周佑君，葉成敏

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

上面級(jí)是一種由運(yùn)載火箭基礎(chǔ)級(jí)發(fā)射進(jìn)入地球軌道或準(zhǔn)地球軌道，能夠進(jìn)一步將有效載荷從地球軌道或準(zhǔn)地球軌道送入預(yù)定軌道或預(yù)定空間位置的具有獨(dú)立自主性的飛行器，一般具有多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌、自主飛行、多任務(wù)適應(yīng)等特點(diǎn)，能夠完成軌道轉(zhuǎn)移、軌道部署等任務(wù)[1-2]。

2015年3月30日21時(shí)52分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)丙/遠(yuǎn)征一號(hào)運(yùn)載火箭，成功發(fā)射北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第17顆衛(wèi)星——北斗三號(hào)系統(tǒng)首顆衛(wèi)星。31日凌晨，經(jīng)過(guò)近6 h的飛行，遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)與衛(wèi)星成功分離，將衛(wèi)星直接送入傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Orbit， IGSO)，這是我國(guó)首次采用上面級(jí)直接入軌發(fā)射技術(shù)發(fā)射中高軌衛(wèi)星。同年7月25日，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭搭配遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)以一箭雙星方式將第18、第19顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，進(jìn)一步確定了運(yùn)載火箭搭配遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)一箭雙星直接入軌發(fā)射成為北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程的主要發(fā)射方式。2019年12月16日，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭搭配遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)以一箭雙星方式將第52、第53顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，圓滿完成北斗三號(hào)核心星座組網(wǎng)建設(shè)任務(wù)[3]。

本文回顧與分析遠(yuǎn)征上面級(jí)研制技術(shù)發(fā)展歷程，提出我國(guó)上面級(jí)后續(xù)發(fā)展設(shè)想。

1 技術(shù)發(fā)展背景

20世紀(jì)50年代，以美國(guó)和蘇聯(lián)為代表的世界航天強(qiáng)國(guó)開始了上面級(jí)的研究和發(fā)展，先后研制出了數(shù)十種類型各異、功能多樣的上面級(jí)，以滿足多種航天任務(wù)需要。其中，以美國(guó)阿金納、半人馬座、慣性上面級(jí)，蘇聯(lián)Fregat、微風(fēng)上面級(jí)以及歐洲阿里安5上面級(jí)、織女火箭上面級(jí)為典型代表[2]。

中國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，先后成功研制了長(zhǎng)征二號(hào)丙/FP、SM、SMA固體上面級(jí)，并在多次飛行任務(wù)中得到成功應(yīng)用，奠定了上面級(jí)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但由于早期的上面級(jí)均是針對(duì)專項(xiàng)工程研制，多采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)，不具備多次起動(dòng)能力，其應(yīng)用有局限性。依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程，2009年，中國(guó)開始了支持直接入軌發(fā)射中高軌衛(wèi)星的新一代常規(guī)液體上面級(jí)技術(shù)研究[3]。

2 上面級(jí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

上面級(jí)是一種軌道轉(zhuǎn)移飛行器，任務(wù)性質(zhì)介于運(yùn)載器與航天器之間，兼具運(yùn)載器與航天器的技術(shù)特點(diǎn)。采用“基礎(chǔ)級(jí)火箭+上面級(jí)”的組合發(fā)射方式，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：

(1)提供一種靈活的進(jìn)入空間實(shí)施方案

一方面，可以將有效載荷直接送入中、高軌工作軌道，簡(jiǎn)化航天器入軌程序，減輕地面測(cè)控壓力；另一方面，可以一次發(fā)射多種有效載荷，實(shí)現(xiàn)快速軌道部署。

(2)充分拓展利用運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力

可最大程度發(fā)揮基礎(chǔ)級(jí)火箭的運(yùn)載能力，在滿足主發(fā)射任務(wù)前提下，可充分利用富余能力實(shí)現(xiàn)其他有效載荷的組合發(fā)射，特別是對(duì)大、中型運(yùn)載火箭優(yōu)勢(shì)明顯。

(3)提高發(fā)射效率，降低任務(wù)成本

一箭多星發(fā)射方式可有效提高發(fā)射效率，減少發(fā)射組織次數(shù)，降低任務(wù)成本，滿足日益增長(zhǎng)的航天高密度發(fā)射需求。

(4)為在軌應(yīng)用提供一種靈活和低成本的通用平臺(tái)

上面級(jí)具有長(zhǎng)期在軌工作能力，可以為有效載荷提供能源、控制、數(shù)傳等基礎(chǔ)服務(wù)。相對(duì)于航天器，上面級(jí)成本較低，軌道機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，可作為空間技術(shù)試驗(yàn)的通用平臺(tái)，也可拓展在軌服務(wù)。

3 上面級(jí)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 中高軌直接入軌軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

被直接入軌發(fā)射進(jìn)入中高軌道的航天器一般不具備大范圍軌道調(diào)整能力，通過(guò)上面級(jí)將航天器直接送入目標(biāo)軌道，其軌道精確設(shè)計(jì)是高精度入軌的基礎(chǔ)。上面級(jí)自主在軌飛行數(shù)小時(shí)，測(cè)控需求、空間熱防護(hù)等均對(duì)軌道設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的約束。近年來(lái)，研究滿足多種約束條件的直接入軌軌道設(shè)計(jì)技術(shù)成果豐碩。王傳魁等[4]研究了基于上面級(jí)快速定點(diǎn)發(fā)射地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星軌道方案，給出了GEO 衛(wèi)星定點(diǎn)調(diào)相設(shè)計(jì)方法和數(shù)值仿真分析結(jié)果，可簡(jiǎn)化地球靜止軌道發(fā)射過(guò)程和大幅縮短靜止軌道定點(diǎn)發(fā)射時(shí)間，將衛(wèi)星自身攜帶變軌發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料間接入軌和定點(diǎn)所需的6～12 d縮短至2 d以內(nèi)。周文勇等[5]研究了上面級(jí)對(duì)發(fā)射窗口的約束問(wèn)題，將發(fā)射窗口計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)換為飛行姿態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)搜索與解算上面級(jí)飛行姿態(tài)來(lái)滿足長(zhǎng)時(shí)間滑行期間的熱控、地面測(cè)控等多種約束條件，為工程實(shí)際應(yīng)用提供重要參考。

3.2 高可靠的長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)

上面級(jí)在軌飛行時(shí)間相比火箭的幾十分鐘延長(zhǎng)至數(shù)小時(shí)，純慣性導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累積，難以滿足長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航精度要求，且飛行高度從幾百千米至幾萬(wàn)千米，衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)法全程使用；上面級(jí)軌道轉(zhuǎn)移對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，無(wú)法像航天器似的通過(guò)地面多圈測(cè)量實(shí)現(xiàn)精確定軌；在遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌時(shí)，需克服長(zhǎng)時(shí)間滑行累積的軌道偏差，完成大范圍軌道轉(zhuǎn)移并實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)軌道約束條件的控制。為滿足長(zhǎng)時(shí)間自主工作、高精度入軌的需求，需采用多模式組合復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)航控制技術(shù)[6]，涉及復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)、大范圍軌道機(jī)動(dòng)的制導(dǎo)律、慣性組合累積誤差修正技術(shù)等方面。李超兵等[7]研究提出一種K矢量查找算法與星棱錐快速星圖匹配算法矢量，解決了星光導(dǎo)航中的星圖匹配算法問(wèn)題。張利賓等[8]針對(duì)組合方案開展研究，提出了慣性/星敏感器/地球敏感器的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并通過(guò)星敏感器在回路中的半物理仿真實(shí)驗(yàn)證明慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案的可行性與正確性。針對(duì)轉(zhuǎn)移軌道中途修正時(shí)機(jī)問(wèn)題，張利賓等[9]設(shè)計(jì)了一種基于NSGA-II的中途修正時(shí)機(jī)優(yōu)化算法，基于上面級(jí)運(yùn)動(dòng)方程和Lambert 遠(yuǎn)程變軌，通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了中途修正的必要性，確定了修正策略，并證明該算法中途修正效果很好。

為提高直接入軌發(fā)射任務(wù)的可靠性，在自主飛行控制基礎(chǔ)上通過(guò)上行遙控功能將自主控制和地面指令上行有機(jī)結(jié)合，使得上面級(jí)具備軌道重規(guī)劃和上行指令修正導(dǎo)航參數(shù)功能，可大大增強(qiáng)應(yīng)對(duì)火箭及上面級(jí)故障的能力，較長(zhǎng)的無(wú)動(dòng)力滑行段為地面實(shí)施指令注入提供了操作窗口。當(dāng)出現(xiàn)火箭入軌偏差大幅超差時(shí)，可在地面上傳重新規(guī)劃的變軌諸元，上面級(jí)攜衛(wèi)星沿著新的軌道飛行，可再次確保衛(wèi)星精確入軌或盡可能減小衛(wèi)星入軌偏差。當(dāng)上面級(jí)自主導(dǎo)航出現(xiàn)故障時(shí)，上行地面測(cè)定軌數(shù)據(jù)可對(duì)自主導(dǎo)航參數(shù)修正，仍可保障衛(wèi)星入軌精度。王傳魁等[10]研究了應(yīng)對(duì)火箭入軌大偏差情況下軌道在線規(guī)劃策略，制定了規(guī)劃依據(jù)和方法并經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真證明策略有效。黃普等[11]提出一種基于改進(jìn)微分進(jìn)化算法的軌道規(guī)劃方法，將軌道規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多約束軌道優(yōu)化問(wèn)題并設(shè)計(jì)了多約束優(yōu)化模型，以滿足衛(wèi)星半長(zhǎng)軸及軌道傾角的工程需求，通過(guò)改進(jìn)的微分進(jìn)化算法求解最優(yōu)解解決上面級(jí)機(jī)動(dòng)軌道重規(guī)劃問(wèn)題。

3.3 推進(jìn)劑管理及并聯(lián)貯箱均衡輸送技術(shù)

上面級(jí)一般采用4個(gè)貯箱兩兩并聯(lián)的構(gòu)型為發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)推進(jìn)劑，因并聯(lián)分支輸送系統(tǒng)布局復(fù)雜、流阻差異大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作段推進(jìn)劑消耗不均衡，會(huì)造成飛行過(guò)程中較大的質(zhì)心偏移，從而降低姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制力裕度,增加姿控推進(jìn)劑的消耗量。再者，當(dāng)供應(yīng)主動(dòng)力的某一個(gè)貯箱推進(jìn)劑提前耗盡時(shí)，其他貯箱剩余的推進(jìn)劑將無(wú)法繼續(xù)使用，會(huì)增加推進(jìn)劑不可用量，同時(shí)輸送系統(tǒng)無(wú)法保證為發(fā)動(dòng)機(jī)提供純液相的推進(jìn)劑，夾氣的推進(jìn)劑輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)可能造成起動(dòng)時(shí)渦輪泵汽蝕，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。且上述影響均會(huì)損失運(yùn)載能力。

為此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般工程上使用2種方法抑制消耗不均衡現(xiàn)象：1)將兩分支管路的流體阻力特性進(jìn)行匹配，采用汽蝕管、孔板等方式，盡量減少兩分支的流體阻力特性差異；2)在并聯(lián)貯箱間增加一個(gè)連通管路，用于平衡推進(jìn)劑消耗過(guò)程中并聯(lián)貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑。針對(duì)這兩類方法，國(guó)內(nèi)開展了較多的仿真分析及地面原理性試驗(yàn)研究，基于連通管的均衡輸送方案推進(jìn)劑不可用量及質(zhì)心偏移變化最小且有利于工程實(shí)現(xiàn)[12]。

長(zhǎng)時(shí)間在軌工作期間，需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的在軌滑行和主發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)。在空間微重力條件下，需對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行管理，確保長(zhǎng)時(shí)間滑行后主發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)時(shí)輸送系統(tǒng)為其提供不夾氣的推進(jìn)劑。因貯箱尺寸較大，推進(jìn)劑質(zhì)量大，發(fā)動(dòng)機(jī)流量大，膜片、囊式貯箱和衛(wèi)星常用的表面張力貯箱等推進(jìn)劑管理方案不適用，火箭末級(jí)常用的連續(xù)沉底方法則消耗推進(jìn)劑較多，不適于長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)、數(shù)天的滑行任務(wù)。推進(jìn)劑管理問(wèn)題需從長(zhǎng)時(shí)間滑行、大流量泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)、多次起動(dòng)等特點(diǎn)，研究貯箱內(nèi)液體重定位規(guī)律、優(yōu)化推進(jìn)劑沉底程序，研究推進(jìn)劑蓄流、防旋、防塌設(shè)計(jì)，推進(jìn)劑管理裝置，落塔試驗(yàn)等多方面問(wèn)題。劉楨等[13]研究分析了正推沉底和正推重定位沉底兩種不同管理形式以及應(yīng)用范圍。鄧新宇等[14]研究表明,間歇式沉底推進(jìn)劑管理方法更適用于在軌數(shù)小時(shí)、啟動(dòng)次數(shù)2次或幾次的動(dòng)力系統(tǒng)，重點(diǎn)在于選擇沉底發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和工作時(shí)間。通過(guò)推進(jìn)劑重定位數(shù)值仿真可優(yōu)化設(shè)計(jì)推力時(shí)序[15]，結(jié)合在貯箱出口設(shè)置局部蓄留的推進(jìn)劑管理裝置(PMD)，利用表面張力保證貯箱出口始終留存一部分推進(jìn)劑，確保無(wú)動(dòng)力滑行段氣體不進(jìn)入輸送管路。啟動(dòng)次數(shù)大于2次甚至達(dá)到數(shù)十次的長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)宜采用可充填的啟動(dòng)籃管理裝置方案，取消推進(jìn)劑沉底系統(tǒng)，簡(jiǎn)化動(dòng)力工作時(shí)序，節(jié)省沉底用量[16]。

3.4 空間環(huán)境適應(yīng)性防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

上面級(jí)在軌飛行時(shí)間數(shù)小時(shí)至數(shù)天，任務(wù)軌道高帶來(lái)的力、熱、空間粒子等空間環(huán)境比火箭更復(fù)雜、惡劣，但又有別于在軌數(shù)年的航天器。發(fā)射中上面級(jí)位于航天器與火箭之間，肩負(fù)著“承載、運(yùn)輸和軌道部署”的多重功能，力學(xué)環(huán)境改變，其環(huán)境舒適性直接影響火箭及航天器飛行安全以及上面級(jí)功能實(shí)現(xiàn)。深入研究新環(huán)境，開展適應(yīng)性分析與設(shè)計(jì)，制定適合上面級(jí)的空間防護(hù)和熱控制方案、開展精細(xì)的力學(xué)環(huán)境分析與預(yù)示是必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。

上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)管路外露，雙組元推進(jìn)劑溫差控制要求高；儀器設(shè)備功耗大且安裝板不直接朝向空間，散熱困難；泵壓發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入式安裝，工作時(shí)間長(zhǎng)，熱環(huán)境嚴(yán)酷，需從熱環(huán)境分析、熱設(shè)計(jì)、熱試驗(yàn)、熱防護(hù)材料應(yīng)用、工藝實(shí)施等多方面研究適合上面級(jí)這類軌道轉(zhuǎn)移飛行器的熱控技術(shù)。通過(guò)分析其發(fā)射軌道的輻射外熱流變化規(guī)律，楊煒平等[17]采用對(duì)太陽(yáng)定姿且繞箭體縱軸慢旋的策略可改善飛行熱環(huán)境，可簡(jiǎn)化衛(wèi)星和上面級(jí)的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。泵壓式多次起動(dòng)空間發(fā)動(dòng)機(jī)的熱控問(wèn)題也是難點(diǎn)之一，其被動(dòng)熱控與主動(dòng)電加熱措施相結(jié)合的熱控方案及其熱分析建模方法、熱平衡試驗(yàn)方法等多有研究與突破[18- 20]。針對(duì)該新領(lǐng)域，朱尚龍等[21]探索了上面級(jí)熱控系統(tǒng)研制流程的優(yōu)化問(wèn)題與實(shí)踐，為工程實(shí)踐提供了參考。李德富等[22-24]對(duì)多層隔熱材料傳熱特性、涂層的物性等均有不少研究成果，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

地球輻射帶內(nèi)的空間環(huán)境對(duì)空間飛行器電子電氣系統(tǒng)的影響較大，特別對(duì)各類數(shù)字芯片的影響不可忽略，上面級(jí)軌道跨越內(nèi)外高能輻射帶，涉及空間粒子環(huán)境分析、電氣系統(tǒng)抗粒子輻射研究、電子設(shè)備加固技術(shù)、電氣系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)等多種技術(shù)研究。結(jié)合飛行特點(diǎn)，采用冗余設(shè)計(jì)、軟件重構(gòu)、適當(dāng)提高元器件等級(jí)等多種措施相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。針對(duì)飛行過(guò)程強(qiáng)自主的要求，關(guān)鍵電氣設(shè)備如三冗余箭載計(jì)算機(jī)具備自主斷電重啟功能，可以在發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定時(shí)將發(fā)生故障的CPU斷電重新啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)軟硬件同步，保證控制系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)特殊的并聯(lián)構(gòu)型及力學(xué)環(huán)境，林宏等[25-26]對(duì)并聯(lián)懸掛貯箱進(jìn)行了建模方法研究，并對(duì)適應(yīng)不同基礎(chǔ)級(jí)火箭飛行過(guò)程中的激勵(lì)特性、不同發(fā)射任務(wù)中衛(wèi)星質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)特性差異、空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)模擬等問(wèn)題開展精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)、試驗(yàn)工作，獲取了精細(xì)化力學(xué)試驗(yàn)條件制定方法、液體晃動(dòng)參數(shù)仿真及計(jì)算修正方法、多分支結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、力學(xué)環(huán)境減緩技術(shù)。

3.5 多次起動(dòng)常規(guī)液體空間發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

為使上面級(jí)具備強(qiáng)的軌道機(jī)動(dòng)能力和多任務(wù)適應(yīng)性，突破多次起動(dòng)的液體空間發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，多次起動(dòng)、比沖高、工作時(shí)間長(zhǎng)、高可靠等性能是這類發(fā)動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn),也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案論證分析時(shí)需重點(diǎn)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑種類、供應(yīng)系統(tǒng)、啟動(dòng)方式、增壓方式等方面內(nèi)容[27]。

發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位對(duì)多種啟動(dòng)方式、起動(dòng)過(guò)程、性能精度控制等均有所研究[27-30]。擠壓推進(jìn)劑自燃有自身起動(dòng)、火藥啟動(dòng)器起動(dòng)、起動(dòng)箱起動(dòng)等多種方式，自身起動(dòng)簡(jiǎn)單但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器在低噴注壓降及室壓下的可靠性要求高；火藥啟動(dòng)器起動(dòng)方式不宜大于3次；起動(dòng)箱起動(dòng)適用于大于3次起動(dòng)。性能精度控制是空間發(fā)動(dòng)機(jī)的難點(diǎn)之一，研究表明[30]泵壓式空間發(fā)動(dòng)機(jī)性能精度干擾因素多達(dá)27項(xiàng)，且最多只能出現(xiàn)10項(xiàng)一致性偏差；控制每項(xiàng)干擾因素偏差不大于0.5%，才可確保發(fā)動(dòng)機(jī)總性能偏差不大于5%。

3.6 基于測(cè)控?cái)?shù)傳一體化的遠(yuǎn)距離高碼率測(cè)控技術(shù)

高軌道直接入軌任務(wù)要求上面級(jí)在現(xiàn)有測(cè)控網(wǎng)條件下必須具備40 000 km遠(yuǎn)距離軌道跟蹤、無(wú)線信號(hào)傳輸能力且滿足遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸碼速率全程不低于1 Mbps的大容量需求。運(yùn)載火箭基礎(chǔ)級(jí)、上面級(jí)、多顆衛(wèi)星的測(cè)控需求勢(shì)必帶來(lái)頻率資源緊張的問(wèn)題，大系統(tǒng)相互之間的電磁兼容性問(wèn)題也不容忽視。通過(guò)采用測(cè)控?cái)?shù)傳一體化體制，高度集成實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙控、測(cè)距和測(cè)速功能一體化，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成，可有效減少設(shè)備種類、體積、功耗和成本。采用非相干擴(kuò)頻技術(shù)，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾和抗截獲能力，可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)同一點(diǎn)頻同時(shí)工作，提高頻譜利用率，解決上面級(jí)與其他工程系統(tǒng)之間點(diǎn)頻分配緊張問(wèn)題，以及無(wú)線設(shè)備之間的電磁兼容問(wèn)題。基于遙測(cè)天線相位延時(shí)及TURBO信道編碼技術(shù)、智能變幀技術(shù)等技術(shù)可有效、靈活地滿足測(cè)控距離遠(yuǎn)、高碼率的數(shù)傳需求。

3.7 輕質(zhì)高剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

作為需進(jìn)入空間軌道的上面級(jí)，追求其質(zhì)量最小化且結(jié)構(gòu)剛度高、與衛(wèi)星組合后的整流罩內(nèi)組合體頻率不能低于火箭指標(biāo)要求是上面級(jí)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，因此輕質(zhì)高剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)便是上面級(jí)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。帶十字形柵格板的上面級(jí)儀器艙結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)貯箱并聯(lián)，解決在有限高度內(nèi)推進(jìn)劑質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)懸臂長(zhǎng)的技術(shù)難題，滿足外包絡(luò)并保證了整體高剛度；以殼梁組合式外支撐構(gòu)型的多星分配器形式可解決星箭轉(zhuǎn)換部段對(duì)組合體頻率衰減大的難題，上面級(jí)/衛(wèi)星組合體頻率滿足火箭要求；桿系、骨架與多層復(fù)合結(jié)構(gòu)相結(jié)合的輕質(zhì)、高剛度的隔熱罩結(jié)構(gòu)，解決了內(nèi)嵌式主發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生的熱防護(hù)問(wèn)題[31]。

3.8 低沖擊高可靠多星分離技術(shù)

直接入軌一箭多星發(fā)射方式要求上面級(jí)具備多星發(fā)射分離能力，分離系統(tǒng)高可靠、為衛(wèi)星提供較低的分離沖擊環(huán)境，必須突破上面級(jí)低沖擊高可靠多星分離技術(shù)。近年來(lái)的研究表明，攻克的技術(shù)涉及多個(gè)方面：多星布局和分離方式設(shè)計(jì)，多星分離仿真預(yù)示，多星運(yùn)動(dòng)間隙控制，多星地面分離試驗(yàn)等技術(shù)，以及連接解鎖裝置的高效緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，浮動(dòng)式壓環(huán)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)沖擊測(cè)試，多因素耦合沖擊源解構(gòu)測(cè)試與分析，二硫化鉬固體潤(rùn)滑涂層制備工藝等。

4 遠(yuǎn)征上面級(jí)發(fā)展現(xiàn)狀

在北斗工程的牽引下，中國(guó)發(fā)展研制了遠(yuǎn)征一號(hào)、遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)[3,32-33]。遠(yuǎn)征一號(hào)是遠(yuǎn)征系列的基本型，遠(yuǎn)征二號(hào)是增強(qiáng)型，在軌時(shí)間幾小時(shí)、起動(dòng)次數(shù)2次。遠(yuǎn)征一號(hào)甲在遠(yuǎn)征一號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間在軌和多次起動(dòng)改進(jìn)，起動(dòng)次數(shù)達(dá)數(shù)十次，作為空間在軌試驗(yàn)平臺(tái)，已成功將多種載荷送入異面軌道，實(shí)現(xiàn)了能力升級(jí)。遠(yuǎn)征一號(hào)S商用型以及遠(yuǎn)征三號(hào)上面級(jí)均是為滿足不同的中低軌道多星發(fā)射任務(wù)需求而研制的，目前均已完成首飛。

國(guó)內(nèi)近10年來(lái)上面級(jí)技術(shù)發(fā)展表明，這一代上面級(jí)均采用可貯存液體推進(jìn)劑動(dòng)力，機(jī)動(dòng)能力增強(qiáng)，起動(dòng)次數(shù)增多，在軌時(shí)間更長(zhǎng)；具有一定的通用性，與長(zhǎng)征系列各構(gòu)型運(yùn)載火箭組合可執(zhí)行低/中/高軌道直接入軌、多星發(fā)射、軌道轉(zhuǎn)移、共面/異面軌道部署等多種類型航天任務(wù)，累計(jì)發(fā)射近20次，將40余顆大型航天器精準(zhǔn)送入中軌道(Medium Earth Orbit, MEO)、地球同步軌道(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)、太陽(yáng)同步軌道(Sun-Synchronous Orbit, SSO)、再入軌道等多種空間軌道，實(shí)現(xiàn)了空間運(yùn)輸系統(tǒng)跨越式發(fā)展。但同時(shí)在結(jié)構(gòu)效率、自主任務(wù)規(guī)劃、集成化設(shè)計(jì)方面還略顯不足，應(yīng)對(duì)未來(lái)重載高效的深空運(yùn)輸服務(wù)和星際航行等方面能力還有所欠缺，需要繼續(xù)提升。

5 我國(guó)上面級(jí)后續(xù)發(fā)展的啟示

縱觀技術(shù)發(fā)展歷程，上面級(jí)技術(shù)發(fā)展存在3條主脈絡(luò)：

1)從任務(wù)特點(diǎn)上看，上面級(jí)逐步向通用化、模塊化、智能化以及可留軌應(yīng)用的多任務(wù)空間平臺(tái)方向發(fā)展；

2)從在軌時(shí)間上看，在軌時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，從目前的數(shù)小時(shí)及數(shù)天，未來(lái)將逐步突破數(shù)十天、半年以上在軌；

3)從動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)看，從早期的固體動(dòng)力到可貯存液體動(dòng)力，后續(xù)將進(jìn)一步發(fā)展氫氧、液氧煤油等高能動(dòng)力，遠(yuǎn)期則向電推進(jìn)、核推進(jìn)等先進(jìn)動(dòng)力方向發(fā)展。

結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)市場(chǎng)需求，我國(guó)上面級(jí)后續(xù)可向以下幾方面發(fā)展:

(1)發(fā)展智能化、通用化上面級(jí)，滿足未來(lái)航天運(yùn)輸超高密度、多樣化市場(chǎng)需求

未來(lái)衛(wèi)星市場(chǎng)將呈現(xiàn)“單星越來(lái)越重”和“小星越來(lái)越多”兩個(gè)變化趨勢(shì)，衛(wèi)星直接入軌、軌道部署和各種空間任務(wù)需求旺盛，對(duì)上面級(jí)與不同運(yùn)載火箭組合的通用化提出了快速響應(yīng)的發(fā)射要求；復(fù)雜多樣的任務(wù)需求對(duì)上面級(jí)智能化和故障適應(yīng)性提出了較高的要求。針對(duì)異常飛行情況，上面級(jí)通過(guò)在軌故障檢測(cè)、智能處理、軌道重構(gòu)進(jìn)行飛行任務(wù)自主調(diào)整，增強(qiáng)故障適應(yīng)性，提高任務(wù)可靠性。在遠(yuǎn)征系列上面級(jí)已有技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)品化研制模式，解決通用接口設(shè)計(jì)、小型集成化智能化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展智能化、通用化上面級(jí)以滿足未來(lái)市場(chǎng)需求。

(2)加速發(fā)展低溫上面級(jí)，構(gòu)建能力覆蓋全面、組合靈活多樣的上面級(jí)型譜

低溫上面級(jí)以其高比沖、高C3性能受到各航天大國(guó)的青睞，未來(lái)深空探測(cè)、星際航行等航天任務(wù)需要高能動(dòng)力、在軌時(shí)間長(zhǎng)的上面級(jí)。在通用化、模塊化的前提下，建議與我國(guó)運(yùn)載火箭同步開展型譜規(guī)劃，完善常溫上面級(jí)型譜，加速研制低溫上面級(jí)、先進(jìn)動(dòng)力上面級(jí)，實(shí)現(xiàn)種類多樣、高/中/低檔搭配，達(dá)到能力覆蓋全面、發(fā)射經(jīng)濟(jì)效益最大化。

(3)與商業(yè)航天結(jié)合，拓展發(fā)展留軌再利用的多功能空間試驗(yàn)平臺(tái)

開發(fā)再利用上面級(jí)留軌資源，對(duì)空間進(jìn)入能力的再開發(fā)、空間資源的再利用，是未來(lái)空間技術(shù)驗(yàn)證、空間貨運(yùn)的新途徑，此種方式具有不新增航天發(fā)射、不產(chǎn)生太空垃圾、不額外占據(jù)軌位資源等優(yōu)勢(shì)，也是吸引商業(yè)航天的最佳切入點(diǎn)。建議對(duì)留軌上面級(jí)開發(fā)再利用、變廢為寶，以元器件在軌試驗(yàn)搭載、載荷空間技術(shù)驗(yàn)證、空間擺渡運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用為拓展途徑，發(fā)展多功能空間試驗(yàn)平臺(tái)。

6 結(jié)論

上面級(jí)在航天運(yùn)輸系統(tǒng)中具有極其重要的作用和特殊的地位，我國(guó)近年來(lái)上面級(jí)技術(shù)發(fā)展迅猛,已躋身國(guó)際先進(jìn)行列，成績(jī)喜人。后續(xù)還需加大投入,突破并掌握未來(lái)發(fā)展所需的核心技術(shù)，持續(xù)不斷地推陳出新，研制既能滿足國(guó)家需求又具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的系列化產(chǎn)品。