火箭末级的作用是什么，被称为异轨多星部署“神器”的远征三号是如何诞生的

远征3号是我国最新研制的火箭“上面级”，也被称为“太空摆渡车”，半个月前刚刚搭载长征2D火箭将7颗不同质量大小的卫星送入不同轨道。远征3号相比我国早前研制的远征1/2系列上面级相比具备更多次的太空点火能力和更强的运载力，那能力更强的远征3号到底是怎么诞生的呢火箭末级的作用是什么？

运载火箭自上世纪50年代出现以后，虽然历经变迁发展了很多不同系列、不同作用的各种型号的运载火箭，但是受限于轨道高度的不同，传统火箭要想发射航天器到不同轨道上去，一次只能发射一枚卫星等航天器，而且随着轨道高度的不同火箭的级数也不同，火箭要想发射更高轨道的航天器就需要采用更多的级数才行，但是受限于齐奥尔可夫斯基公式的限制火箭的级数并不能无限制的增加（主要考虑到火箭的多级点火可靠性和飞行稳定性），一般最大只允许有4级结构。使用4级火箭受限于火箭的干质比的关系，火箭第四级发射到GTO轨道时基本已经没有运载力可言了，所以后来为了发射通信卫星这种高轨道卫星所采用的发射方式就变成了先发射到近地轨道后，卫星再通过自身动力经过多次变轨后进入预定轨道，这种入轨方式虽然很好的解决了卫星进入高轨道运行的难题，但是因为卫星需要通过自身动力进入预定轨道，最大的缺点就是会大大降低卫星的在轨寿命，而且卫星在变轨过程中如果发生任何问题都将导致整个卫星变轨失败。

其次是传统的火箭在同时发射多颗卫星的时候，卫星的运行轨道主要看火箭最上面级的入轨精度，所以那个时候虽然有一箭多少星，但是因为火箭最后一级火箭发动机停止工作后，其所搭载的所有卫星就只能在这个轨道高度下车了（车不跑了没油了），所以火箭要想同时发射不同轨道的卫星是不可能的事情。而像远征3号这种上面级并不只有我们有，美俄欧都有这个技术。这种上面级和火箭的上面级并不是一个，因为火箭从下往上除了第一级上面的2/3/4级都可以称为上面级，但是像远征3号这种上面级正确名称应该称为“多星发射上面级”，就是一种介于运载火箭和航天器之间的一种新型运载器，就相当于我们坐飞机时，机场的摆渡车将我们从航站楼送到停机坪上的飞机面前一个道理，而传统的火箭就相当于机场大巴一样只负责将我们送到机场大门前，并不直接送上飞机一个道理。所以这种具备多星发射能力的上面级因为可以同时运输多个不同重量不同体型的多个航天器，并具备将这些不同类型的航天器送入不同轨道的能力。而衡量一款“太空摆渡车”的性能高低主要看运载力和多次点火次数以及自主在轨飞行时间，前者关乎能够携带多少卫星，而后两个关乎到能将这些卫星送入多少不同站点的能力，像远征3号可以同时携带4--5吨的载荷、超过10颗卫星并具备在48小时内不少于20次的多次点火能力。

特别是随着现在“多组不同轨道的卫星组网”技术的开展，其次还有像卫星导航系统这种星座系统对火箭的单次发射效率有很大的关联的新型发射方式下，火箭一次能够发射的卫星数量越多，意味着卫星组网越快，整个导航系统的寿命越长。但是因为卫星导航系统的建成牵扯到不同运行轨道的几十颗卫星，所以就需要火箭在发射导航卫星组网时用时越短也好，所以火箭就必须具备能够在单次发射过程中将不同轨道的卫星送入运行轨道的能力，而这就是“太空摆渡车”出现的缘由之一。在很多人眼中看来太空摆渡车和普通的火箭最末级好像没有多达区别，的确二者差异性并不大，但是两个却是不同类型、不同组成的“上面级”，因为相比于传统多级火箭只具备单次点火能力而言，“太空摆渡车”这类上面级要具备与火箭分离后的轨道识别、入轨定位、姿态调整（与载荷是横着分离还是竖着分离）、点火加速变轨能力、与载荷主动分离技术、每次分离/变轨后的平台姿态稳定技术，所以与火箭最末级只是把卫星送到预定轨道附近，靠卫星自身动力精准入轨相比，太空摆渡车要做的更为复杂和困难，同时太空摆渡车在完成所有载荷的精准入轨后，还需要调整自身的轨道高度和姿态，主动降低轨道高度并最终进入大气层烧毁，以减少太空垃圾碎片的产生。

除了一箭多星多轨道发射能力外，远征3号这种上面级还具备提高火箭发射运载力的能力，比如火箭在高纬度发射场发射GTO轨道的卫星时，不仅需要火箭的末级入轨速度更高，而且火箭从发射后需要在近地轨道上进行长时间滑行等待上面级和卫星的组合体飞到GTO轨道的远地点后，再经过多次姿态点火提升组合体的近地点轨道高度和改变轨道倾角后，才会进入最终预定的GTO轨道，因为传统的火箭末级不具备在轨长时间停留能力和多次点火能力，所以“太空摆渡车”的作用就体现出来了，也可以说要想发射GTO轨道的航天器就需要具备“太空摆渡车”的研发能力。比如俄罗斯在拜科努尔航天发射场发射通信卫星的时候，因为拜科努尔发射场维度较高，所以火箭就必须携带“上面级”，而上面级因为要从高纬度变轨到赤道上空，所以就需要经过4--5次点火变轨，而这个过程长达8个小时左右。

“太空摆渡车”其实在上世纪50年代就已经出现了，世界上第一个上面级就是美国的“阿金斯”上面级，但是当时的上面级主要就是解决火箭发射高轨道卫星的入轨问题，后来才衍生出了运送不同轨道的卫星的能力。其后苏联也研制了微风级上面级，到如今美苏两国已经研制出了数十种不同类型的上面级，而这些上面级一直在帮助两国将不同轨道的卫星或者同时将多颗不同轨道的卫星同时送入预定轨道。其实除了这种专用的上面级外，美国的航天飞机也算是半个上面级，虽然航天飞机可以在轨发射不同类型的航天器，但是航天飞机由于自身动力系统的原因其只能在近地轨道发射卫星，所以只能算是半个上面级。航天飞机要想在近地轨道发射更高轨道的卫星还是得依靠专用的上面级才行。还有去年美国SpaceX发射的猎鹰重型火箭在首飞过程中将一辆roadster跑车送入地火转移轨道的新闻当时可算是铺天盖地，虽然后来这辆橘红色跑车并没能进入火星转移预定轨道，但是发射这辆跑车的猎鹰重型火箭的末级也可以算是“太空摆渡车”。首先猎鹰重型火箭是一枚两级重型火箭，但是其采用的二级火箭发动机具备多次点火启动能力，也算是具有专用“太空摆渡车”的某些功能，但是毕竟不是专业的，火箭的第二级虽然具备多次点火能力，但是和专业的上面级的自主飞行能力而言其并不专业，所以没能将跑车送入地火转移轨道也很正常，也可能这次所谓的“跑车上火星”从实质发射角度而言根本就是不可能的事情，虽然猎鹰重型火箭的干质比相比普通火箭已经很高了，但是还是不能直接将跑车一次性送入地火转移轨道，所以失败是注定的了。

再说回我国在上面级研制上的进展，早在上世纪90年代我国就已经通过“暴风”固体上面级将多颗卫星送入预定轨道，但是固体上面级相比液体上面级而言不具备多次点火能力（一次性的），所以只能用于发射高轨道的卫星，并不具备多轨道发射能力，所以我国近几年开始研制了“远征”级常温液体火箭上面级，第一个型号远征1号已经在2015年同长征3丙火箭将北斗导航卫星直接送入地球同步轨道，2016年发射长征7号火箭上的远征1号甲相比前辈点火次数更多、工作时间更长，具备有大范围轨道机动、多载荷轨道部署、开展多项空间试验的能力，被称为“升级版太空摆渡车”。而2016年随着长征5号火箭发射的远征2号上面级算是将两个远征1号上面级集成到一起了吧，运载能力更强，能够执行更多的高轨、多星的直接入轨发射任务，也被成为“增强型上面级”。而半个月前发射的远征3号上面级相比前辈运载能力更强，能够同时携带更多不同类型的卫星，并具备更强的多轨道送入轨能力。不过目前来说远征3号上面级的运载力还是偏低，相比美俄的低温上面级而言，其采用的常温燃料在运载力上肯定不如美俄的低温上面级。在和美国目前常用的“半人马”低温上面级相比虽然在发射高轨道卫星时有差距，但是在多星入轨能力上却更占优势，也可以说是两种不同用途的上面级吧，好在我国最新的采用低温燃料膨胀循环发动机的先进上面级几年前就已经公开展示，所以其首飞时间应该也快了。

总结一下就是要想成为一个航天大国，特别是在星际探索和建设自己的导航卫星、卫星组网系统的建设上，没有优秀的“太空摆渡车”是做不到的。而发展低温先进上面级是航天发展的潮流也是趋势，而且随着我国北斗三号卫星导航系统的建设和基于东方红5号平台研发的更大质量的通信卫星的发展趋势，我们迫切的需要一种运载力更大（10吨级的）、具备更长滑行时间（平台发动机推力增量更大，也就是采用比冲更高的低温燃料火箭发动机）、和具备更多启动点火次数的先进上面级。但是现有的常温上面级相比更先进的低温上面级也不是没有优势，比如发射深空星际探测器的时候，常温上面级可以将深空探测器直接送入所属的地星转移轨道，这也算是现有的远征3号常温上面级最大的优势。