首個自主研發四級火箭長征三號丙遠征一號今日首飛 搭載北斗衞星
今年是中國航天發射的又一個密集年，計劃完成20次宇航發射，將超過40個航天器送入太空。
據《環球時報》報道，今天（3月30日），新一代上面級遠征一號即將以“太空擺渡車”的使命迎來首次太空之旅。“上面級”是什麼？“遠征一號”未來又將擔負什麼樣的太空發射任務？它的出現將帶給中國航天哪些深刻的變化呢？或許可以從遠征一號這個名稱中看到一些端倪。
遠征一號（科學報圖片）
遠征一號上面級是什麼？
所謂上面級就是運載火箭最上面的一級或多級，其以下的幾級火箭被稱為基礎級。上面級有自主軌道機動能力，在軌飛行時間長，一般可多次啓動點火，滿足不同發射任務需求，能將一個或多個有效載荷(如衞星、空間探測器等)送入預定軌道，就如同機場的擺渡車。使用上面級可以大大減少有效載荷自身的燃料消耗，從而大大延長工作壽命。
據長征-3A系列運載火箭總設計師姜傑在兩會期間接受專訪時透露，長征-3C/遠征-1是在原本3級的長征-3C火箭上面增加一級，從而變成4級火箭。4級火箭的主要任務是搭載可以直接入軌的衞星。
為節省燃料，以往的3級火箭只能將衞星送至轉移軌道，即3級火箭發射的軌道是橢圓的，衞星需要變軌為圓形軌道。例如發射地球同步軌道（GEO）通訊衞星時，長征三號火箭在一、二級分離後，第三級與衞星一起先進入一個近地圓軌道（又稱為停泊軌道）；然後第三級的發動機關機，第三級與衞星在停泊軌道上繞地球運行；在運行到適合的位置後，第三級發動機再啓動加速，然後進入地球同步轉移軌道（GTO）；進入到GTO軌道後，第三級與衞星分離，衞星獨自在GTO軌道上運行；最後衞星在GTO軌道的遠地點打開自身的火箭發動機，變軌進入GEO軌道的預定位置，這時整個發射才算完成。
而改進後的4級火箭可以直接將衞星發送至距離更為遙遠的目標軌道，衞星不需要再變軌。3級火箭的飛行只需要半小時左右，而4級火箭則需要飛行4~6小時，能飛到幾萬公里的外太空。“上面級"這個概念主要要求火箭最頂部一級動力具有多次啓動、長時間待機的能力，以能用最低燃料消耗直接將衞星送入最終軌道。
衞星自載動力一般為高壓氣體，而非搭載液體推進劑，因其主要用於調整姿態等小幅度位置變動，不需要大推力動力系統；而作為“擺渡車”的上面級，它秉承“使用盡量少的推進劑產生儘量大的推力”，有能力把衞星送到不同軌道的不同位置（甚至是地火軌道轉移），既可以發射單星，又可以發射多星，在性能和設計上追求最優解。
遠征一號使用四氧化二氮+偏二甲肼的常温液體推進劑組合。有軍事專家指出，由於我國液氫存儲技術尚不夠完善，液氫蒸發速度過快，無法實現在太空長時間在軌待機。所以研製遠征一號上面級來應急。如果長征三號第三級液氫存儲技術有改進，能實現6.5個小時在軌待機，遠征一號實際上沒有存在必要。這個所謂“太空擺渡車”的出現，反映的是我國運載火箭液氫存儲技術的落後。在遠征一號、遠征二號之後，我國也會研製能長時間在軌待機的氫氧上面級。根據初步設想，我國未來的氫氧低温上面級在軌時間不少於5天，可用於未來載人登月任務。要達到這個目標，中國航天還需努力。
採用氫氧發動機的美國半人馬座（Centaur）上面級最大飛行時間超過6個小時，可以堅持到直接將衞星送入地球同步軌道。這得益於美國長時間以來積累的液氧存儲技術，半人馬座可將液氫蒸發量控制到每天約2%。
遠征一號將為誰“擺渡”？
對於30日遠征一號將要擺渡的首個“客人”是誰，中國航天業界並不願過多評論。不過國內媒體此前曾公開報道稱，2015年我國計劃發射4顆“北斗”全球導航試驗衞星，對全球導航衞星系統中的新技術進行驗證。
據中國運載火箭研究院黨委書記梁小虹在兩會期間介紹，新研製的遠征-1上面級有四大特點：一是兼具運載器與航天器的技術特性。它是在運載火箭或重複使用運載工具上面增加的相對獨立的一級或多級，可依靠自身動力攜帶航天器繼續飛行。二是可多次啓動。運載火箭將其送入太空後，上面級能多次點火啓動，滿足不同發射任務的需求。三是工作時間長。上面級長於運載火箭的工作時間，可以達到數小時、數天乃至數十天。遠征-1上面級首次採用了液體推進劑，在軌工作時間為6.5小時。四是可以先後把不同“乘客”送到不同目的地。在太空，上面級接力火箭繼續執行飛行任務，可通過飛行軌道的變化，將攜帶的一個或多個航天器直接送到工作地點。
由於上面級擁有眾多優點，美俄等國很早就在研製並使用。美國目前總共研製出10多種上面級，用於發射大、中、小型有效載荷。如“阿金納”、變軌級、有效載荷助推艙/Star-48B、惰性上面級、“半人馬座”上面級等。
蘇聯/俄羅斯也先後打造了各種上面級。如D段、DM段、DM-SL段、微風-KM、微風-M和“弗雷蓋特”等上面級。歐洲航天局後發制人起點高，研製了可貯存液體上面級EPS以及低温上面級ESC-A和ESC-B。這些航天大國，不僅用裝有上面級的運載火箭把衞星直接送入軌道，美國還曾用航天飛機發射衞星和空間探測器，它是靠裝在貨艙內的有效載荷助推艙/Star-48B上面級來發射。目前，為了降低衞星成本，美國GPS-2F導航衞星不用遠地點發動機入軌，而用裝有上面級的“宇宙神-5”或“德爾塔-4”火箭直接送入工作軌道。
上面級也常用於“一箭多星”發射，以有效降低發射成本。美國的“半人馬座”、俄羅斯的微風-M、歐洲的EPS等著名上面級，具有多次變軌、高精度導航、星箭接口適應性強等特點，都具備多星多軌道發射能力，進行快速組網。如2015年3月28日(北京時間)，裝有“弗雷蓋特”上面級的俄羅斯聯盟-ST火箭就一舉發射了第7顆和第8顆歐洲“伽利略”導航衞星，把它們分別送到兩個軌道面。美國甚至還用上面級完成某些特殊任務，比如用“半人馬座”上面級先將美國“月球隕坑觀測與感知衞星”送至月球軌道，然後用“半人馬座”上面級對月球進行撞擊。
太空垃圾回收車
“太空擺渡車”另外一個重要的使命，就是可提供軌道轉移、空間碎片清理等軌道服務。然而，“打掃太空垃圾”絕非易事。
“怎麼收集太空垃圾？如何處理？太空垃圾首先不能對回收者造成實質性威脅。”軍事評論員宋忠平認為，未來“太空擺渡車”或能夠同時具有機械臂功能。
如果把利用“太空擺渡車”發射和釋放衞星到預定軌道的動作比作“卸車”，那麼從特定軌道回收太空垃圾的動作就是“裝車”。“擺渡車”上如果有“機械臂”的話，那麼這兩個動作都將變得相對輕鬆和靈活。而且，太空垃圾多為報廢衞星，如果抓回來之後還能軟着路，對報廢衞星進行回收，還具有一定的研究價值。
“美國已經在這條路上走在了前列。”宋忠平認為，利用太空飛船或“太空擺渡車”來釋放、收回衞星更為靈活，應用更為廣泛，驗證和發展機械臂技術是未來需要考慮的方向。
“包括在空間站建設中，這些技術都是必不可少的。”宋忠平告訴記者，飛船與國際空間站的兩種對接方式，其中一種就類似機械臂的抓取，“太空機械臂在未來太空探索中必將發揮重要作用，我們需要逐步掌握”。
遠征一號不只是一個任務型號，而是系列編號
據瞭解，從上世紀80年代末開始，中國先後研製出多型固體推進劑上面級，並進行了多次飛行，全部取得圓滿成功。但此前的上面級均為滿足某種單一任務而研製，只具有一次啓動能力，工作時間較短，對於更多發射任務適應性較弱。遠征一號作為一種液體推進劑上面級，有望成為中國航天領域真正意義上的“太空擺渡車”。
梁小虹表示，為加強中國航天在深空探測、空間試驗等空間領域的探索和服務能力，中國運載火箭技術研究院將按照系列化發展的思路，在遠征一號的基礎上逐步構建多種類、多用途的上面級產品。
（綜合環球時報、騰訊軍事、中國科學報報道）