航天发射中经常提到的“上面级”是什么东东?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-10-17

上面级的作用和摆渡车很相似,只是工作地点换成了太空。

  最近,我国用“长征二号丙”运载火箭成功将三颗人造卫星送入预定轨道的消息吸引了不少小伙伴的关注。其实,“一箭多星”技术在我国早已不是什么新鲜事儿,早在1981年,我国就采用“风暴一号”运载火箭将三颗卫星同时送上了天,而在2015年,我国则用“长征六号”一口气放了20颗卫星,刷新了当时亚洲的“一箭多星”发射记录。

 

推荐视频我国长征二号丙火箭成功发射遥感三十号01组卫星

 

  细心的小伙伴一定注意到,在航天发射,尤其是“一箭多星”的相关新闻报道中,常会出现“上面级”一词。对很多人而言,多级火箭的一级、二级倒是有所耳闻,不过,上面级是什么鬼?

  虽说上面级是航天运输系统的重要组成部分,但由于其功能多样,并无确切的定义。通常,广义的上面级是指在高海拔点火的火箭第三、四级,也有人将第一级以上部分均称为上面级。而狭义上,上面级指的是在基础级火箭上增加的、具有独立控制系统和动力系统的火箭子级。日常所说的上面级即指后一种。

图1 - 上面级结构简图(图片来源:文献[1])

上面级结构简图(图片来源:文献[1])

  其实,上面级还有个称呼——太空摆渡车。

  说到摆渡车,你一定不陌生。随着航班日益增多,机场内有限的机位很难应付,多数飞机都不得不停靠在距离候机厅较远的机位上,这就难免给乘客上下机带来麻烦。为了解决这一问题,人们发明了摆渡车,以将携带行李、步行不便的乘客从候机厅高效地运送至停在远机位的飞机上。

  上面级既然被叫作“太空摆渡车”,它做的事自然和摆渡车十分相似,只是工作地点换成了略显艰苦的太空。

图2 - 上面级的作用与摆渡车十分相似(图片来源:民航资源网)

上面级的作用与摆渡车十分相似(图片来源:民航资源网)

  我们知道,为了提高运载能力,火箭常被设计成多级形式。不过,由于受到点火可靠性与飞行稳定性等因素的制约,火箭很少超过四级,因此其运载能力仍旧有限,一般只能将卫星等有效载荷送入绕地飞行的中间轨道。那么,从中间轨道到预定轨道的漫漫征程,该怎么办呢?此时,就轮到“太空摆渡车”大显身手了。

  上面级的优点很多。其一,它兼具运载器与航天器的技术特点,作为运载器,其工作时间长达几小时甚至几十天,而普通的运载火箭却往往只能工作数十分钟;作为航天器,其又比一般的航天器推力大,轨道机动能力也更强。其二,上面级以自主导航为主,有独立的电气系统,其发动机可以多次启动,有很强的任务适应性。正是凭借这些优点,上面级才可能成为“太空摆渡车”,在太空中完成轨道机动与部署卫星等诸多艰巨任务。

图3 - Koreasat-7卫星从阿里安5号上面级上分离(图片来源:spaceflightnow.com)

Koreasat-7卫星从阿里安5号上面级上分离(图片来源:spaceflightnow.com)

  不过,太空环境复杂恶劣,而“太空摆渡车”的工作时间又很长,想要完成任务绝非易事,太阳风暴便是其要克服的最大挑战之一。太阳平静的外表下隐藏着剧烈的运动,在黑子活动高峰期,它会像打喷嚏一样,向广袤的空间释放大量高速带电粒子流。太阳的一个喷嚏在地球看来是十足的风暴,每逢此时,地球的空间环境、臭氧层、无线电通讯都会受到严重干扰,“太空摆渡车”很可能会发生外层开裂、器件损毁及通讯中断。

图4 - 日地空间环境示意图(图片来源:中国运载火箭技术研究院)

日地空间环境示意图(图片来源:中国运载火箭技术研究院)

  为此,科学家们专门为“太空摆渡车”量身定制了一套“防护衣”,其由耐紫外线材料制成,可以有效帮助上面级保持正常体温,以免外部绝缘材料因太阳风暴而变脆开裂。人们还对“太空摆渡车”内部的器件布局做了抗辐射优化设计,并且也给它们穿上了能隔绝带电粒子的防护壳,如此一来,元器件就不会损毁,通讯亦得到了保障。

  可见,和基础级火箭相比,上面级的构造颇为复杂,加之点火频繁、工作时间长,其研制可谓十分困难。自上世纪50年代起,美苏等国就十分重视上面级的研发,如今已研制出数十种功能各异的成熟产品,典型的如美国的阿金纳、半人马座、惯性上面级,前苏联的微风、质子号、弗雷盖特上面级,等等。

图5 - 美国太空火箭中心陈列的半人马座上面级基本型(图片来源:historicspacecraft.com)

美国太空火箭中心陈列的半人马座上面级基本型(图片来源:historicspacecraft.com)

图6 - 美、俄等国研制的数十种上面级(图片来源:historicspacecraft.com)

美、俄等国研制的数十种上面级(图片来源:historicspacecraft.com)

  我国在上面级领域起步较晚,与美、俄等航天强国仍有不小差距,不过,自上世纪90年代以来,我国也已研制出多种固体上面级,并成功应用于多次航天发射任务。近年来,我国致力于开发基于常规液体推进剂的“远征”系列上面级,其中,“远征一号”已于2015年圆满完成了“首秀”,“远征二号”也在去年随“胖五”上了天,从而大大提升了我国火箭的运载能力。按规划,在我国未来的月球探测、火星探测等任务中,上面级将继续发挥举足轻重的作用。

图7 - “远征一号”上面级与“北斗三号”卫星组合体(图片来源:CCTV)

“远征一号”上面级与“北斗三号”卫星组合体(图片来源:CCTV)

  

参考文献:

[1] 范瑞祥,雷凯,徐勤,等. 长征二号丙运载火箭自旋稳定固体上面级的研制[J]. 导弹与航天运载技术,2014(3):1-4.

[2] 潘清,廖育荣,王斌,等. 快速响应空间概念与研究进展[M]. 北京:国防工业出版社,2010.

[3] 赵文华. 海上测控技术名词术语[M]. 北京:国防工业出版社,2013.

[4] 林木. 运载火箭上面级功能与技术发展分析[J]. 上海航天,2013,30(3):33-38.

[5] 马昆,郭武,关嵩,等. 上面级发展现状及趋势分析[J]. 导弹与航天运载技术,2013(6):24-28.

[6] http://www.calt.com/n482/n875/index.html.

[7] 李斌,丁丰年,张小平. 载人登月推进系统[M]. 北京:中国宇航出版社,2011.

[8] 张晓丽. 运载火箭上面级分配器的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

扫码加蝌蚪五线谱微信