譚驍天：遠征一號與新徵途上的中國航天

2015年3月30日晚21點52分，一枚長征三號丙運載火箭託舉着北斗導航系統全球組網試驗星（I1-S），從沉寂了三個月之久的西昌衞星發射中心發射升空，這也是中國本年度第一次航天發射。與以往不同的是，航天迷並沒有在3月30日等來衞星進入轉移軌道的消息，直到31日早晨，衞星進入運行軌道的新聞才姍姍來遲。這並不是發射過程中出現了什麼意外，而是本次任務採用了新的運載工具和入軌方式。

上圖均為本次發射北斗全球組網試驗星的現場圖

圖為發射嫦娥五號T1試驗器的長征三號丙火箭

這個首次使用的運載工具叫做遠征一號，是我國第一枚液體上面級飛行器。它被附加在第三級火箭之上，遠征一號使用常温液體燃料（四氧化二氮/偏二甲肼），設計最長運行時間為6.5小時。單從發射現場的照片看，我們很難發現這枚火箭與以往的改進型長征三號丙運載火箭有什麼明顯區別。這是因為遠征一號上面級已經被整合進了通常用來裝載衞星的整流罩內。增加的這一級結構，也使本次發射北斗全球組網試驗星的火箭成為了中國製造的第一枚四級液體火箭。而這新增加出來的一級火箭，讓衞星從發射到進入運行軌道的時間，從數十個小時縮短為了五個多小時，由於變軌操作已經全部由上面級完成，衞星也無需再耗費大量燃料進入新的運行軌道。這樣使得寶貴的星載燃料可以完全被用於進行日常軌道維持，這大大延長了衞星的運行壽命。

從上面所示的火箭結構圖中可以看出，有着太空擺渡車稱號的遠征一號上面級，所佔的體積其實非常小，其長度甚至還不如它所運載的衞星。但就是這麼個佔火箭總體積不到5%的小玩意，其“待機能力”可不容小覷。長征三號丙火箭那碩大的身軀，一般只會運行不到30分鐘便完成使命，而“小巧玲瓏”的遠征一號，卻要擔負起衞星後面五六個小時的航程。根據任務需要，上面級一般還得擁有多次關機多次再啓動的能力。

上圖所示為長三丙火箭與上面級分離的模擬圖，右側黃色部分為遠征一號上面級，左側較長的白色部分是長征三號丙火箭的第三級。

星箭組合體

以本次發射任務為例，在遠征一號與長三丙火箭分離之後，上面級需要在六小時內進行兩次滑行和兩到三次次點火才能將北斗衞星送入傾角55度的傾斜地球同步軌道（IGSO）並把其自身帶往不影響衞星工作的墓地軌道。根據目前公佈的信息，本次任務還拋棄了以往常用的霍曼轉移軌道，轉而使用了入軌更快的新軌道，可以説，這也是遠征一號為衞星做出的獨特貢獻。

本次I1-S衞星從發射到最終入軌的示意圖

衞星對上面級功能的需求使它的研製工作充滿了挑戰。一個既要小巧又要超長待機還要維持高性能的手機尚且不好設計製造，何況一個事關衞星發射成敗的火箭上面級呢。目前在世界上，有能力設計製造這一部件的，除了我國以外也只有俄羅斯、美國和歐空局三家。其中使用較多的俄羅斯微風M上面級，就曾經多次導致發射失敗，星箭俱毀。

圖為俄羅斯微風M上面級

此次遠征一號上面級的成功首飛，標誌着我國在空間運輸領域取得了很大的進步。但作為中國航天的年度首射，此次取得開門紅的遠不止於運載火箭系統。火箭上搭載的北斗全球系統試驗星（I1-S）是本次任務的另一大看點。

大家可能已經有所察覺，自2012年10月25日北斗二號G6星發射升空以來，這兩年半的時間裏，北斗衞星的組網工作似乎沉寂了。這其實是因為在完成亞太地區組網之後，北斗系統一直在進行全球組網覆蓋的準備工作。而今天，北斗衞星定位系統的第三代，北斗全球定位系統，終於邁出了它的第一步。與遠征一號一樣，這一枚北斗導航系統全球組網試驗星也是全新研製的。擔負衞星研發任務的中國科學院上海微小衞星工程中心並沒有沿用北斗二號使用的東方紅三號衞星平台，而是另起爐灶進行了重新設計。新一代北斗衞星，體積質量比北斗二號更小，功能卻更強大，還具備了星間通訊功能。等更多北斗全球定位衞星發射後，星間鏈路也將展開測試。

前文中提到了遠征一號可以為衞星節約星載燃料，此枚北斗衞星就是第一個受益者。雖然由於體積變小，衞星所載燃料總量較之前的東三平台有所下降，但由於有了“太空擺渡車”遠征一號的協助，其預期使用壽命還是從北斗二號的八年左右延長到了十二年左右。

此次發射的成功標誌着北斗三期全球組網工程的大幕已經拉開，從今年到2020年，每年都會有三顆以上的北斗衞星被髮射升空。五年以後，一個更大，更準確的北斗衞星定位系統就將從亞太走向全球。

與北斗衞星定位系統全球組網同時拉開帷幕的還有中國航天的又一個發射高潮，從今年到2017年，我國將先後試射四型全新研製的運載火箭，為沉寂15年的長征系列運載火箭家族增添新鮮血液。其中，長征五號系列火箭將承擔包括探月，空間站在內的重型載荷航天發射任務。長征七號則會逐漸代替已經逐步過時的長征二號系列和一部分長征三號甲系列火箭的發射任務。而長征六號與長征十一號小型火箭將會突破我國運載火箭的運載能力下限，填補現在小型載荷運力方面的空白。

上圖為長征六號火箭

值得廣大航天迷朋友關注的是，長征六號火箭已於去年完成合練，預計今年下半年就能首飛。到那時，筆者將提供更為詳細的介紹。

至於大家期盼已久的長征五號和長征七號，想要看到它們首飛，可能還需要等待一段時間，但它們的真容已經逐漸顯露在大家的視線中。今年一，二月，長征七號火箭已經在海南衞星發射中心完成了場箭合練，預計在一年後大家就能看到它騰空而起的英姿。

圖為長征七號合練箭與臍帶塔

大傢伙長征五號，雖扔“猶抱琵琶半遮面”，但也已接近“千呼萬喚始出來”的階段了。現在它正在天津進行全箭振動實驗，如果一切順利，將會在今年下半年或者明年上半年運往文昌開始發射前的合練工作並在兩年後實施首飛。

圖為正在天津總裝廠房的長征五號火箭

三月初春，長征三號丙和遠征一號發射成功的消息給今年的中國航天帶來了喜慶的氣氛。我在此也祝賀我國航天人“開門大吉”！就如同“遠征一號”這個名字一樣，中國航天又一次踏上了新的征程，我們可以預料到路途上的艱辛。克無論如何，我們還是應該祝願，在這個航天發射的“大年”裏，中國航天能再接再厲，為大家帶來新的驚喜，從勝利走向新的勝利！