航天发射中经常提到的“上面级”是什么东东？

最近，中国用“长征2C”运载火箭成功地将三颗人造卫星送入预定轨道的消息引起了许多小伙伴的注意。事实上，“一箭多星”技术在我国并不新鲜。早在1981年，我国就使用“风暴1号”运载火箭同时向天空发射了三颗卫星。2015年，我国利用“长征六号”一口气发射了20颗卫星，创下了当时亚洲“一箭多星”发射的新纪录。

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细心的小朋友一定已经注意到“高层”这个词经常出现在有关太空发射的新闻报道中，尤其是“一箭多星”。对许多人来说，多级火箭的第一级和第二级已经被听到，但是*是什么？

尽管末级是空间运输系统的重要组成部分，但由于其功能多样，目前还没有明确的定义。一般来说，广义上的末级是指在高空发射的火箭的第三和第四级。有些人还把第一阶段以上的部分称为高级阶段。从狭义上讲，末级是指在基本级火箭上增加独立控制系统和动力系统的火箭子级。日常生活中提到的上层指的是后者。

上层结构示意图(图片来源:文献

上层的角色与汽车渡轮非常相似(图片来源:民航资源网)

我们知道，为了提高运载能力，火箭通常设计成多级形式。然而，由于点火可靠性和飞行稳定性的限制，火箭很少超过四级，因此运载能力仍然有限，它们只能将卫星等有效载荷送入环绕地球的中间轨道。那么，对于从中间轨道到预定轨道的漫长旅程，我们应该做些什么呢？此时，轮到“太空汽车渡轮”展示他的才华了。

上层有许多优势。首先，它兼具运载工具和航天器的技术特征。作为一个运载工具，它的工作时间是几个小时甚至几十天，而普通的运载火箭只能工作几十分钟。作为航天器，其推力大于普通航天器，轨道机动能力更强。第二，上层以自主导航为主，有独立的电气系统。其发动机可多次启动，任务适应性强。正是由于这些优势，上层阶级可以成为一个“太空汽车渡轮”，并完成许多艰巨的任务，如轨道机动和卫星部署在空间。

朝鲜7号卫星与阿里安5号高层分离(照片来源:spaceflightnow.com)

然而，太空环境复杂而恶劣，“太空汽车渡轮”工作时间长。完成这项任务不容易。太阳风暴是它必须克服的最大挑战之一。太阳平静的外表隐藏着强烈的运动。在太阳黑子活动的高峰期，它像打喷嚏一样向广阔的空间释放大量高速带电粒子。太阳的一个喷嚏在地球眼中就是一场彻底的风暴。此时，地球的空间环境、臭氧层和无线电通讯将受到严重干扰。“太空汽车轮渡”很可能发生外层开裂、设备损坏和通信中断。

日本地球空间环境示意图(照片来源:中国运载火箭技术研究院)

为此，科学家们为“太空汽车渡轮”特制了一套“防护服”，由抗紫外线材料制成，可有效帮助上层维持正常体温，从而防止外部隔热材料因太阳风暴而变脆开裂。人们还对“太空汽车渡轮”的内部设备布局进行了抗辐射优化设计，并安装了能够隔离带电粒子的保护壳，这样组件就不会被损坏，通信也能得到保证。

显然，与基本级火箭相比，末级火箭的结构相当复杂，点火频繁，工作时间长，研制难度很大。自20世纪50年代以来，美国和苏联等国家都非常重视上层阶级的研究和发展。现在他们已经开发了几十种功能不同的成熟产品，如美国的Agena、Centaur、惯性上层阶级、前苏联的Breeze、质子、Fragate上层阶级等。

在美国航天火箭中心展出的半人马上层基本模型(照片来源:historicspacecraft.com)

美国、俄国和其他国家开发的几十个*(图片来源:historicspacecraft.com)

中国在高层领域起步较晚，与美国和俄罗斯等其他太空强国仍有很大差距。然而，自20世纪90年代以来，中国也开发了各种固体高层系统，并成功地将其应用于许多空间发射。近年来，中国致力于在常规液体推进剂的基础上发展“探险”系列的高级阶段。其中，“远征1号”在2015年成功完成了它的“第一次展示”，而“远征2号”去年也与“胖五号”一起升空，从而大大提高了中国火箭的运载能力。根据该计划，高层将继续在中国未来的任务中发挥重要作用，如月球探测和火星探测。

“远征1号”末级与“北斗3号”卫星的结合(图片来源:*电视台)

参考:

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