首个自主研发四级火箭长征三号丙远征一号今日首飞 搭载北斗卫星
今年是中国航天发射的又一个密集年，计划完成20次宇航发射，将超过40个航天器送入太空。
据《环球时报》报道，今天（3月30日），新一代上面级远征一号即将以“太空摆渡车”的使命迎来首次太空之旅。“上面级”是什么？“远征一号”未来又将担负什么样的太空发射任务？它的出现将带给中国航天哪些深刻的变化呢？或许可以从远征一号这个名称中看到一些端倪。
远征一号（科学报图片）
远征一号上面级是什么？
所谓上面级就是运载火箭最上面的一级或多级，其以下的几级火箭被称为基础级。上面级有自主轨道机动能力，在轨飞行时间长，一般可多次启动点火，满足不同发射任务需求，能将一个或多个有效载荷(如卫星、空间探测器等)送入预定轨道，就如同机场的摆渡车。使用上面级可以大大减少有效载荷自身的燃料消耗，从而大大延长工作寿命。
据长征-3A系列运载火箭总设计师姜杰在两会期间接受专访时透露，长征-3C/远征-1是在原本3级的长征-3C火箭上面增加一级，从而变成4级火箭。4级火箭的主要任务是搭载可以直接入轨的卫星。
为节省燃料，以往的3级火箭只能将卫星送至转移轨道，即3级火箭发射的轨道是椭圆的，卫星需要变轨为圆形轨道。例如发射地球同步轨道（GEO）通讯卫星时，长征三号火箭在一、二级分离后，第三级与卫星一起先进入一个近地圆轨道（又称为停泊轨道）；然后第三级的发动机关机，第三级与卫星在停泊轨道上绕地球运行；在运行到适合的位置后，第三级发动机再启动加速，然后进入地球同步转移轨道（GTO）；进入到GTO轨道后，第三级与卫星分离，卫星独自在GTO轨道上运行；最后卫星在GTO轨道的远地点打开自身的火箭发动机，变轨进入GEO轨道的预定位置，这时整个发射才算完成。
而改进后的4级火箭可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道，卫星不需要再变轨。3级火箭的飞行只需要半小时左右，而4级火箭则需要飞行4~6小时，能飞到几万公里的外太空。“上面级"这个概念主要要求火箭最顶部一级动力具有多次启动、长时间待机的能力，以能用最低燃料消耗直接将卫星送入最终轨道。
卫星自载动力一般为高压气体，而非搭载液体推进剂，因其主要用于调整姿态等小幅度位置变动，不需要大推力动力系统；而作为“摆渡车”的上面级，它秉承“使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力”，有能力把卫星送到不同轨道的不同位置（甚至是地火轨道转移），既可以发射单星，又可以发射多星，在性能和设计上追求最优解。
远征一号使用四氧化二氮+偏二甲肼的常温液体推进剂组合。有军事专家指出，由于我国液氢存储技术尚不够完善，液氢蒸发速度过快，无法实现在太空长时间在轨待机。所以研制远征一号上面级来应急。如果长征三号第三级液氢存储技术有改进，能实现6.5个小时在轨待机，远征一号实际上没有存在必要。这个所谓“太空摆渡车”的出现，反映的是我国运载火箭液氢存储技术的落后。在远征一号、远征二号之后，我国也会研制能长时间在轨待机的氢氧上面级。根据初步设想，我国未来的氢氧低温上面级在轨时间不少于5天，可用于未来载人登月任务。要达到这个目标，中国航天还需努力。
采用氢氧发动机的美国半人马座（Centaur）上面级最大飞行时间超过6个小时，可以坚持到直接将卫星送入地球同步轨道。这得益于美国长时间以来积累的液氧存储技术，半人马座可将液氢蒸发量控制到每天约2%。
远征一号将为谁“摆渡”？
对于30日远征一号将要摆渡的首个“客人”是谁，中国航天业界并不愿过多评论。不过国内媒体此前曾公开报道称，2015年我国计划发射4颗“北斗”全球导航试验卫星，对全球导航卫星系统中的新技术进行验证。
据中国运载火箭研究院党委书记梁小虹在两会期间介绍，新研制的远征-1上面级有四大特点：一是兼具运载器与航天器的技术特性。它是在运载火箭或重复使用运载工具上面增加的相对独立的一级或多级，可依靠自身动力携带航天器继续飞行。二是可多次启动。运载火箭将其送入太空后，上面级能多次点火启动，满足不同发射任务的需求。三是工作时间长。上面级长于运载火箭的工作时间，可以达到数小时、数天乃至数十天。远征-1上面级首次采用了液体推进剂，在轨工作时间为6.5小时。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空，上面级接力火箭继续执行飞行任务，可通过飞行轨道的变化，将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。
由于上面级拥有众多优点，美俄等国很早就在研制并使用。美国目前总共研制出10多种上面级，用于发射大、中、小型有效载荷。如“阿金纳”、变轨级、有效载荷助推舱/Star-48B、惰性上面级、“半人马座”上面级等。
苏联/俄罗斯也先后打造了各种上面级。如D段、DM段、DM-SL段、微风-KM、微风-M和“弗雷盖特”等上面级。欧洲航天局后发制人起点高，研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。这些航天大国，不仅用装有上面级的运载火箭把卫星直接送入轨道，美国还曾用航天飞机发射卫星和空间探测器，它是靠装在货舱内的有效载荷助推舱/Star-48B上面级来发射。目前，为了降低卫星成本，美国GPS-2F导航卫星不用远地点发动机入轨，而用装有上面级的“宇宙神-5”或“德尔塔-4”火箭直接送入工作轨道。
上面级也常用于“一箭多星”发射，以有效降低发射成本。美国的“半人马座”、俄罗斯的微风-M、欧洲的EPS等著名上面级，具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点，都具备多星多轨道发射能力，进行快速组网。如2015年3月28日(北京时间)，装有“弗雷盖特”上面级的俄罗斯联盟-ST火箭就一举发射了第7颗和第8颗欧洲“伽利略”导航卫星，把它们分别送到两个轨道面。美国甚至还用上面级完成某些特殊任务，比如用“半人马座”上面级先将美国“月球陨坑观测与感知卫星”送至月球轨道，然后用“半人马座”上面级对月球进行撞击。
太空垃圾回收车
“太空摆渡车”另外一个重要的使命，就是可提供轨道转移、空间碎片清理等轨道服务。然而，“打扫太空垃圾”绝非易事。
“怎么收集太空垃圾？如何处理？太空垃圾首先不能对回收者造成实质性威胁。”军事评论员宋忠平认为，未来“太空摆渡车”或能够同时具有机械臂功能。
如果把利用“太空摆渡车”发射和释放卫星到预定轨道的动作比作“卸车”，那么从特定轨道回收太空垃圾的动作就是“装车”。“摆渡车”上如果有“机械臂”的话，那么这两个动作都将变得相对轻松和灵活。而且，太空垃圾多为报废卫星，如果抓回来之后还能软着路，对报废卫星进行回收，还具有一定的研究价值。
“美国已经在这条路上走在了前列。”宋忠平认为，利用太空飞船或“太空摆渡车”来释放、收回卫星更为灵活，应用更为广泛，验证和发展机械臂技术是未来需要考虑的方向。
“包括在空间站建设中，这些技术都是必不可少的。”宋忠平告诉记者，飞船与国际空间站的两种对接方式，其中一种就类似机械臂的抓取，“太空机械臂在未来太空探索中必将发挥重要作用，我们需要逐步掌握”。
远征一号不只是一个任务型号，而是系列编号
据了解，从上世纪80年代末开始，中国先后研制出多型固体推进剂上面级，并进行了多次飞行，全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制，只具有一次启动能力，工作时间较短，对于更多发射任务适应性较弱。远征一号作为一种液体推进剂上面级，有望成为中国航天领域真正意义上的“太空摆渡车”。
梁小虹表示，为加强中国航天在深空探测、空间试验等空间领域的探索和服务能力，中国运载火箭技术研究院将按照系列化发展的思路，在远征一号的基础上逐步构建多种类、多用途的上面级产品。
（综合环球时报、腾讯军事、中国科学报报道）