《讲武堂》第175期：报喜不报忧的“太空摆渡车”

源济

报喜不报忧的“太空摆渡车”

腾讯网·军事频道2014-03-24

远征一号上面级设想图

两会期间，全国政协委员、航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹透露，我国研制的"远征一号"上面级将于今年首飞。梁小虹表示，远征一号上面级在轨道转移、空间碎片清理等领域将发挥重要作用。

本来航天专家已将远征一号上面级的作用介绍得非常清楚。但消息公布后，媒体很快为远征一号上面级起了"太空摆渡车"这么一个令人摸不着头脑的绰号。甚至还有"军事专家"称，"不妨认为它是一种货运飞船。"这些所谓的解读实际上误导了公众对远征一号上面级作用、以及我国在这方面技术能力的认知。

"上面级"要与运载火箭联系在一起解释。从字面上看，"上面级"就是卫星整流罩以下、运载火箭最顶部那一级。例如，我国长征三号A运载火箭，它是一款三级火箭，第三级就是它最顶部的一级，装有氢氧发动机，以及液氢、液氧存储箱。

为什么不是第几级，就称作为第几级呢？这主要因为运载火箭在发射卫星时，往往要在合适的位置上进行变轨，以节省燃料（原理过于复杂，此处不再赘述）。

例如发射地球同步轨道（GEO）通讯卫星时，长征三号火箭在一、二级分离后，第三级与卫星一起先进入一个近地圆轨道（又称为停泊轨道）；然后第三级的发动机关机，第三级与卫星在停泊轨道上绕地球运行；在运行到适合的位置后，第三级发动机再启动加速，然后进入地球同步转移轨道（GTO）；进入到GTO轨道后，第三级与卫星分离，卫星独自在GTO轨道上运行；最后卫星在GTO轨道的远地点打开自身的火箭发动机，变轨进入GEO轨道的预定位置，这时整个发射才算完成。

在这个过程中，长征三号火箭的第三级进行了2次启动，期间间隔一段时间。而卫星也要启动自身的火箭发动机，进行最后变轨。

相比一、二级火箭只需要提供推力，"上面级"这个概念主要要求火箭最顶部一级动力具有多次启动、长时间待机的能力，以能用最低燃料消耗直接将卫星送入最终轨道。

发射地球同步轨道卫星要进行两次变轨，其它轨道也要求多次变轨。

长征三号火箭第三级的问题是，由于我国液氢存储技术尚不够完善，液氢蒸发速度过快，无法实现在太空长时间在轨待机。长征三号A火箭从发射到第三级与卫星分离时间仅有1474秒，不到半个小时。这样，卫星还要依靠自身动力从GTO轨道变轨进入GEO轨道，这期间消耗大量燃料，不利于提高卫星在轨寿命。另外现在还有些新型卫星为了降低成本，不再加入自主变轨能力，要求火箭直接将其送入最终轨道，长征三号火箭也是无法发射这种低成本卫星的。所以，尽管之前也有官方资料将长征三号火箭的第三级称作"上面级"，但更多的还只是叫作第三级。

而同样采用氢氧发动机的美国半人马座（Centaur）上面级和德尔塔火箭二的DCSS上面级，它们的最大飞行时间都超过6个小时，可以坚持到直接将卫星送入地球同步轨道。这得益于美国长时间以来积累的液氧存储技术，半人马座可将液氢蒸发量控制到每天约2%。

现在再看我国远征一号上面级的性能。根据相关资料，我国在2009年启动远征一号、远征二号上面级的研制，都使用四氧化二氮+偏二甲肼的常温液体推进剂组合，主发动机推力均为6.5千牛，比冲也都是315秒，可重复启动两次，设计寿命6.5小时。两者主要区别是远征一号用于长征三号系列火箭，而远征二号用于新的长征五号系列火箭。它们接下来的主要任务是，承担一箭一星（长征三号丙+远征一号）、一箭双星（长征三号乙+远征一号）和一箭四星（长征五号+远征二号）的直接入轨发射，将不具备自身变轨能力的小型新一代北斗导航卫星送入距离地面21150千米的圆轨道（中轨道，MEO）。

我们看到了这样的一个奇怪组合：长征三号系列火箭的第三级、长征五号的第二级都已采用氢氧发动机。氢氧发动机具有比冲高、重量轻的特点，美俄欧日等航天强国最终都研制以液氧液氢为推进剂的低温上面级，这其实是必然的选择。我国现在回过头来增加采用四氧化二氮+偏二甲肼推进剂的远征一号、远征二号上面级，反而降低了火箭本来的运载能力。这其中原因就是我国液氢存储不过关，未能达到美国半人马座上面级的水平。但为了应付新一代不具变轨能力的中轨道北斗卫星密集发射，只好先研制远征一号、远征二号上面级来应急。

美国半人马座上面级可以将卫星直接送入地球同步轨道。

我国长征三号系列火箭的液氢存储技术还比较落后，所以研制远征一号上面级来应急。

简单地说，如果长征三号第三级液氢存储技术有改进，能实现6.5个小时在轨待机，远征一号实际上没有存在必要。这个所谓"太空摆渡车"的出现，反映的是我国运载火箭液氢存储技术的落后，并不是什么先进产物或概念。

着眼于未来的月球探测、火星探测、乃至更远的深空探测需要，美国还在进一步推进液氢存储技术的发展。这些技术包括：先进隔热材料技术、低温流体混合技术、热力学排气系统技术、蒸汽冷屏蔽技术、隔挡防护与连接隔热技术、姿态控制技术、低温制冷机冷却冷凝器技术、低温制冷机冷却液氢技术、低温制冷机冷却气氢技术、低温制冷机与热管结合制冷技术等。美国洛·马公司希望将上述技术组合使用，将液氢蒸发量从半人马座上面现在的每天2%，降低至每天0.01%。半人马座上面级将被改造成集成化低温衍生级（ICES），在轨时间能数以年计，用作未来的奔月运输级、月球着陆级、火星返回级、深空入轨级等等。

在远征一号、远征二号之后，我国也会研制能长时间在轨待机的氢氧上面级。根据初步设想，我国未来的氢氧低温上面级在轨时间不少于5天，可用于未来载人登月任务。要达到这个目标，中国航天还需努力。（文/张雪松 杜松涛）

未来的氢氧上面级的液氢存储技术将更完善，以满足探测火星的需要。