原作者LM-51D-YZ4D2

直送GEO——6.5小时长滑行

上面级（Upper Stage）是一种高空工作的火箭级，在中国，上面级主要定义如下：1.入轨后点火或在接近入轨时点火；2.拥有独立于火箭控制系统的GNC。

在这个定义下，中国的上面级不像美国的Centaur和Agena这种亚轨道上工作的上面级或者Star 37/48/63这种无独立GNC的上面级，而更类似于俄罗斯的Fregat、Blok DM和Briz上面级。目前远征一号和远征二号在大椭圆轨道上分离并且将载荷送入高的圆轨道，而远征一号A和远征三号在低地球轨道上分离，远征一号S在接近入轨的亚轨道上分离。三者都执行近地轨道的多轨道载荷部署任务。

这也是我们的太空认为PKM不属于上面级的原因，PKM没有独立的GNC和RCS，其实是不符合上面提到的中国上面级的定义的。但是同样的，EPKM也没有独立的GNC和RCS，但是我们的太空认为它是上面级，这就很离谱（PKM和EPKM技术状态几乎一致）。

【题外话】聊聊GEO直送

地球静止轨道（GEO,Geostationary Orbit）是一条位于赤道上空，轨高35786km，倾角为0°的圆轨道。这条轨道的重要性不言而喻，但是GEO轨道的高度相比200km轨高的近地轨道，是其的180倍高度，所以火箭是不可能直接通过一次启动直接爬上这么高的轨道的。那就必须通过发射地球静止转移轨道（GTO,Geostationary Transfer Orbit）来中转。

况且GEO轨道在0°上，由公式Δv=2vsin（θ/2）知，GTO要节省从GTO到GEO的变轨速度增量，最好要让远地点和轨道的升交点重合，意味着近地点幅角在180°，那么世界上除非使用海上发射，不然所有发射场的轨道都必须进行削倾角发射，这也是有SSTO（超同步转移轨道），HPGTO（高近地点同步转移轨道）以及HPSSTO（高近地点超同步转移轨道）等多种GTO的发射策略，具体可以参考专栏CV6241312，这里不再叙述。

不需要削倾角的，从200km×35786km的GTO转移到35786km×35786km的GEO所需的理论速度增量约为1471m/s。

这个变轨所需要的速度增量很巨大——要知道，即使执行近月制动所需要的速度增量也就850m/s[4]，甚至不到从卡纳拉维拉尔角发射的GTO转移至GEO所需速度增量的一半。

对于GEO卫星，其远地点挤压式发动机只有490N推力，几乎不可能通过一次启动直接进入GEO，一般的地球静止轨道卫星需要4-5次远地点机动才能进入GEO。

在远征一号首飞前，航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹委员介绍远征一号时提到“卫星的目的是进入轨道开展工作，变轨不是卫星的任务，只是不得已而为之。”卫星变轨需要装载变轨发动机，还要耗费大量燃料。用上面级替代完成，就可以减轻卫星自重，减少卫星的燃料消耗、延长卫星的寿命。

PALAPA-N1任务手册

这对于测控和卫星天线，太阳能帆板都是比较大的考验。这就是需要上面级一次直接将其送入GEO，来简化测控和卫星结构需求的——大概在80年代左右，会使用固体的远地点发动机（AKM,Apogee Kick Motor），如Star-30和DFH-2 AKM。但是它们比冲偏低且过载较大。而现在则使用常温燃料的上面级。当然对于某蓝星大国，其先进氢氧末级支持超长时间的滑行的话，那就会执行直送GEO，末级进行三次启动打HPGTO或直接送入GEO，这种的技术含量更高。

Star-30C Solid AKM

IABS Liquid AKM

但是，本文的主角——远征系列上面级，其实最早的任务并不是直送GEO。而是为了部署中国的全球导航卫星系统（GNSS,Global Navigation Satellite System）而生的。也就是北斗全球导航卫星系统北斗三号BD-3。

远征一号——中国首款液体长滑行上面级

2009年，远征一号上面级立项。2015年，远征一号遥一上面级和长征三号丙改三Z遥十一运载火箭组合将北斗三号I-1S卫星成功送入了IGSO。标志着远征一号上面级首飞取得了圆满成功。

远征一号上面级和长征三号甲系列运载火箭的G3Z构型搭配使用发射中地球轨道卫星，截至至2021年1月21日，远征一号总计飞行15次，其中两次是长征三号丙改三Z-远征一号，另外13次是长征三号乙改三Z-远征一号。这些任务均圆满成功。

远征一号上面级飞行记录

【题外话】改三Z构型的定位和特征

长征三号乙/丙运载火箭使用过3700，4000和4200三个系列的整流罩。数字代表整流罩外径。3700整流罩是长征三号乙改一型号使用，用于一箭串联双星发射北斗二号的MEO星。4000整流罩和4200整流罩则是长征三号乙使用的整流罩构型。而整流罩后面会有F或者Z两种标记。F是“分”，指分体罩。Z是“整”，指整体罩。分体罩是将卫星装于运输容器中起吊至塔架上与火箭对接，随后将整流罩分瓣起吊，于工位上进行合罩。整体罩则是卫星和整流罩在厂房上进行对接合罩，运输至工位，起吊，直接与长征三号乙运载火箭三子级对接。

目前使用的整流罩有4000F,4200F,4200Z,4200ZL四种，对应的改号分别是改二，改三，改三Z和改五。在长征三号乙运载火箭的用户手册上也有使用4000Z整流罩的改二Z型，不过它被取消了。改三Z也被称为改四。

长征3B用户手册整流罩

Z构型需要一个仪器舱来作为整流罩和卫星的支点。这个仪器舱重200kg。所以长征三号乙改三拥有5470kg[10]的地球静止转移轨道运载能力，而改三Z是5270kg。改一的3700Z和改五的4200ZL也是整体罩。

此外为了最大化运力，发射远征一号组合体的长征三号乙/丙改三Z型火箭均拆除了火箭三级的姿态控制系统，仅使用YF-75矢量进行控制。

北斗三号双星和远征上面级的整备比较复杂，所以使用整体罩，降低工位上整备的难度。而发射其他GTO单星则使用分体罩追求更大运力。

远征一号上面级（图片来源未知）

与上面级相比，第三级运载火箭采用氢氧低温发动机，具有较高的比冲和较大的推力适用于航天器轨道的快速加速。 然而，由于第三级的质量很大，需要更多的燃料才能将其与上面级/载荷组合体部署在更高的轨道上。而上面级借助其较小的结构质量，可以显著提升高轨道的运载能力。

远征一号在T+801.4s与长征三号乙三级分离，直到T+12944进行北斗三号双星分离，然后T+13651完成上面级钝化离轨，总计工作时间12850秒，是现有长征三号乙运载火箭工作时间的6倍以上。

长征三号乙改三Z-远征一号发射北斗三号MEO双星的典型时序

超长的滑行时间带来了和以往所有任务都不一样的难点。主要在于推进剂的沉底与再次启动。我们知道沉底的原因是防止推进剂和气枕中的气泡混合进入涡轮泵，导致流量不稳定，涡轮泵气蚀等。轻者导致发动机推力不稳定，重者导致点火失败。乃至爆炸。传统火箭级采用的是连续沉底发动机工作的模式，关机后和二次启动前使用大推力沉底，滑行段使用小推力沉底的方案，这样可以保持推进剂连续处于储箱底端。但是缺点是相当浪费推进剂。以长征三号乙火箭的FY-83B型沉底发动机为例，其推力为40N-300N不等，比冲约为220秒，以最小推力的沉底发动机为例计算，在10343秒的滑行段内，两台40N的FY-83B需要消耗376kg的DT-3推进剂。这已经双倍于长征五号运载火箭二级DT-3的加注总量。因而连续沉底的方案对于长滑行段的火箭上面级来说需要大量的燃料，在实际中的可操作性并不大。于是远征上面级使用了全程滑行+点火前沉底的方案。就像你玩KSP+RSS/RO下的沉底，你并不会一直开着你的沉底发动机，而是只在点火前开机。但是为了确保沉底充分，你不能只开一下机，而是要进行一段时间。确保气泡和液体充分混合。

远征上面级沉底模式

远征一号上面级储箱布局

远征一号直径为2.8m，使用了四个主燃料储箱，包括2个偏二甲基肼储箱和2个四氧化二氮储箱。在四个储箱的中间配置了一台YF-50D型泵压式燃气发生器火箭发动机。采用的是承力筒的布局。储箱嵌入在承力筒中的开槽内，外侧还有14台沉底/姿态控制发动机，使用DT-3推进剂，储箱布置在球形储箱的外侧。

可能为YF-50D火箭发动机的模型P2为标注后的图片

YF-50D泵压式火箭发动机，采用燃气发生器循环，火药棒强迫涡轮启动。发动机具备2次启动能力，真空推力为6500N，真空比冲为3095N·s/kg。根据上面那张CG，如果确实属于YF-50D发动机，则可以目测喷管延伸前端使用再生冷却，后段使用的是辐射冷却，燃气发生器尾气环排进行气膜冷却。面积比目测为225左右，偏置涡轮。并且设置有二次启动前的吹除气瓶。看上去很合理。室压未知，混合比未知，发动机自重未知，主泵出口压力未知。

YF-50D为2次启动，则选择火药棒强迫起动比使用自身起动有更高的可靠性。同时火药棒强迫起动的起动速度极快，涡轮泵能够在2s内加速至预定转速。火箭发动机很快的进入工作状态。而自身起动则速度较慢。且对燃气发生器在低喷注压降及室压下的可靠性要求高。对于远征一号发射北斗双星任务的需求，其仅需要2次启动，选择火药起动器的可靠性更高。而对更多次数的起动，多个火药启动器排布困难，则选择使用起动自身起动或者起动箱起动。

上面级在轨飞行时间相比火箭的几十分钟延长至数小时，纯惯性导航误差随时间累积，难以满足长时间自主导航精度要求，且飞行高度从几百千米至几万千米，卫星导航无法全程使用；上面级轨道转移对实时性要求较高，无法像航天器似的通过地面多圈测量实现精确定轨；在远地点变轨时，需克服长时间滑行累积的轨道偏差，完成大范围轨道转移并实现对多个轨道约束条件的控制。为满足长时间自主工作、高精度入轨的需求，需采用多模式组合复合制导导航控制技术。对于多模式组合复合制导导航控制，世界上一般使用基于惯性导航+GNSS/惯性导航+CNS/惯性导航+GNSS+CNS等多种多种模式组合导航。远征一号上面级或许是使用了惯性导航+GNSS+CNS的复合模式导航，采用迭代制导模式。上面级为保证入轨精度，可以加入中段修正等多种方式。目前暂不清楚远征一号上面级是否加入了中段修正等模式，看上去并没有。

上面级的分离高度从数百千米至数万千米，飞行热环境复杂；双组元推进剂温差控制要求高；电子仪器设备内置，功耗大，散热困难；动力系统管路外置，受外界空间环境温度影响大；嵌入式布局的发动机散热困难，工作阶段对储箱加热严重等多重热控问题。

地球辐射带内的空间环境对空间飞行器电子电气系统的影响较大，特别对各类数字芯片的影响不可忽略，上面级轨道跨越内外高能辐射带，涉及空间粒子环境分析、电气系统抗粒子辐射研究、电子设备加固技术、电气系统容错设计等多种技术研究。结合飞行特点，采用冗余设计、软件重构、适当提高元器件等级等多种措施相结合可实现产品可靠性与经济性的统一。针对飞行过程强自主的要求，关键电气设备如三冗余箭载计算机具备自主断电重启功能，可以在发生单粒子翻转或锁定时将发生故障的CPU断电重新启动并实现软硬件同步，保证控制系统的可靠性。

远征一号上面级与北斗三号MEO正样双星组合体的质量为5651kg。M-1S/M-2S试验双星的上面级-双星组合体质量为5835kg。其中北斗三号双星质量为1060kg×2，则远征一号质量为3531kg。长征三号乙改三Z-远征一号上面级对发射北斗三号双星至22000km，55°圆轨道的运载能力最大为2200kg。下图的轨道参数是经过处理的。

由时序计算，远征一号上面级两次启动总计消耗约2229kg燃料。则其干质比高于2.711，大致为3左右。如果其质量和远征一号甲相同，则其干质比最大为3.7。

MEO和IGSO——北斗直送专车

北斗三号导航系统包括中地球轨道，倾斜地球同步轨道和地球静止轨道。中地球轨道卫星工作在约22000km，倾角55°轨道上。此前发射北斗一号和北斗二号的时候，使用的是长征三号甲系列运载火箭发射至中地球转移轨道（MTO,Middle Earth Transfer Orbit），或者同步转移轨道，随后卫星自行升轨。类似于GPS IIIA卫星的部署模式。

但是北斗三号为了减少生产周期，并且为了便于运输，使用了小卫星平台。北斗三号MEO星单星质量1060kg。北斗三号的小MEO平台可以大幅减少生产周期，所以中国才能在一年多内一口气连续发射18颗北斗三号MEO卫星。但这就势必需要一个用于远地点升轨的上面级。于是，远征一号上面级和长征三号乙改三Z型联手，截至本文写作时，其已经飞行了15次，将4颗北斗三号试验星和24颗北斗三号MEO星送入了预定轨道。发发成功，从未失手。

北斗三号M-1S/M-2S以及远征一号遥二在XSLC整备

长征三号乙改三Z-远征一号发射北斗三号MEO双星时采取的策略很大程度上是一个较优解。火箭基础级仅将上面级组合体送入远地点为18000km左右的大椭圆轨道，上面级分离后第一次启动，输出约128m/s的速度增量，进入远地点约为22000km的大椭圆轨道。滑行3个小时后到达远地点。发动机第二次启动，进入21528km×22194km，55°倾角，轨道周期787.1min的轨道。完成末速修正后，上面级以-0.125°/s2的加速度起旋，至-8°/s的角速度后保持稳定约25s，随后将双星分离。两颗卫星自行分离并且展开其太阳能板。上面级在拉开距离后钝化离轨。这样一方面增加了火箭运力，另一方面防止长征三号乙运载火箭的三子级和北斗导航卫星轨道交错，带来的碰撞风险。

长征三号乙改三Z-远征一号上面级发射北斗三号MEO双星的上面级飞行步骤

而在发射北斗三号I-1S的时候，长征三号丙改三Z运载火箭将远征一号上面级和北斗三号I-1S的组合体一口气送上了22000km的轨道。

远征一号运载单星和双星的模式（左，右）

2015.03.06.远征一号遥一上面级出厂运往西昌卫星发射中心

此外如果要说有意思的事情，那就是在http://www.csno-tarc.cn/datacenter/satelliteparameters上的显示，直送的北斗三号MEO星的质量有较大的差异，后期的北斗三号MEO星比前期的要增重10%，那么，又往里面塞了点啥呢？

远征二号——更大的平台带来更大的运力

在最初北斗三号发射的设想中，长征五号运载火箭也将搭配远征二号上面级“一箭四星”发射北斗三号导航卫星。因此，更大的远征二号上面级应运而生。

远征二号相比于直径2.8m的远征一号大了不少。其最大直径为3.8m，最大加注质量为8000kg。配备了两台YF-50D型泵压式火箭发动机，合称YF-51D[32]。按照计划，长征五号将在2018年开始和长征三号乙组合发射北斗三号卫星。然后我们知道，长征五号发生了什么，这里不再多叙述。

远征二号-长征五号适配器分离试验

长征五号-远征二号的指标运力为GEO 5100kg。按照时序，远征二号在发射实践十七号的任务中发动机总计工作1105.138s，消耗燃料4642kg。这样算来干质比就只有2.38，考虑到补救用了额外73s点火的燃料，那干质比似乎也就2.62。

长征五号遥一-远征二号发射实践十七号卫星的预定时序

实践十七号的发射——力挽狂澜的远征二号遥一上面级

正如在我和Saltfish-y2合作的视频中展示的，长征五号首飞载荷实践十七号的目标就是精确的冲向中星5A通信卫星，并且与其交会。然而长征五号遥一运载火箭首飞二级二次启动阶段中推进剂流量管理系统工作异常，导致二级氢提前耗尽，发动机推力不足，延迟了约17s关机。况且长征五号首飞为检验二级工作状态，助推器和一级均为提前关机。最终二级仅将实践十七号卫星和远征二号遥一上面级送入了189 x 29276km x 19.5°的轨道。而预定轨道则是34000km。两条轨道的速度误差约为100m/s。安排两次启动其实就是为了检验远征二号上面级的两次启动能力。

根据航空航天港darklighter的分析，实践十七号-远征二号实际在T+1821分离，远征二号第一次启动在T+1901.4，在T+2020.9关机。

实践十七号-远征二号上面级组合体分离

实践十七号瞄准的目标轨道为一条37286km×37286km，倾角0°的超地球静止轨道。并且其入轨点在美国上空，随后沿着超地球静止轨道向西漂移，这样一是可以快速向中星5A进行漂移，二是该轨道高度接近墓地轨道，不用担心远征二号对GEO卫星造成影响。然而二级提前关机后组合体滞留在该轨道，有可能导致无法按时交会。

标准轨道和目标轨道的星下点差异

长征五号遥一的内部定性为“重大故障抢救成功”。在分离后远征二号进行了轨道重构，将第一次启动从47.3s延长到了119.5s，但是也没有够到预定的37286km，而只是打到了35786km。最后准确的将实践十七号送入了轨道——其实看上去和标准轨道相比不算太准确。根据Comspoc的截图显示，该轨道的近地点和GEO相切，实践十七号的远地点为38737km左右，远征二号钝化后的轨道远地点为39791km。而轨道倾角则只有约0.8°——虽然可能在STK的界面上看起来倾角很大，但是实际上这打的很完美。不过考虑到实践十七号分离轨道的初轨半长轴43639km和原计划的43664km误差不大，看上去重构的轨道是因为相位的原因导致的调相轨道改变。八股也提到实践17在分离后进行了二次倾角控制和五次轨道捕获，不过因为是准备和中星5A进行交会而进行的，不包括轨道补偿等行为。至于远征二号的墓地轨道最合理的解释就是因为YZ-2本该在远地点进行离轨点火抬升近地点，但由于其GNC的重新规划，两次点火均不在原计划的位置，而蓄电池又坚持不到新轨道的远地点，只得在近地点附近进行离轨点火，于是仅仅抬升了远地点。

不过总而言之，得益于远征二号的强势补救，实践十七号卫星成功的在11.12与中星5A卫星交会，并且在接下来的两年内时间，在GEO上展示了极其高超的轨道控制能力。

数十次启动——远征一号A上面级

2016年6月25日，远征一号甲上面级随着长征七号遥一火箭发射而完成了首飞。首飞搭载了12.4吨货物和配重块。包括新一代载人飞船的0.63缩比返回舱。远征一号甲执行了7次机动，包括被称为“太空眼镜蛇”的再入轨道拉起机动。但是我们知道，它的先辈远征一号仅仅具备2次启动的能力，远征一号甲则在首飞就执行了7次启动，说明其配备了更加强大的动力系统——YF-51A型泵压式多次启动发动机。

YF-51A的启动能力为“数十次”，有说法为20次。对于泵压式发动机，如此多次的启动只能使用启动箱或者自身启动。YF-51A使用的启动方式为启动箱。具体操作为：火箭发动机上拥有两个小储箱，分别填充偏二甲基肼和四氧化二氮。点火时气瓶挤压两种组分使其在燃气发生器内混合自燃，推动涡轮。在发动机工作阶段，主泵后会引出导管，将主泵后高压推进剂输送至点火储箱，此时推进剂压力高于点火储箱内挤压气质量，气体被挤压回气瓶。第二次启动的时候气瓶开启，将点火储箱内推进剂再次挤压至燃气发生器进行点火。

长征七号运载火箭首次飞行任务说明

由长征七号遥一任务说明，远征一号甲首飞加注了2.6吨推进剂，则倘若其其余于远征一号完全一致，则其干质比为3.7。看上去好看一点了。

一种可能为YF-51A发动机的专利

YF-51A发动机启动箱的专利[47]

另一种可能为YF-51A发动机的专利，轴系布局看上去更类似于YF-50D

商业发射的改进——远征一号S上面级

2018年10月9日10时43分，长征二号丙-远征一号S上面级成功首飞将遥感三十二号01组卫星送入预定轨道，远征一号S上面级完成了首飞。

遥感三十二号01组-远征一号S上面级组合体吊装

远征一号S上面级也称为远征一号商业上面级，基于远征一号上面级进行适应性改进而成。此前其也被称为远征一号C上面级。采用一台YF-50D型发动机。由于其仅用于发射SSO轨道的卫星，其热控需求和电池续航时间相比远征一号大大减少，只需要工作约1200s。远征一号S的姿态控制系统储箱小于远征一号的姿控储箱，采用了横置的模式。

远征一号S上面级双星发射太阳同步轨道

长征二号丙运载火箭并没有能力将远征一号S上面级和卫星的组合体直接送入低地球轨道。火箭仅将组合体送入高远地点的亚轨道，在远地点YF-50D第一次启动完成入轨。分离双星后YF-50D第二次启动，离轨再入。

长征二号丙-远征一号S的700km太阳同步轨道运载能力为2500kg。

远征三号上面级——21次启动，鸿雁星座的部署器

珠海航展展板上的远征三号（2014）

远征三号上面级的CG

远征三号上面级是由上海航天技术研究院研制的多次启动上面级。最大发射质量3300kg，干重1000kg。使用一甲基肼-四氧化二氮双组元推进剂，采用单台挤压式FY-5000再生冷却式多次启动火箭发动机。发动机不可变推力，真空推力5000N，真空比冲3000N·s/kg，可21次启动。

远征三号有用户手册，所以其资料也较为开放。其可以和长征2D，长征4B火箭组合部署多轨道的卫星，在轨时间大于48小时，设计可靠性0.98。

远征三号上面级包络与整流罩布局

远征三号使用的是惯性导航+GNSS+CNS的三模式复合导航。可以在无地基测控辅助的情况下自行完成轨道规划与机动，换句话说就是“射后不管”的高度自主化飞行能力，并且具备在火箭初始轨道存在大幅偏差的情况下自行规划轨道完成任务的能力。同时远征三号具备自主故障诊断的能力。

搭配远征三号上面级的运载能力

2018年12月29日16时，长征二号丁运载火箭-远征三号上面级首飞发射了6颗云海二号卫星和鸿雁星座试验星——重庆号卫星。3颗云海二号被部署到了520km轨道，另外3颗则被部署到了1095km轨道，在分离鸿雁试验星后，远征三号上面级又进行了多次机动，彻底耗尽所有点火次数后一头扎入了大气层。

新远征上面级——液氧甲烷低温上面级

2016年的时候，远征家族就在考虑新的推进剂组合来取代偏二甲基肼-四氧化二氮的常温推进剂组合。当时的考虑是液氧-煤油的分级组合和液氧-甲烷的开式方案。

同时，目前国内也在开展20kN、30kN低温上面级发动机预先研究。20kN低温上面级发动机使用液氧-煤油推进剂，真空推力20kN，真空比冲3488.8N·s/kg，可起动10次；30kN低温上面级发动机使用液氧-甲烷推进剂，真空推力30kN，真空比冲3544.7N·s/kg，可起动20次，工作时间1000s。

新上面级的设计留轨时间达到年级，大幅增加了多次启动能力，其性能更类似与Fregat，Briz这种多次点火部署轨道的上面级和ACES这种超长时间留轨的一种组合。

随后，数年没有消息。直到2020年9月，30kN膨胀循环的液氧-甲烷发动机完成了试车。标志着新上面级确认使用液氧-甲烷组合。

个人感觉可能会有两个尺寸的新上面级——取代远征1A的大概4吨级低轨分配上面级和取代远征2的8-10吨级高轨上面级，后者既可以6+吨载荷直送GEO，也可以和新一代载人火箭合作向月球轨道部署货运飞船（仅为个人猜想）。

回望与展望——困难与突破

好了，说了这么多，远征家族上面级确实是中国航天不可缺少的功臣。但是其最大的缺点就是干质比实在过于低下，全系列都不到3的干质比，先不用说跟9+的EPSV比，甚至赶不上干质比5.6的Fregat上面级。远征一号干质比底下的原因主要在于其承力筒，如果更换成框架式，可以有效减重。此外，远征系列的比冲也较低，最高仅有315秒，和S-5.92的328s相差较大。远征1和2仅仅2次的启动能力使其不具备多轨道布撒载荷的能力，不过远征1A和远征3倒是很好的填补了这个问题。远征1A是中国首个首飞的多于2次启动的泵压式火箭发动机。（第二个是YF-75D）

不管怎么样，我们仍然希望远征家族上面级可以在今年的3次北斗三号MEO补网星部署和遥感三十二号02组的发射中完美完成任务，我们也期待着新远征上面级首飞的那一天。