上與已被廢除的MIL-STD-1540C一致，對上面級等飛行器的研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗、替代鑒定試驗的策略、出廠前及發(fā)射前合格認證和在軌兼容性試驗進行了指導規(guī)范，只是不再做強制要求。卷二是 “應用導則”部分，補充了試驗原理與準則、發(fā)射前的合格認證和運行試驗等內(nèi)容，還可以結合上面級的具體型號，對試驗基本要求進行應用與剪裁。

MIL-STD-1540D Product Verification Requirements for Launch，Upper-Stage，and Space Vehicles（《運載器、上面級飛行器和航天器產(chǎn)品驗證要求》）規(guī)定了運載器、上面級和航天器在各個研制階段的產(chǎn)品驗證要求。1540D雖然是1540C的替代，但內(nèi)容與驗收標準有著本質(zhì)區(qū)別。該標準通過對上面級等飛行器各研制階段的驗證目的、驗證步驟等一般要求，以及驗證準備、驗證方法等詳細要求進行規(guī)范，確保交付的上面級等產(chǎn)品能滿足性能要求。

2.2 國內(nèi)上面級標準情況

國軍標 《運載器、上面級和航天器試驗要求》在新版本修訂過程中，編制排版借鑒了MIL-STD-1540C和MIL-HDBK-340A，標準規(guī)定范圍也基本與美軍標一致，但內(nèi)容充分考慮了我國航天型號試驗技術現(xiàn)狀，為上面級等航天器研制過程提供了一套高效可行的試驗驗證計劃，確保發(fā)射任務的高可靠性。

上面級的飛行環(huán)境和極端任務狀態(tài)遠比執(zhí)行單一任務運載火箭、航天器惡劣，儀器設備熱環(huán)境復雜，問題突出。航天行業(yè)標準 《運載火箭上面級熱設計準則》通過明確空間外熱流分析、設計工況確定、熱控措施設計、真空羽流防護設計、熱分析、熱試驗設計等設計內(nèi)容和具體設計方法，確保上面級儀器設備在要求的范圍內(nèi)。航天行業(yè)標準 《運載火箭上面級主動熱控系統(tǒng)設計與試驗方法》明確了上面級主動熱控系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)組成，以及溫度采集設計、控制功能設計、加熱驅(qū)動設計、電加熱器設計、電氣接口設計等內(nèi)容以及功能與性能測試等試驗方法，保證上面級發(fā)動機及增壓輸送等分系統(tǒng)正常運行。

航天行業(yè)標準 《運載火箭上面級出廠測試方法》規(guī)定了上面級總裝廠的出廠測試參試產(chǎn)品、技術文件、試驗場地、安全、人員以及測試內(nèi)容、測試方法的要求。出廠測試是上面級出廠前質(zhì)量管控的重要一步，該標準解決了現(xiàn)有上面級動力系統(tǒng)預封裝測試、綜合電測、與基礎級接口及相關特有系統(tǒng)的分系統(tǒng)測試項目長期缺乏參照標準的問題。

2.3 標準現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有以上面級為對象的國內(nèi)外標準較少，一方面是因為上面級作為發(fā)射系統(tǒng)的一部分，具有發(fā)射和部署有效載荷的能力，也可以一定時間內(nèi)在軌運行，因此在上面級研制過程中，部分運載火箭標準和航天器標準可以直接適用。另一方面是因為上面級、運載火箭、航天器都是單件或小批量生產(chǎn)，對于試驗類、驗證類標準，有著極高的產(chǎn)品性能和可靠性共性要求。以三者為對象統(tǒng)一制定標準，更有利于研制生產(chǎn)經(jīng)驗總結和整體發(fā)展。

但是上面級也有其特殊性，上面級執(zhí)行任務過程中，經(jīng)歷的地面操作環(huán)境、基礎級火箭搭載飛行段環(huán)境和上面級飛行段環(huán)境都各不相同。力、熱載荷環(huán)境變化，對上面級結構、熱控系統(tǒng)要求，要比運載火箭或航天器要求復雜得多。同時上面級面對多星部署、深空探測等多樣化的任務，會搭配不同的基礎級火箭和有效載荷，對于電氣及機械接口分離、發(fā)動機在軌多次點火、推進劑對復雜情況的管理等都提出了特殊化的要求，因此也有必要制定針對性的標準。

3 上面級標準需求分析

3.1 上面級標準體系框架

通過現(xiàn)有標準的研究，可以看出上面級標準在現(xiàn)役型號的試驗、產(chǎn)品驗證、測試以及重要分系統(tǒng)研制過程中得到了有效的應用，但是上面級作為獨立的飛行器產(chǎn)品，現(xiàn)有標準難以覆蓋其研制全流程的需求，亟需對未來標準化工作進行規(guī)劃，梳理出完整的上面級標準體系。

a）體系框架建設思路。首先上面級標準體系構建要以其系統(tǒng)研制和應用過程所涉及的全領域、全壽命過程中的標準化需求為牽引，分析相關標準特點。其次是研究構建上面級關鍵技術標準框架和標準明細，明確急需的關鍵技術標準項目，對體系明細表中規(guī)劃的標準，要采取繼承、廢止、制定、修訂、借用等方式，逐步完善。

b）框架編制要求。上面級是運載器的一種，上面級標準體系構建可以借鑒已有的運載火箭標準體系框架，但是不能簡單照抄照搬。上面級標準體系框架應覆蓋管理、 生產(chǎn)研制、 產(chǎn)品保證、發(fā)射服務等全壽命工作的標準化需求， 明確體系劃分層次， 配置標準項目。 對于頂層的法規(guī)指南、項目管理要求、 安全要求、 六性產(chǎn)品保證要求，可以制定一些涵蓋飛行器共性的標準， 或是在滿足適用性要求的情況下， 直接將國際標準或國外組織的成熟高水平標準， 納入到體系框架中。

3.2 上面級關鍵標準需求

結合上面級應用和研制特點， 后續(xù)標準編制應涵蓋質(zhì)量管理、 通用單機產(chǎn)品、 零部件、 元器件， 以及環(huán)境工程、 設計研制、 發(fā)射準備和發(fā)射流程等發(fā)射服務等多方面的特殊要求。 而現(xiàn)有國內(nèi)外標準只有試驗要求、 驗證要求等寥寥幾項，對于上面級重要分系統(tǒng)設計要求、 關鍵材料工藝要求、 特殊單機產(chǎn)品規(guī)范、 各級接口、 發(fā)射流程等關鍵領域標準， 還需要結合型號技術背景和已有經(jīng)驗， 進行重點編制。 具體標準制定思路如下。

a） 《上面級與發(fā)射場接口要求》， 該標準制定可以對上面級在發(fā)射場的研制、 測試發(fā)射和使用進行歸納、 整理、 總結和提煉， 結合上面級與發(fā)射場接口要求的迫切需要， 對發(fā)射場的測試發(fā)射設施、 供配電、 供氣供液、 通訊、 勤務及技術保障等接口進行標準化、 規(guī)范化， 保證上面級與發(fā)射場接口一致性、 有效性及全面性， 滿足上面級在不同發(fā)射場完成衛(wèi)星發(fā)射任務的要求。

b） 《上面級總裝質(zhì)量控制要求》， 該標準制定可以對上面級總裝過程中總裝操作人員、 工藝裝備和設備、 環(huán)境和安全、 產(chǎn)品安裝前檢驗、 各分系統(tǒng)安裝、 艙段對接、 質(zhì)量質(zhì)心測量、 出廠前總檢查、 產(chǎn)品包裝等總裝全過程提出要求， 可以為后續(xù)上面級總裝質(zhì)量控制及檢驗提供參照。

4 結論

上面級對于提升航天發(fā)射系統(tǒng)的運載能力和任務適應能力有著重要意義， 是發(fā)射系統(tǒng)中特殊的一環(huán)。 和國外相比， 我國上面級型號起步較晚， 技術水平有一定差距， 借助標準來規(guī)范上面級相關技術要求、 控制質(zhì)量、 研發(fā)鏈可靠運行，可以有效促進相關新技術推廣應用， 彌補與其他國家的技術差距。

本文在調(diào)研分析現(xiàn)有國內(nèi)外上面級型號技術現(xiàn)狀和標準現(xiàn)狀的基礎上， 對我國上面級標準體系框架的構建進行了研究， 從共性要求和關鍵領域標準2 個維度， 規(guī)劃符合體系框架要求的， 可供行業(yè)設計人員參考的， 圍繞管理、 設計試驗、產(chǎn)品保證、 發(fā)射服務等全壽命工作的上面級標準。 同時， 針對上面級功能和任務特點， 分析了其標準化需求， 從上面級總裝質(zhì)量控制和與發(fā)射場接口需求角度， 提出標準編制思路， 為后續(xù)型號研制和發(fā)射任務的成功提供有力保障。