上面级技术的前世今生

作者:上海市宇航学会 原创作者:太空探索 2016-01-22 00:00
       2015年中国的首次航天发射,长征三号丙运载火箭承载着“远征一号”上面级和第17颗北斗导航卫星从西昌卫星发射中心升空。与以往不同,这颗北斗试验卫星并不是被送到大椭圆轨道后再利用自身的推进系统进行轨道圆化,而是由长征火箭将卫星∕上面级组合体送入大椭圆轨道后,利用上面级的发动机直接将卫星送入最终运行轨道。
       常规的运载火箭可以将有效载荷送入低地球轨道,也就是距离地面高度大约在1000千米以下的轨道。常规的液体运载火箭级数一般为2级~3级,固体火箭为3级~4级。我国目前使用的长征三号丙、长征二号丁和长征二号F以及长征四号乙,就属于这一类型。
       从飞行力学或弹道学的角度来说,这些常规的运载火箭在将载荷发射到不同的运行轨道时,最主要的可调参数包括射向、飞行程序角和发射时刻。通俗地来说,射向也就是火箭发射时飞行轨迹所在平面的方向,飞行程序角就是火箭纵轴与起飞时水平面的夹角随时间的变化曲线。通过射向的调整,可以决定最终卫星的轨道倾角,通过飞行程序角的调整,可以决定最终卫星的轨道高度和椭圆轨道的偏心率,再加上对发射时刻的调整,就可以决定卫星所在的轨道面和相位等参数。
       由于运载火箭的名子级一般都是连续工作的,因此通过程序角的调整可实现的轨道高度和轨道偏心率范围有限。若运载火箭的级数再增加,或采用末子级二次点火的技术,就可以将载荷送入更高的轨道或大椭圆轨道。我国用于发射地球同步轨道卫星和嫦娥月球探测器的长征三号甲系列运载火箭,由于采用液氢液氧推进剂的第三级具备二次启动能力,就是具备这类发射能力的火箭。而长征四号系列中的长征四号丙运载火箭,虽然第三级采用的是常温推进剂,但由于第三级具备二次启动能力,因此也具备类似的功能。对于不具备二次启动能力的运载火箭,就要靠增加子级的数量,并利用各子级工作之间的时段滑行,才能实现类似的功能,效率就低多了。
       事实上,很多上面级的研制是为了能够在较短的时间内,使现有的火箭型号扩大其任务能力范围。从能量分配来说,这其实是不经济的。因为原来的火箭已经有了自己的计算机、控制系统、导航设备、供电和测控设备,而在成熟火箭上增加新的子级,实际上等于有了双倍的计算机、控制系统、导航设备、供电和测控设备。尽管在能量上不合算,但从整个火箭系列的角度,以及短期内适应新任务的角度来说,增加一个上面级仍然是合适的选择是。
       我国其实早在上世纪九十年代就曾经研制过固体上面级。当时我国的长征二号E运载火箭,只能将载荷送入低地球轨道,为配合国外卫星的商业发射,由航天六院研制了固体上面级EPKM。后来我国在与欧洲合作执行“双星”计划任务时,由于要将两颗卫星分别送入近赤道和极轨的大椭圆轨道,而所选择的运载火箭又是只有两级的长征二号丙,因此也研制了相应的固体上面级,分别实施了两个科学探测卫星的发射任务。用于发射摩托罗拉公司“铱星”系统的长征二号丙,也增加了具有上面级功能的分配器,可以一箭双星方式将两颗“铱星”送入不同的轨道位置。
       固体上面级构造简单,实现比较容易。航天飞机在执行卫星发射任务时也经常使用。很多情况下为了技术上的简化,都采用了自旋稳定的姿态控制方式。这样就省去了复杂的姿态控制系统,只是能够适应的任务范围也非常单一。
       然而,即使具备较多的子级或二次启动能力,对于一些特定的任务来说依然是不够的。尤其是在发射多个栽荷的时候,这种情况尤为突出。由于目前运载火箭研制和发射的费用仍然非常高昂,因此大多数情况下都希望能够充分发挥运载火箭的能力,将尽可能多的载荷发射入轨。如果这些载荷对轨道的要求一致,则可以将它们发射到同一轨道。这样最多只需要研制能够依次释放不同载荷的分配器即可。尽管比发射单个载荷要复杂,但整体来讲没有太大技术难度。
       但如果每个载荷对轨道的要求都不一致,那情况就完全不同了。因为常规的运载火箭是依靠一次性电源供电的,即使推进剂足够,也不可能在轨道上停留太长的时间。而发射多个不同轨道要求的载荷时,很多情况下需要运载火箭释放一个载荷之后,经过很长的时间才能到达合适的位置,再通过变轨进入下一个载荷所要求的轨道。
       例如将若干个载荷均匀地布置在同一个轨道面,理论上来讲用同一发运载火箭来发射是很方便的。但需要运载火箭在释放每一个载荷之前和之后分别进行轨道抬升或降低的操作,以便通过轨道周期的差异,“飘”到下一个载荷要求的位置。而轨道动力学的特点决定了这个过程所要求的时间越短,推进剂的消耗量就越大。因此,很多情况下希望用较长的时间,消耗较少的推进剂来实现这一过程。
       在这样的要求下,常规的运载火箭就无能为力了。即使具备二次或更多的启动次数,供电能力也无法支持火箭末子级在轨工作这么长时间。因此,研制能够多次启动,且可以数小时乃至数天在轨停留的上面级,就成为适应这类任务需求的最佳选择。
       采用液体动力系统的上面级,因为具有多次启动能力,能够适应多个载荷的发射任务。这种类型的上面级虽然可看作运载火箭的扩展,但所采用的技术与运载火箭还是有很大区别的。由于上面级需要长期在轨停留且多次启动,因此其液体推进系统通常采用“挤压式”系统,也就是利用气瓶中高压气体的压力将推进剂挤入燃烧室燃烧。气瓶和推进剂贮箱中的压力都比燃烧室的压力要高。而运载火箭由于储箱更大,采用挤压式系统会导致储箱的厚度、质量更大,因此通常采用的是泵压式系统,也就是贮箱的压力较低,通过泵将推进剂的压力提高,再送入燃烧室燃烧。从这
       从供电系统的角度来看,上面级也与传统的运载火箭有较大差异。对于一般的运载火箭,即使要求具备二次启动能力,从发射地球同步转移轨道卫星的需求来说,半个小时的滑行时间就足够了。采用传统的锌银电池或其它一次性化学电源就可以满足要求。而新型的上面级所要求的在轨时间成倍增加,达到数天至数月的量级,这就需要采用比能量密度更高的锂电池,甚至是太阳能帆板与蓄电池的组合。单就供电而言,上面级其实也更像卫星。
       以往我们发射地球同步轨道卫星或其它高轨道卫星,都是由运载火箭将卫星发射到大椭圆轨道,然后由卫星在远地点变轨,进入圆形的地球同步轨道。这个过程可并不轻松,需要卫星消耗大约自身质量一半的推进剂才能实现。因此我们看到的通信卫星都很大,但留给有效载荷的质量和空间并不多。将卫星的远地点发动机与卫星设计成一体,其实也有“环保”方面的考虑,避免在宝贵的地球同步轨道上留下更多的垃圾。但由于卫星的推进系统都是按照在轨几年甚至十几年的寿命来设计的,虽然从大椭圆轨道变轨到高轨圆轨道,已经消耗了大部分推进剂,但整个推进系统仍需要采用高价值、长寿命的材料来建造,包括卫星热控等方面都必须为这些已经完成使命的部分继续“服务”。整体来看是不经济的。
       用于发射高轨卫星的上面级出现,使得卫星的设计与以往有了很大的不同。例如俄罗斯“质子”火箭使用的“和风”上面级,就可以在将卫星送入地球同步转移轨道后,经过十几个小时之后再次点火,将卫星直接送入地球同步轨道。这样,卫星就可以做到原来的一半大小。这样,利用上面级就有效地减小卫星推进系统的规模,进而使得整星质量减小到原来的一半以下,从而卫星的结构、热控等方面需要付出的资源也相应地减少了,从而在整体上节约成本。在用一发运载火箭发射多颗地球同步轨道卫星时更是如此。而且运送完这些卫星之后,上面级可以自行进入垃圾轨道,不占用宝贵的同步轨道位置资源。
       由于上面级技术极大地拓展了已有运载火箭型号的能力范围,因此包括美国、苏联∕俄罗斯和欧洲、中国等航天大国都在发展上面级技术。当然,采用上面级也不全是好处,因为它毕竟增加了整个火箭的复杂性,增加了任务失败的风险,美国、俄罗斯的火箭上面级都曾多次出现故障而导致飞行任务失败。是否要使用上面级,还是要从控制整个任务的成本、进度与技术风险的角度综合权衡。
       目前美国的“半人马座”等上面级采用了高性能的液氢∕液氧推进系统,但在轨时间有限。在不久的将来,假如液氢∕液氧推进剂的长期储存技术能够得到有效解决,还将出现功能更为的上面级。因为现有的上面级为了实现长期在轨的能力,一般采用常温的可贮存推进剂,氧化剂一般采用四氧化二氮,燃料一般采用一甲基肼、偏二甲胼或无水肼,这类常温推进剂系统的比冲最大也就是330秒多一点,因此变轨能力相对还不是很强。而液氢∕液氧推进系统虽然比差距可以达到400秒以上,但由于液氢的贮存温度太低,长期在轨情况下的热控难度太大,所以到现在都还没有实现。但这类技术一旦突破,意义将是非凡的。例如目前让人类一筹莫展的载人火星登陆任务,如果有了基于液氢∕液氧推进系统的上面级,就可以在近地轨道从容地组装重达数百吨的火星飞船,然后再由这类上面级将其送往火星轨道。
       在更远的未来,人类还可以研制以核反应堆为动力,采用核热推进或核电推进的上面级,虽然其推力比化学火箭发动机要小不少,但由于它的推进系统比部将达到上千秒甚至近万秒,因此其运载能力将比过去的上面级有数量级的增加。这类上面级将能够扮演“太空拖船”的角色,大范围改变太空中卫星的轨道,甚至可以大范围地改变卫星的轨道倾角,卫星的维护与再利用将成为家常便饭。同时,这类上面级也可以使行星际航行变得更加容易,例如载人登陆比火星更远的天体,或建立定期往返于近地空间和火星基地之间运输系统,真正把太阳系变成人类的家园。
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