还不知道上面级？未来的航天发射就靠它了！

作者：李会超（中国科学院国家空间科学中心）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

运载火箭和人造卫星都是大家熟知的航天器，而"上面级"，不少读者可能会觉得有些陌生。实际上，随着我国火箭推力的增强、深空探测的逐步开展和一箭多星发射方式的更多采用，上面级正在航天发射中起到越来越重要的作用。

太空多面手：复杂发射掌舵者

世界上第一种上面级是美国的“阿金纳”上面级。在上世纪五十年代末的侦查卫星和导弹预警卫星计划中，美国空军希望研制一种通用的航天器模块，既可以在火箭发射过程中像火箭的一级一样，以自身推力工作一段时间，将卫星送入合适的轨道，又可以作为卫星本身的一部分，为实施不同探测目的的有效载荷提供电力供应，同时维持卫星的姿态。

为了更好的应对军事危机与冲突，美国军方还希望卫星在轨运行时，能够按需要变换轨道。因此，改进型的阿金娜-B上面级，又增加了在太空中“熄火”后再重新“打火”的机会，即发动机的多次重复启动，还配套增加了更加复杂的测控功能。

水星8号飞船上拍摄到的阿金娜上面级

随着阿波罗登月计划的展开，阿金纳上面级又被赋予了新的任务。

为了给阿波罗飞船指令/服务舱与登月舱的对接进行技术验证，阿金纳-D型上面级变成一个独立工作的目标飞行器，先发射到轨道上等待“水星”号载人飞船（阿波罗计划正式实施前美国使用的载人飞船）与之对接。对接后，对接体的变轨推力便由阿金纳上面级提供，宇航员也可以直接控制上面级。

在水星11号任务中，阿金纳更是将组合体由近似圆形的近地轨道提升到了远地点高度1369公里的椭圆轨道上，创下了围绕地球运行的载人航天器轨道高度之最。

由以上的故事，我们不难总结出由阿金纳定义的上面级技术特性：

“

上面级任务性质介于运载器与航天器之间，既可以像运载火箭那样提供推力，又可以像航天器那样具备独立的电气系统，在轨道上长时间工作。

”

此外，它的发动机采用了更适合在真空环境中工作的设计，可以在太空中点火，有些甚至具备多次启动的功能。可以说，上面级是一位太空多面手，可以利用其综合能力强的优势执行一些较为复杂的发射。

例如，美国研制的“半人马座”上面级，和宇宙神火箭一起，将去往月球的“测量员1号”探测器送入奔月轨道。在此次飞行中，去往月球的变轨技术和航天器在月球的软着陆技术得到验证，还让美国成为了第一个使用无人航天器登陆月球的国家。之后，它还为美国许多重要的科学卫星提供了变轨的推力。

在旅行者1号的发射过程中，半人马座还起到了“救场”的作用。执行发射任务的泰坦火箭第一级因为硬件问题提前关机。半人马座上面级通过控制程序发现了这一问题，并通过增加自身工作时间的方式，让发射最终取得了成功。

半人马座上面级发射月球陨坑观测与传感卫星（LCROSS）的效果图

“续命大师”+“太空摆渡车”

航天飞机是一种运载能力强大的航天器，它还可以搭载达多达27.5吨的载荷到达近地轨道。除了搭载航天员，航天飞机也常被用作卫星发射平台。然而，由于航天飞机本身只能飞行在近地轨道上，要想发射在其他轨道上工作的卫星，就只能借助于上面级的力量。

为此，NASA选用了由波音公司开发的“惯性”上面级。与阿金纳、半人马座两种采用液体燃料的上面级不同，惯性上面级采用了固体燃料，因此启动后必须连续工作，不能多次重复启动。

起初，NASA也考虑过使用半人马座和航天飞机做搭档。但在挑战者号航天飞机事故后，NASA再不愿意承担液体燃料上面级所带来的额外风险，转而选择了惯性上面级。

在实际发射中，惯性上面级被安装在航天飞机背部的有效载荷舱中。当航天飞机到达近地轨道、准备发射卫星时，航天飞机将打开载荷舱，将上面级和卫星的组合体抬起约50度。

之后，航天飞机释放卫星与上面级的组合体，待航天飞机撤离到安全距离之外后，上面级开始在太空中点火工作，将卫星送到合适的轨道。上面级在释放卫星的同时，还会降低自身轨道，防止和刚发射的卫星相撞。

航天飞机利用惯性上面级发射“伽利略”探测器

发射“尤利西斯”探测器的惯性上面级与航天飞机分离后的场景（效果图）

在前不久成功进行的猎鹰重型火箭首次发射中，搭载Starman的红色Roadster跑车虽然外表拉风、赚尽眼球，但实际上跑车本身不具备任何在太空中飞行的能力。将跑车和Starman送入地球-火星间转移轨道的，是猎鹰重型火箭的第二级。按照Space X低成本、模块化的设计思路，第二级采用的发动机和第一级、助推器的一样，均为Merlin-1D型。

但这台发动机针对第二级所承担的任务进行了特别改进，使其拥有了在真空中多次点火的能力。在实际飞行中，猎鹰重型火箭第二级与跑车共同在近地轨道滑行，并在发射后3分15秒、28分22秒、6小时0分0秒三次启动工作，最终完成了将跑车送入转移轨道的任务。

按照上面级的定义，猎鹰重型火箭第二级和之前多次执行复杂发射的猎鹰9火箭第二级，都应该被纳入上面级的范畴。让人略感遗憾的是，根据Space X在发射后透漏的消息，由于猎鹰重型火箭第二级工作的偏差，跑车实际进入的转移轨道远地点已经超过了火星轨道，到达了小行星带内。（实际上就算第二级正确工作，跑车也无法真正与火星相遇。详见本公众号之前发布的文章《马斯克的特斯拉跑车，真能到达火星吗?》）

猎鹰重型火箭第二级与Roadster跑车、Starman假人在太空中飞行的效果图

当一架飞机到达目的地机场后，机上的乘客一般要去往城市中的不同地方，这时，他们就要换乘在城市中设置多个站点的机场大巴，来去往各自的目的地了。在一枚火箭同时发射多个卫星的一箭多星发射中，每颗卫星的轨道倾角和轨道高度一般都会有所不同。这时，就需要火箭和上面级协力完成发射任务了。

“

运载火箭的角色类似飞机，将上面级和卫星从地面运送到太空中的某条轨道上；而上面级的作用类似机场大巴，通过自身的工作再将各个卫星送入各自不同的轨道。

”

这样，不但提高了发射效率，还能使卫星无需再为变轨而消耗燃料，从而能将所有的燃料都用于在轨道上的正式工作。

卫星的燃料一旦耗尽，便没法再维持自身姿态和轨道，即便其他设备已让工作良好，也不得不做报废处理。因此，节省的燃料可以让卫星再轨道上工作更长时间。从这个意义上讲，上面级也是卫星的“续命大师”。在卫星与上面级分离时，将根据卫星本身的特点制定“下车”方案，使得它们在离开时，不会互相干扰和碰撞，保持上面级的重心平稳。对于重量较大的卫星，可以采用弹簧弹射的分离方式与上面级分离。而重量较小的卫星，则可以采用燃料燃烧产生的气流将其推出出去。

长征七号火箭首次发射时搭载了远征一号甲上面级

我国曾经为了完成“铱星”通信卫星和“双星”科学探测卫星的发射任务而研发过固体燃料上面级。然而，这些上面级都是针对特定任务开发的，功能比较单一。进入新世纪后，我国开发了“远征”系列上面级，真正拥有了功能比较强大的“太空摆渡车”。

目前，远征上面级家族已有3名成员。

1

远征一号上面级是基本型，主要针对中高轨的直接入轨任务，只有两次启动能力。

2

长征七号首发时使用的远征一号甲上面级实现了多次启动、长时间在轨，目前启动次数能达到20次，完成不同轨道的多星部署。

3

长征五号首发时使用的远征二号上面级，是远征一号系列化的产品，有两台发动机，运载能力更大，执行高轨多星的直接入轨任务。

随着我国航天事业的进一步发展，这些上面级必将在更广阔的舞台上施展自己的本领。