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2019年12月16日，長征三號乙/遠(yuǎn)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(wǎng)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，正式建成北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心星座。遠(yuǎn)征一號上面級作為專為我國新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制的軌道轉(zhuǎn)移運載器，自2015年成功首飛以來，精準(zhǔn)執(zhí)行了15次飛行任務(wù)，將4顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星和24顆北斗三號MEO衛(wèi)星準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，為順利完成北斗三號工程組網(wǎng)任務(wù)貢獻(xiàn)了重要力量。隨著最后兩顆MEO組網(wǎng)衛(wèi)星成功入軌，遠(yuǎn)征一號上面級任務(wù)圓滿收官。

為北斗工程而生

我國早在北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃之初，就提出要在短時間內(nèi)向中、高軌道發(fā)射數(shù)十顆衛(wèi)星的快速組網(wǎng)計劃。為滿足北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速部署的要求，時任北斗二號工程總設(shè)計師的孫家棟提出由“上面級”執(zhí)行直接發(fā)射入軌任務(wù)的設(shè)想。

圖為矗立在發(fā)射塔架的長征三號乙/遠(yuǎn)征一號運載火箭。 肖國軍 攝

長三甲系列運載火箭總設(shè)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(wǎng)起到了關(guān)鍵作用。“火箭直接將高軌道衛(wèi)星送入工作軌道是國家快速進(jìn)入空間能力的體現(xiàn)，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(xiàn)有運載火箭推力將新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入兩萬公里的軌道，或使用衛(wèi)星自帶的燃料進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，不僅成本高，還將大大折損衛(wèi)星壽命。因此，采用基礎(chǔ)級與上面級組合方式實施直接入軌發(fā)射，成為北斗三號工程節(jié)省成本、提升入軌精度、實現(xiàn)星座快速組網(wǎng)的必備條件。

2009年年底，新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)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(fā)射被確定為中圓軌道衛(wèi)星發(fā)射方案。航天科技一院運載火箭系列總設(shè)計師龍樂豪說，我們的運載火箭叫“長征”，上面級比基礎(chǔ)級火箭飛得更高更遠(yuǎn)，可以叫“遠(yuǎn)征”嗎？

從那時起，以“遠(yuǎn)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(fù)責(zé)上面級的研制任務(wù)。

長三甲系列運載火箭副總設(shè)計師葉成敏介紹，上面級的專業(yè)名稱為“軌道轉(zhuǎn)移飛行器”，相當(dāng)于“太空擺渡車”，它將有效載荷（如衛(wèi)星）從某個轉(zhuǎn)移軌道送入預(yù)定工作軌道或預(yù)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(xiàn)的是技術(shù)創(chuàng)新和工程管理創(chuàng)新，是正確的決策，也是航天人的擔(dān)當(dāng)。”姜杰評價說。

凝心聚力攻克新專業(yè)

從2009年開始關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，到如今任務(wù)圓滿收官，10年來，遠(yuǎn)征一號試驗隊傾注了大量心血?；叵肫甬a(chǎn)品研制初期的艱辛歲月，遠(yuǎn)征一號上面級型號辦副主任肖澤寧感慨萬千。

對于當(dāng)時的一院來說，研制上面級面臨的是全新的專業(yè)、全新的領(lǐng)域。作為連接火箭與衛(wèi)星的全新產(chǎn)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(yuǎn)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(huán)境中飛行數(shù)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(guān)，必須突破自主、準(zhǔn)確、可靠三大難題。

當(dāng)時，國內(nèi)沒有經(jīng)驗可以借鑒，國外公開的資料也不涉及核心關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計團隊只能摸著石頭過河?！拔覀兺ㄟ^不斷地爭論、研討，想明白為什么火箭這樣做、衛(wèi)星那樣做，從而推導(dǎo)出我們應(yīng)該怎么做。”葉成敏說。

歷經(jīng)6年時間，研制團隊先后突破了熱控、長時間自主導(dǎo)航制導(dǎo)、長時間滑行推進(jìn)劑管理等多項重大關(guān)鍵技術(shù)，開展了千余項地面試驗，開展了大量的環(huán)境適應(yīng)設(shè)計、分析與驗證，采用了百余項新技術(shù)。肖澤寧說：“最難的還要數(shù)熱控試驗。”

由于上面級要在空間環(huán)境中飛行數(shù)小時至幾十小時，因此對熱控和空間單粒子防護(hù)要求很高?！凹夹g(shù)突破的難度非常大，我們不是怕工作量大，而是怕方向不對?！毙蓪幷f。

研制團隊向經(jīng)驗豐富的衛(wèi)星研制兄弟單位學(xué)習(xí)，分析上面級與衛(wèi)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(huán)節(jié)，于推進(jìn)劑輸送管外側(cè)緊密纏繞加熱帶，保障機體溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，終于解決了上面級的熱控難題。

通過一系列復(fù)雜的技術(shù)攻關(guān)，設(shè)計人員的認(rèn)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(yuǎn)征一號上面級成功將第17顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星直接送入工作軌道，遠(yuǎn)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(yuǎn)征一號上面級以“一箭雙星”方式將第18、19顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，標(biāo)志著常規(guī)液體上面級技術(shù)完成了從方案設(shè)想到工程應(yīng)用的巨大跨越。在此基礎(chǔ)上，我國進(jìn)一步確定了基礎(chǔ)級加遠(yuǎn)征一號上面級“一箭雙星”直接入軌發(fā)射成為北斗三號衛(wèi)星工程的主要發(fā)射方式。

助力中國航天開啟新遠(yuǎn)征

2018年，遠(yuǎn)征一號試驗隊以一年8次任務(wù)全勝的好成績獲評一院最佳發(fā)射團隊。通常情況下，成熟的型號可通過多年的任務(wù)積累來縮短流程，但對于遠(yuǎn)征一號而言，在開啟北斗三號衛(wèi)星發(fā)射之前，只有3次任務(wù)經(jīng)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(yuǎn)征一號上面級研制之初，研制團隊就預(yù)見了后續(xù)的高密度發(fā)射態(tài)勢。他們從初始設(shè)計就聚焦高密度發(fā)射的應(yīng)對之法，積極推進(jìn)產(chǎn)品化工作，加速組批生產(chǎn)。同時，基于出廠測試的充分性，研制團隊減掉了發(fā)射場電測流程，縮短了任務(wù)周期。

肖澤寧介紹，在過去的兩年里，遠(yuǎn)征一號研制團隊不斷根據(jù)在軌衛(wèi)星傳回的溫控數(shù)據(jù)，對上面級熱控材料進(jìn)行替換，一發(fā)火箭節(jié)省成本幾十萬元。在進(jìn)行驗證后，他們拿掉了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單機的設(shè)計冗余，并進(jìn)行“再設(shè)計”，不斷對產(chǎn)品進(jìn)行升級改進(jìn)，產(chǎn)品可靠性進(jìn)一步提升。今年第四季度，試驗隊連續(xù)執(zhí)行3次發(fā)射任務(wù)，從8月底進(jìn)場，經(jīng)歷了9月23日和11月23日兩次發(fā)射后，到12月16日型號任務(wù)收官，僅23天就“搶”出來一次任務(wù)，是遠(yuǎn)征一號有史以來發(fā)射間隔時間最短的一次。

遠(yuǎn)征一號上面級的成功研制，創(chuàng)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(shè)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(guān)，并通過優(yōu)化改進(jìn)，研制形成了遠(yuǎn)征一號甲、遠(yuǎn)征一號S、遠(yuǎn)征二號等多個上面級產(chǎn)品，這些型號產(chǎn)品均取得首飛成功。

如今，“遠(yuǎn)征”與“長征”搭檔，圓滿完成以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)為代表的多項國家重大任務(wù)，未來，更多、更好的遠(yuǎn)征上面級將助力航天人贏得國家任務(wù)與商業(yè)市場的新遠(yuǎn)征。

【責(zé)任編輯：李子紅】