比“長征”更遠的是“遠征”
——遠征一號上面級的前世今生、研制發射任務紀實
——遠征一號上面級的前世今生、研制發射任務紀實
文章來源：中國航天科技集團有限公司 發布時間：2020-01-22
2019年12月16日，長征三號乙/遠征一號運載火箭順利將最后一組北斗三號MEO（中圓地球軌道）組網衛星送入預定軌道，正式建成北斗全球衛星導航系統核心星座。遠征一號上面級作為專為我國新一代北斗導航衛星研制的軌道轉移運載器，自2015年成功首飛以來，精準執行了15次飛行任務，將4顆北斗導航試驗衛星和24顆北斗三號MEO衛星準確送入預定軌道，為順利完成北斗三號工程組網任務貢獻了重要力量。隨著最后兩顆MEO組網衛星成功入軌，遠征一號上面級任務圓滿收官。
為北斗工程而生
我國早在北斗全球衛星導航系統規劃之初，就提出要在短時間內向中、高軌道發射數十顆衛星的快速組網計劃。為滿足北斗衛星導航系統快速部署的要求，時任北斗二號工程總設計師的孫家棟提出由“上面級”執行直接發射入軌任務的設想。
圖為矗立在發射塔架的長征三號乙/遠征一號運載火箭。 肖國軍 攝
長三甲系列運載火箭總設計師姜杰說，上面級的工程決策非常重要，它是北斗工程的獨木橋，對工程能否順利組網起到了關鍵作用。“火箭直接將高軌道衛星送入工作軌道是國家快速進入空間能力的體現，雖然研制難度非常大，但它對于北斗工程而言是不可或缺的。”
以現有運載火箭推力將新一代北斗導航衛星送入兩萬公里的軌道，或使用衛星自帶的燃料進行軌道轉移，不僅成本高，還將大大折損衛星壽命。因此，采用基礎級與上面級組合方式實施直接入軌發射，成為北斗三號工程節省成本、提升入軌精度、實現星座快速組網的必備條件。
2009年年底，新一代北斗導航衛星重大專項工程立項，使用上面級與長三甲系列運載火箭組合實施直接入軌發射被確定為中圓軌道衛星發射方案。航天科技一院運載火箭系列總設計師龍樂豪說，我們的運載火箭叫“長征”，上面級比基礎級火箭飛得更高更遠，可以叫“遠征”嗎？
從那時起，以“遠征一號”命名的上面級工程研制正式啟動。2010年8月，一院一部選派18人成立研究室，專門負責上面級的研制任務。
長三甲系列運載火箭副總設計師葉成敏介紹，上面級的專業名稱為“軌道轉移飛行器”，相當于“太空擺渡車”，它將有效載荷（如衛星）從某個轉移軌道送入預定工作軌道或預定空間位置，是具有自主獨立性的航天運輸飛行器。
“采用‘太空擺渡車’，體現的是技術創新和工程管理創新，是正確的決策，也是航天人的擔當。”姜杰評價說。
凝心聚力攻克新專業
從2009年開始關鍵技術攻關，到如今任務圓滿收官，10年來，遠征一號試驗隊傾注了大量心血。回想起產品研制初期的艱辛歲月，遠征一號上面級型號辦副主任肖澤寧感慨萬千。
對于當時的一院來說，研制上面級面臨的是全新的專業、全新的領域。作為連接火箭與衛星的全新產品，上面級要同時具備運載器和空間飛行器的雙重特點。“以前火箭飛十幾分鐘至半個小時就入軌了，遠征一號上面級可以飛將近4個小時。”肖澤寧說。上面級面臨著在極端環境中飛行數小時、幾萬公里的考驗，研制人員會遇到一些以往不會接觸到的難關，必須突破自主、準確、可靠三大難題。
當時，國內沒有經驗可以借鑒，國外公開的資料也不涉及核心關鍵技術，設計團隊只能摸著石頭過河。“我們通過不斷地爭論、研討，想明白為什么火箭這樣做、衛星那樣做，從而推導出我們應該怎么做。”葉成敏說。
歷經6年時間，研制團隊先后突破了熱控、長時間自主導航制導、長時間滑行推進劑管理等多項重大關鍵技術，開展了千余項地面試驗，開展了大量的環境適應設計、分析與驗證，采用了百余項新技術。肖澤寧說：“最難的還要數熱控試驗。”
由于上面級要在空間環境中飛行數小時至幾十小時，因此對熱控和空間單粒子防護要求很高。“技術突破的難度非常大，我們不是怕工作量大，而是怕方向不對。”肖澤寧說。
研制團隊向經驗豐富的衛星研制兄弟單位學習，分析上面級與衛星的共性和差異化。他們通過一系列分析比對，在主動熱控環節，于推進劑輸送管外側緊密纏繞加熱帶，保障機體溫度在規定范圍內，終于解決了上面級的熱控難題。
通過一系列復雜的技術攻關，設計人員的認知得到提升，從只考慮火箭到考慮空間和深空的層次，工藝和組裝能力也都得到全方位的提升。
2015年3月30日，長征三號丙運載火箭搭配遠征一號上面級成功將第17顆北斗導航衛星直接送入工作軌道，遠征一號上面級成功完成首秀。同年7月25日，長征三號乙運載火箭搭配遠征一號上面級以“一箭雙星”方式將第18、19顆北斗導航衛星送入預定軌道，標志著常規液體上面級技術完成了從方案設想到工程應用的巨大跨越。在此基礎上，我國進一步確定了基礎級加遠征一號上面級“一箭雙星”直接入軌發射成為北斗三號衛星工程的主要發射方式。
助力中國航天開啟新遠征
2018年，遠征一號試驗隊以一年8次任務全勝的好成績獲評一院最佳發射團隊。通常情況下，成熟的型號可通過多年的任務積累來縮短流程，但對于遠征一號而言，在開啟北斗三號衛星發射之前，只有3次任務經驗，是什么讓研制團隊敢于在這么短的時間里正面迎接“高密度”呢？
原來，早在遠征一號上面級研制之初，研制團隊就預見了后續的高密度發射態勢。他們從初始設計就聚焦高密度發射的應對之法，積極推進產品化工作，加速組批生產。同時，基于出廠測試的充分性，研制團隊減掉了發射場電測流程，縮短了任務周期。
肖澤寧介紹，在過去的兩年里，遠征一號研制團隊不斷根據在軌衛星傳回的溫控數據，對上面級熱控材料進行替換，一發火箭節省成本幾十萬元。在進行驗證后，他們拿掉了關鍵結構單機的設計冗余，并進行“再設計”，不斷對產品進行升級改進，產品可靠性進一步提升。今年第四季度，試驗隊連續執行3次發射任務，從8月底進場，經歷了9月23日和11月23日兩次發射后，到12月16日型號任務收官，僅23天就“搶”出來一次任務，是遠征一號有史以來發射間隔時間最短的一次。
遠征一號上面級的成功研制，創造了運載火箭靈活、多樣的組合模式和模塊化、組合化、系列化的設計理念，極大程度地挖掘了火箭的搭載潛力。此后，研制隊伍跨過了一道又一道難關，并通過優化改進，研制形成了遠征一號甲、遠征一號S、遠征二號等多個上面級產品，這些型號產品均取得首飛成功。
如今，“遠征”與“長征”搭檔，圓滿完成以北斗衛星導航系統建設為代表的多項國家重大任務，未來，更多、更好的遠征上面級將助力航天人贏得國家任務與商業市場的新遠征。
【責任編輯：李子紅】
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