“长二丙”搭配“远征一号S”的星罩组合体

11月3日15：43，“长征二号丙”运载火箭/“远征一号S”上面级在酒泉卫星发射中心升空，以“一箭双星”的方式将“遥感三十二号”02组2颗卫星顺利送入预定轨道。本次任务是“远征一号S”上面级的第3次发射。

就在3年前的2018年10月9日，“远征一号S”上面级首飞正是与“长二丙”火箭搭档，成功发射“遥感三十二号”01组卫星。那么，这个与运载火箭搭配使用的“远征”上面级是一型什么航天器？具体有什么作用？我国又研发了哪些上面级？

送货上门的太空搬运工

上面级的专业名称为“轨道转移飞行器”，也称为“太空摆渡车”，它是将有效载荷(如卫星)从某个转移轨道，送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立飞行能力的航天运输飞行器。通过上面级，可以将单一卫星送入工作轨道，也可以用一箭多星方式将多颗卫星送入相同轨道或不同轨道。

美国“半人马座”上面级

2009年底，新一代“北斗”导航卫星重大专项工程立项。此后，使用“远征一号”上面级与长三甲系列运载火箭组合实施直接入轨发射被确定为中高轨道卫星发射方案，“远征一号”上面级工程研制正式启动。其实，早在2008年，我国便启动了“远征”上面级的关键技术攻关和工程研制工作[1]。

在此后的7年时间里，研制团队先后突破了热控、长时间自主导航制导、长时间滑行推进剂管理、远距离高码率测控等多项重大关键技术，开展了千余项地面试验，针对长时间在轨飞行经历的空间辐照、空间热环境开展了大量的环境适应设计、分析与验证，采用了百余项新技术以满足长时间在轨任务要求[1]。2015年3月30日，“长三丙”运载火箭搭配首飞的“远征一号”上面级，成功将第17颗“北斗”导航卫星直接送入工作轨道，“远征一号”上面级成功问世！

挖掘火箭潜力的运力倍增器

运载火箭与上面级组合，意味着卫星可以通过上面级直接进入工作轨道，可以极大地节省卫星所携带的燃料，实现卫星小型化、轻型化，延长在轨寿命；另一方面上面级具备多次变轨能力，能够将多星送入不同轨道，适用于快速组网。

俄罗斯“微风M”上面级

通过搭配上面级，可以挖掘火箭搭载潜力，大大提升我国火箭满足不同用户需要的适应性，提高我国火箭在国际发射市场的竞争力。同时，通过搭配上面级还能大幅提升火箭运力。2018年10月9日，“长二丙”火箭搭配“远征一号S”发射“遥感三十二号”01组2颗卫星，火箭700千米太阳同步轨道（SSO）运力由1.2吨提升至2吨，增幅达到67%。

“远征一号S”与“长二丙”首次搭配

未来，我国以“远征”系列为代表的“太空摆渡车”还将在探月、探火等深空探测任务中，在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务方面，以及在新材料、新技术验证等空间试验领域里发挥重要作用。

“长征五号”遥一

能力全面、世界领先的上面级

经过不断发展完善，“远征”火箭上面级已经形成包括“远征一号”、“远征一号甲”、“远征二号”、“远征一号S”、“远征三号”在内的上面级系列，能力全面，运力覆盖范围广。

“远征一号”上面级是基本型上面级，其主直径2.8米，在轨时间约6.5小时，主要针对中高轨直接入轨任务。该上面级虽然只有2次启动能力，但它让卫星从发射到进入工作轨道时间从数天缩短为5个多小时，而且不耗费卫星的燃料[2]。2015年3月30日，“远征一号”搭配“长三乙”火箭运送“北斗”卫星，顺利完成首秀。

“远征一号”示意图

“远征一号甲”上面级，是基于“远征一号”全面升级而来，具备多达20次的启动能力，能够完成不同轨道的多星部署，工作时间在40个小时以上。该上面级具备大范围轨道机动、多载荷轨道部署、开展多项空间试验的能力，被称为“升级版太空摆渡车”。2016年6月25日，“远征一号甲”上面级伴随“长征七号”遥一成功首飞，将包括多用途飞船缩比返回舱在内的5种6个载荷精准送入轨道，还飞出了完美的“太空眼镜蛇”动作，无论是工作时间还是机动性，均达到世界领先水平[2]。

“远征二号”上面级是“远征”系列的放大版，其直径为3.8米，是我国目前规模最大、变轨能力最强的液体动力上面级，配备了两台“远征一号”所使用的发动机，能够执行高轨多星的直接入轨任务，被业界广泛称为“增强型太空摆渡车”[2]。2016年11月3日，“远征二号”上面级搭配“长征五号”遥一首飞运送“实践十七号”卫星，由于火箭芯二级出现异常，致使“远征二号”与“实践十七号”组合体未能进入预定的200 34000千米地球同步转移轨道，仅进入200 29000千米轨道，后由“远征二号”上面级延长一次点火时间，将“实践十七号”顺利送入预定轨道。

搭配“长征五号”遥一的“远征二号”

“远征一号S”上面级是在“远征一号”上面级的基础上改进而来的商业型，发动机型号和台数保持不变，优化了系统，主要针对短时间的飞行任务。“远征一号S”上面级在与基础级分离后，在十几分钟内就能完成整个飞行任务，因此对热防护设计进行了简化处理，取消了不必要的冗余设计，重量和成本也大大降低，在市场竞争中更具优势[2]。

与“远征一号S”第三次搭配的“长二丙”

“远征三号”是中国远征家族的最新成员，不同于“远征一号”与“远征二号”由航天科技集团一院研制，“远征三号”由航天科技集团八院抓总研制。“远征三号”先后突破了全自主高可靠控制技术等多项关键技术，填补国内异轨多星发射部署的空白，达到国际先进水平。“远征三号” 又名“多星发射上面级”，具备20次以上的自主快速轨道机动及部署能力，可以实现连续48小时自主在轨飞行，能实现较大角度的轨道倾斜角调整。2018年12月29日，“长二丁”火箭搭配“远征三号”在酒泉卫星发射中心升空，将2组共7颗卫星分别送入高度相差数百千米的预定轨道上。

“远征三号”展出模型

2019年12月16日，“长三乙”火箭搭配“远征一号”以“一箭双星”的形式将两颗“北斗三号”卫星送入预定轨道，标志着北斗三号工程中地球轨道（MEO）卫星全球组网任务圆满收官。至此，“远征一号”上面级在北斗三号工程发射中圆满完成了12次任务，将24颗MEO轨道卫星准确送入预定轨道，为北斗三号工程组网任务的最终顺利完成奠定了坚实基础。

“北斗”中地球轨道卫星收关

总而言之，“远征”系列上面级其实就是可灵活配置的末级火箭，可以根据需要在不同火箭上进行合理搭配。有了它，可以极大地提高我国运载火箭的任务适应性，实现高、中、低轨道一箭多星直接入轨发射能力全覆盖，并显著提升火箭的现有运力，最终可以增强运载火箭在航天市场的竞争力。

作者：大白高国

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参考资料

[1]部分引自中新网发布https://www.sohu.com/a/360796331_123753

[2]部分引自中国运载火箭技术研究院官网 http://www.calt.com/n482/n875/c12155/content.html