作者简介：叶成敏，中国运载火箭技术研究院上面级副总师，现任C2-3A（前缀“CZ”代表长征）系列和北斗三号工程运载系统副总设计师，主要负责远征系列上面级型号的研制工作，先后从事控制系统总体设计和型号总体设计工作，参与过CZ-2C、CZ-2F、CZ-3A系列，CZ-5等多个型号的研制工作。

太空摆渡车的奥秘

说起摆渡车，相信坐过飞机的同学都不陌生。每架航班都有自己的停靠机位，如果碰上停靠位置离候机厅较远的航班，机场就会安排摆渡车运送乘客。

在太空中，为了把卫星顺利送人预定轨道，也会用到被称为太空摆渡车的上面级。上面级是在基础级火箭上增加的，具有独立控制系统和动力系统的火箭子级。上面级可以帮助卫星“一站式到岗”，它的问世，对中国航天事业起到了很大的促进作用。

2021年12月30日0时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将通信技术试验卫星九号发射升空，圆满完成了长征系列运载火箭2021年发射48次的任务，创造了年度宇航发射总数的历史。

将试验卫星九号直接送人工作轨道的，正是上面级。上面级不仅可以让卫星“到岗”时间从数天缩短为数小时，还能多次点火启动，将一颗或者多颗卫星送人预定轨道。

早期受到点火可靠性、飞行稳定性等因素的制约，火箭很少超过三级，因此其运载能力有限，一般只能将卫星等有效载荷送入绕地飞行的中间轨道。卫星想要到达预定轨道，不仅需要自己“徒步”数天，还存在迷路的风险。为了让卫星“一站式到岗”，上面级应运而生。

上面级究竟是什么？

上面级是在基础级火箭的基础上，增加相对独立的一级。它的主要任务是实行多星的发射和在轨的轨道部署。上面级有一个通俗的称呼——太空摆渡车。当基础级火箭飞到中间轨道后，上面级脱离后继续飞行，把不同的卫星送到最终的轨道上。

在北斗卫星导航系统1期和2期建造期间，火箭发射到中地球轨道的卫星，火箭只能送到近地点200公里，但是距离卫星要达到的远地点2万多或3万多公里的轨道该如何抵达呢？这时卫星需要自带推进系统、推进剂、储能箱。卫星跟火箭分离之后，经过长时间的多次变轨，才能最终进入工作轨道。

但如果有上面级的帮助，卫星就可以被直接送入预定轨道，而且卫星也只要带一个很小的动力系统。这样可以大大简化卫星的设计，对卫星的长时间在轨工作有利。

“远征”系列的名字寓意和成员

东方红卫星、神舟飞船、嫦娥系列飞船、长征运载火箭……中国航天器的名字，不仅巧妙地契合了自身功能，也体现着中华民族的文化内涵。因此上面级也有名字，而且它和其他航天器一样有着自己的家族。

那么，上面级的名字有什么寓意？它的家族又有哪些成员呢？

上面级的命名，科学家们有过很多讨论。龙乐豪院士曾说： “上面级是在火箭的基础上确保能够飞得更远……”所以，在“长征火箭”名字的基础上，上面级被命名为“远征”，这也意味着“远征”与“长征火箭”是一脉相承的。

目前，远征系列有远征一号——基本型、远征一号甲——升级版、远征二号——增强版和远征一号S-商业版。商业版是为了针对短时间飞行任务，进一步提高经济性的构型，成本、重量大大降低。这四款航天器已经一共发射了十几次，全部取得圆满成功。

远征上面级面临的难题

与其他航天器相比，上面级算是一款全新的产品。在没有太多经验可以借鉴的情况下，专家们是如何开展研究的？研究过程中碰到了哪些技术难点？

上面级的箭机是目前我国运载火箭系统里最先进的，相对于基础型火箭，有三个主要难点需要克服。

一是长时间在轨时火箭推进剂的管理。由于太空中没有重力，加上长时间在太空运行，推进剂就会飘浮起来。一旦飘浮起来，推进剂气体就有可能进到管道里，发动机就会出现故障。所以，要确保发动机不夹气，这是非常关键的一个技术难题。

二是长时间在轨的温度控制。上面级的温度控制和卫星的温度控制是不一样的，卫星因为飞行时间更长，温度是一个平衡稳定的状态，所以控制相对简单;上面级因为飞行的时间不够长，所以是一种瞬态的温度控制。上面级没有采用卫星的复杂技术，而是采用了更加经济性的措施，来保证上面级在变轨过程中温度等方面的要求。

三是應对故障的方式。上面级和卫星在飞行时间上有差别，导致出现故障时的应对方式也不太一样。卫星有比较多的机会、时间来进行故障处理，而上面级一旦发生故障，可能来不及处理。所以上面级更多是依靠自身的稳定性能，从根本上避免故障的发生。

相辅相成的“远征”和“北斗”

同学们在电视新闻上看到的“北斗导航”，是我国自主研制的全球卫星导航系统，也是继CPS——美国研发的全球定位系统、GLONASS——俄罗斯研发的全球卫星导航系统之后，第三个成熟的卫星导航系统。它不仅让我们摆脱了过度依赖国外导航的困境，也为推动我国信息化建设提供了重要保证。而把北斗卫星送入太空工作岗位的，正是我们的远征家族上面级。它们把不同的“卫星乘客”，直接送入各自的工作轨道，并且大大地缩短了飞行时间。

那么，上面级和北斗卫星到底是何种关系？

可以说，远征上面级就是为“北斗”而生的。因为北斗一号、北斗三号立项时，促成了远征上面级项目的建立。同时，远征上面级和北斗卫星也是一个相互促进的关系。上面级改变了北斗工程的计划走向，比如，在北斗试验工程立项的时候，有一个IGSO（倾斜地球同步轨道）试验卫星。最初，上面级首飞是携带两颗MEO（中地球轨道）试验卫星，其中一颗间接进入ICSO轨道。但是上面级立项后，原计划由长征三号甲运载火箭发射的一颗间接进入IGSO轨道的试验卫星，改成了直接入轨。同时，通过IGSO试验卫星，又引出来一个同样平台的MEO卫星发射。这样就会给卫星的生产、发射进度等方面带来效率提升，也促进了这两种导航卫星平台的研制。也正是有了远征一号，才能同时在一年多的时间，完成北斗三号核心星座的组网。

“远征”既确保安全，又不忘环保

在卫星到达目的地后，上面级便完成了任务，但其携带的尚未用尽的推进剂、高压气、电池等东西可能会引发爆炸，变成太空垃圾，威胁在轨航天器的安全。

为了避免这些问题，有哪些解决的办法呢？

国际上已经出现过好几次这样的爆炸情况，都是由于轨道末级或者废弃的卫星发生爆炸，产生大量垃圾碎片，因此控制太空垃圾是很重要的。MEO轨道、GEO（地球静止轨道，是指轨道倾角为0度的对地同步轨道）轨道、IGSO轨道的轨道高度非常高，如果要让火箭从高轨道回到低轨道，然后重新进入大气层，目前来说还做不到。所以，对于发射到MEO轨道、GEO轨道、IGSO轨道后的余下垃圾，其解决方法是，在与卫星分离之后，上面级向着轨道高度更高的位置飞行，这样上面级就会离开卫星的工作轨道。离开卫星工作轨道之后，就进入了一种“坟墓轨道”它会长时间在那个轨道上运行，不影响卫星工作。最后，上面级在不断运行过程中把剩余的推进剂、气体排放掉，将电池耗尽，就可以避免在太空发生爆炸。对于低轨道的垃圾处理就简单很多。例如远征一号S、远征一号甲，它们飞往的轨道高度低，在完成任务后，直接往低轨道高度返回，进入大气层直接烧毁。这样就满足了国际上对太空垃圾的控制要求。

中国航天，从萌芽到茁壮成长为参天大树，离不开一代又一代航天人的努力。期待同学们了解更多的航天知识，有更多的同学加入航天事业中来，和航天专家们一起探秘遥远的太空，将浩瀚星空尽收眼底。183421D8-FBD8-4364-AC87-6B49CDCE8573