一、引言

世界各國運載火箭的發展進程大致可分為三個發展階段:初期發展階段、應用發展階段、產業化發展階段。我國運載火箭的發展歷程與其他航天大國基本一致,最初是從彈道式導彈的基礎上發展起來的。

20世紀六七十年代,我國的運載火箭技術主要是以驗證科研目標和技術手段為目的。到80年代后期,我國運載火箭的發展步入應用發展階段：1984年4月,長征三號將中國第一顆通信衛星送入預定軌道；1990年4月,長征三號又將亞洲一號通信衛星送入太空,標志著我國運載火箭成功躋身國際商業發射服務市場；90年代末,我國的運載火箭已從初期的科學試驗、單一型號、一箭一星、簡單軌道發展到以應用為目的，系列化火箭型譜，具備一箭多星發射能力，基本覆蓋高、中、低不同軌道發射要求的航天運輸系統；21世紀的頭10年，在國家的高度重視下,中國航天迎來了前所未有的大發展，產業化、規模化逐步成為新時代中國航天的主題。

2011年,中國實現了19次航天發射,位居世界第二,但商業發射僅有3次,目前在國際商業發射服務市場中僅占3%一5%的份額,這主要是因為西方國家的制約,但也要客觀地看到我國運載火箭發展中的技術瓶頸。經過對發射任務、市場、需求的分析發現,目前國際商業發射中歐美等航天巨頭多采用上面級實施一箭多星發射,以此來降低發射成本,提高火箭任務適應性,從而滿足用戶多樣的發射需求,提高火箭競爭力。與之相比,我國運載火箭的上面級技術、多星發射技術尚不能適應國際市場需求,因此必須認真分析形勢,制定發展策略,攻克技術難關,為打開國際市場,支持中國航天產業化、規模化發展奠定扎實的基礎。

上面級是在基礎級火箭或重復使用運載器上面增加的相對獨立的一級或多級,其工作段通常已經進入地球軌道,可將一個或多個航天器直接送入預定工作軌道或預定空間位置,一般具有多次起動、短期在軌工作、自主飛行、多任務適應性等特點,是提高火箭性能和任務適應能力的有效途徑。

 

二、國外發展現狀

1、美國

美國早在上世紀50年代末就開始了上面級的研制,到70年代中期總共研制出了10多種上面級,包括固體上面級、液體上面級和固液混合上面級三類,用來發射中小型及中大型有效載荷,比較典型的有“阿金納”和“半人馬座”等；80年代以后,美國又研制出了多種新型上面級,如“軌道轉移級/遠地點機動級”(TOS/AMS)、“有效載荷助推艙”(PAM)、“慣性上面級”(IUS)、“先進上面級”(AUS)、“寬機身半人馬座”等;近年來,考慮到未來高性能上面級的需求,先后提出了多種軌道轉移飛行器,如改進型AMS、“高性能推進組件”(HPPM)、“太陽能軌道轉移飛行器”(SOTV)、“機動和軌道轉移飛行器”(MOTV)、“軌道機動飛行器”(OMV)和“軌道轉移飛行器”(OTV)等等，不斷豐富和完善上面級產品系列,其中OMV和OTV可以實現重復使用。美國在研制上面級的過程中，非常注重上面級的通用性,其研制的上面級大多數既可用于一次性運載火箭，又可用于航天飛機，并且新研制的上面級都強調自主式,有獨立的制導、控制和導航系統以及電源、遙測、跟蹤和指令系統。

美國代表性的上面級產品

2、俄羅斯

俄羅斯繼承了前蘇聯在上面級領域的研究成果,雖然一段時期內受國家經濟形勢影響,發展有所停滯,但依靠其雄厚的技術儲備仍然發展了多款上面級產品,通過和質子號、聯盟號、　“第聶伯”等火箭組合使用,極大地提升了其火箭的任務適應性和競爭力,同時憑借固有的高可靠、低價格的競爭優勢在國際商業發射服務市場中仍占有大約30%左右的份額。

前蘇聯/俄羅斯先后發展過質子號D級、和風M、KVRB、KVTK、弗雷蓋特等上面級,其中以和風M、弗雷蓋特和KVRB上面級最為著名。

俄羅斯和風M上面級

和風M上面級是赫魯尼切夫國家科研生產航天中心設計的一種先進上面級,可以執行靜地軌道(GEO)發射任務,能夠長時間在軌飛行,具有先進的姿態控制和熱控系統,采用了模塊化結構設計,外掛環形貯箱可以分離,可與安加拉火箭、質子號火箭配合使用。

和風M上面級高2. 61m,最大直徑4.1m,由中央艙(CPT)　、環形外掛推進劑貯箱(APT)、下轉接框三部分構成,加外掛貯箱后最多可攜帶19.8t燃料(N204/UDMH)。其推進系統由1臺泵壓式主發動機、4臺游機和12臺姿態控制發動機組成,主機推力19 .62kN，可搖擺，能夠重復啟動8次，并且帶有備份點火系統,能夠在主點火程序失敗的情況下啟動；制導控制系統包括箭載數字計算機、三軸陀螺穩定平臺和導航系統，飛行期間既可使用GLONASS、也可使用GPS進行制導控制;溫控系統主動與被動控制相結合,主動溫控系統可使上面級組件保持在給定的溫度范圍內，并將多余的熱量輻射至太空，被動溫控系統利用調溫涂層、恒溫器、熱阻和真空隔熱屏使上面級和外部的熱交換保持在確定的范圍內。

2001年4月7日,質子M/和風M火箭成功執行了首次發射任務,這個組合是質子號火箭中運載能力最大的型號,主要用于國際商業發射服務。

弗雷蓋特上面級是一種能夠自主飛行的、靈活的上面級,采用模塊化結構設計,可與聯盟號等運載火箭組合使用執行各種軌道發射任務。

俄羅斯弗雷蓋特上面級

弗雷蓋特上面級高1.5m,直徑3.35m,結構質量1180kg,可攜帶6300kg燃料(N204/UDMH)。動力系統采用一臺單燃燒室的S5.92發動機,設計可重復點火20次,目前已飛行驗證了6次,工作時間900s。其擺動控制由兩臺電動液壓作動器完成;控制系統具有三重冗余結構,可提供兩種三軸穩定定向模式和旋轉穩定模式,飛行控制由主發動機和姿控噴管控制俯仰和偏航姿態,姿控噴管使用12臺以肼為燃料的50N小推力器,分成4組安裝于球形貯箱的頂部。弗雷蓋特上面級還可增加太陽能帆板以執行更長時間的空間探測任務。

KVRB上面級是一種高性能液氧/液氫上面級,與質子M、安加拉A5等運載火箭配合使用。與質子M運載火箭配合使用時,能大幅度地提升火箭的運載能力(地球同步轉移軌道(GTO)的運載能力將達到6.6t，地球同步軌道(GSO)的運載能力將達到3.6t，與使用和風上面級相比，GSO與GTO的運載能力將增加20%。

俄羅斯上面級的研制應用使其質子號、聯盟號等火箭不但能滿足俄羅斯聯邦政府的發射任務需求，而且可以為商業用戶提供強大的發射服務能力。

3、歐洲

目前國際商業發射服務市場中,歐洲的阿里安5火箭占有一半以上的份額,且絕大部分發射任務采用一箭雙星發射方式。為提高阿里安5火箭的任務適應性,歐空局先后研制了可貯存液體上面級EPS以及低溫上面級ESC-A和ESC-B。

EPS改進型在2001年投入使用,這種上面級在雙星發射任務中可以把7.3t有效載荷送入GTO軌道,在單星發射任務中可以把8t有效載荷送入GTO軌道,并且可以把12t有效載荷送入太陽同步軌道(SSO)。

歐空局EPS上面級

EPS位于芯級和儀器艙之間,為截錐形結構,包括主結構件、推進系統、熱防護系統、電氣系統等,最大直徑5.4m,高3.355m,總質量8144kg,加注量7.2t。其主動力裝置采用一甲基肼和四氧化二氮作推進劑,推進劑供給模式為擠壓式,發動機額定推力27.5kN,具有多次啟動能力,可雙向擺動±8°。EPS采用多層熱防護系統來保護上面級在飛行期間免受外部熱載荷影響;姿控系統有兩組肼推力器,每組3臺,推力各為400N,安裝在儀器艙中,在上面級工作期間提供滾動控制,發動機關機后提供三軸姿態控，并可使上面級在完成功能后脫離軌道。

EPS使發射準備活動具有高度的靈活性,加注好推進劑的上面級在放置45天后仍能用于發射任務。歐空局在研制EPS時,對其通用性也進行了考慮,盡可能采用通用部件和模塊化設計,包括動力系統也具有通用性。

歐空局ESC-A和ESC-B上面級

 阿里安5火箭還研發了兩種低溫液體上面級，即ESC-A和ESC-B，均采用液氫/液氧推進劑，雙星發射任務中可以把10噸的有效載荷送入GTO軌道（采用Sylda多星分配系統），單星發射任務中可以把11-12噸的有效載荷送入GTO軌道。ESC-A加注量約14噸，最大直徑為5.4m，高4.71m，總質量17.9噸，采用阿里安4的三級發動機HM-7B，平均推力6.5t，僅具備一次點火能力。ESC-A上面級于2005年首飛成功。ESC-B加注量為28.2t，最大直徑為5.4m，高5.62m，總質量32.1t，采用“芬奇”發動機，真空推力180KN，具有多次點火能力，與ESC-A上面級相比，可將GTO軌道運載能力提高到12t。

需要重點關注的是，歐空局正在開展研究，目標是使改進后的ESC-A或ESC-B可直接將有效載荷送入GEO軌道，此時，低溫上面級將具備約6h的在軌工作能力。

 

三、國內發展現狀

我國的上面級技術發展從長征二號E的EPKM起步，并且在成功研制長征二號丙/FP上面級后實現了技術突破。上世紀90年代研制的長征二號丙/FP上面級主要是為了以一箭雙星方式發射銥星。

中國長征二號丙/FP上面級

它采用固體發動機技術、三軸穩定控制方案以及獨立的控制和遙測系統，是我國第一個真正意義上的上面級。該上面級共進行了7次發射，成功將2顆模擬星和12顆銥星送入預定軌道。

21世紀初研制的長征二號丙/SM上面級主要是為了發展中科院的探測一號、探測二號衛星。它也采用獨立的控制和遙測系統，但由于固體發動機推力和總沖增加，上面級在變軌過程中采用自旋穩定、滑行段和調資段采用三軸穩定的方案。長征二號丙/SM共進行了兩次發射，成功將兩顆中歐合作的空間探測衛星送入預定軌道。

近年來，在長征二號丙/FP的基礎上新研制串聯雙星分配器的長征二號丙/SMA上面級成功進行了環境一號A、B星的雙星發射。截止目前，我國的運載火箭上面級先后共進行了10次飛行，全部取得了圓滿成功，但是上述這幾種上面級均為固體上面級，不具備多次起動能力，任務適應性較差。

目前我國正在為全球衛星導航定位系統研制新型上面級，其主動力裝置采用雙組元常規液體發動機，利用固定姿控噴管實現三軸穩定，采用獨立的控制、測量和供配電系統，以被動熱控為主、主動電加熱為輔實現飛行過程中的熱環境控制，具備在軌長時間飛行能力。

中國的FP和SM上面級

 與國外先進水平相比，尤其是與歐洲、俄羅斯等商業發射服務巨頭相比，我國在上面級技術發展上的差距主要體現在以下兩方面：

• 起步較晚、能力有限。

美俄等航天大國從上世紀五六十年代就開始發展上面級技術，已經成功發展出數十種上面級，包括固體、液體、固液混合，常溫、低溫，軌道運輸機深空探測上面級等，而且技術水平日益先進。歐洲雖然在上面級技術方面起步較晚，但其商業應用目的明確，技術起點高，產品成熟可靠，能力大，適應性強，具有非常強的市場競爭力。

相比較而言，我國到80年代末90年代初才開始研制上面級，而且均是針對專項工程研制的，多采用固體發動機，不具備多次起動能力，其應用具有很大的局限性。由于缺乏合適的上面級，我國的運載火箭技術無法適應國內外數量眾多的各類軌道、各類航天器的發射需求。雖然我國目前正在研制一系列先進上面級，具備多次起動、長時間工作、自主飛行等現代上面級技術特點，但距離形成完整的對外發射服務體系還相差甚遠，尚不具備參與國際競爭的能力。

• 投入不足，技術落后。

 目前我國在上面級發動機技術、長時間在軌飛行適應性等方面的研究與國外相比還存在很大差距。歐空局為阿里安5火箭新研制的ESC-B上面級先期投入了1.5億歐元，主要用于研制新型的“芬奇”發動機和電器系統的升級換代，而我國在前期技術研發過程中受任務性質、基礎條件等制約投入較少，技術儲備不足，一些關鍵技術仍未突破。另外，我國的上面級研制、生產、試驗條件還比較落后，特別是生產和試驗條件受基礎工業水平影響與歐美強國相比存在較大差距，在一定程度上制約了我國上面級技術的發展。

 

四、啟示和建議

從國外上面級發展情況可看出上面級的發展具有如下趨勢：

（1） 上面級技術具有適應性強、靈活多變等優勢，特別是商業發射中具有較強的競爭力，因此上面級發展的種類較多，呈多樣化發展趨勢，以液體上面級為發展主流，特別是低溫推進劑類型為其突出的性能優勢成為上面級的未來發展方向。

（2） 各型上面級與特定的運載火箭組合，以完成不同的軌道發射任務。發展熱點正從單純軌道轉移逐漸擴展至深空探測、在軌服務等領域。

（3） 目前以商業發射服務為目的的上面級技術主流發展趨勢是大運載能力和多元任務適應能力。

通過對國外上面級技術發展現狀進行分析，結合我國上面級技術發展的現狀，面對日益激烈的國際競爭局面，對于我國上面級技術的未來發展提出如下幾點建議：

（1） 緊跟需求、兼顧長遠、奠定基礎

現階段應緊密依托我國的全球衛星導航定位系統、月球探測工程等國家重大空間工程開展上面級、軌道轉移飛行器的工程研制，盡快突破關鍵技術，為今后參與國際商業發射競爭、在軌服務、深空探測等方面的應用奠定良好基礎。

（2） 技術先行、繼承創新、打造精品

正確處理技術繼承與創新的關系，積極吸收和借鑒國外上面級技術發展的思路和技術途徑，積極促進與美國、俄羅斯、歐洲以及日本在上面級技術上的合作，適當引進并消化相關關鍵技術。以多種任務需求為背景進行技術儲備，在現有產品基礎上實現技術跨越，打造具有國際競爭優勢的產品。

（3） 構建體系、面向市場、尋求突破

逐步構建“上面級+運載火箭”的商業發展服務模式以適應多種任務需求。以市場為導向，通過產品花、通用化等手段，提高上面級的經濟性和適應性，以扎實的技術、可靠的產品、一流的服務在國際競爭中尋求突破。

 

五、結束語

據預測，今后10年全球發射衛星數量為1000顆左右，其中商業衛星將占70%。目前，在美、歐、俄三方基本壟斷商業發射服務市場的情況下，日本、印度等國家也在伺機搶占一定的市場份額。中國航天產業化、規模化的發展僅僅依賴國內的需求是不足的，必須積極參與到國際競爭中，開拓國際市場。目前，我國在加快新型基礎級火箭的研制，并將在2015年左右形成發射能力，這將為上面級技術發展、進軍國際市場提供強有力的依托。總之，上面級在航天運輸系統中具有極其重要的作用和特殊的地位，發展具備多次起動、長時間工作、自主飛行等技術特點的上面級可以極大提升我國運載火箭的任務適應能力和國際競爭力。因此，需要加大先期投入，突破并掌握未來發展所需的核心技術，持續不斷地推陳出新，研制出既能滿足國家需要，又具有市場競爭力的上面級產品。

作者：唐軍剛 陳塞崎 陳益 劉欣  來源《中國航天》.2012.