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摘 要 本文介绍了上面级结构国内外研制情况，概述了结构研制的主要要求及特点，并提出了开展设计工作的主要方法和注意事项。
关键词 上面级;结构;注意事项
Abstract This paper introduces the development of the Upper Stage structure at home and abroad，summarizes the main requirements and characteristics of the structure development，and puts forward the main methods and matters needing attention in the design work.
Key words Upper Stage; Structures
引言
上面级（Upper Stage）又称为太空摆渡车，属于航天运载器范畴，是在基础级火箭或重复使用运载器上面增加相对独立的完整单元，其工作段通常已进入空间轨道，可以实现多星部署、变轨机动等功能，提高了火箭性能和任务适应性。
1 国内外发展现状
1.1 国外发展现状
美国早在20世纪50年代末就开始了上面级研制，到70年代中期总共研制了十多种上面级，比较典型的有阿金纳、过渡级、半人马座等。80年代以后，美国又研制了多种新型上面级，如：有效载荷助推舱（PAM）、惯性上面级（IUS）、轨道转移飞行器（TOS）和Delta Ⅳ等。
俄罗斯先后发展过多种上面级，比较著名的有微风M、KVRB及DM3等。
欧空局为了提供国际空间站后勤服务，先后研制了自动转移飞行器（ATV）及太空拖船（CX-OLEV）;为阿里安5配套的EPS二子级、为织女火箭配套的AVUM舱是典型的上面级，为我国发射北斗卫星研制的上面级结构提供了有益借鉴。
1.2 国内发展现状
我国上面级研制工作从CZ-2E的EPKM开始，后续又成功研制了CZ-2C/FP上面级，7次成功发射，将2颗模拟星和12颗铱星送入预定轨道;CZ-2C/SM火箭为发射中科院双星研制了专门的固体主动力上面级，通过两次发射成功将两颗中欧合作的空间探测送入轨道;在CZ-2C/FP基础上新研制串联双星分配器形成CZ-2C/SMA，成功发射环境AB星。
为满足二代导航卫星组网要求，航天一院研制了远征一号上面级，与CZ-3B火箭组合可以同时将2颗1t重的卫星送入MEO轨道，并以此为基础同时研制了远征一号S、远征二号和远征一号甲4种上面级构型，分别与CZ-2C、CZ-5和CZ-7火箭组合，具备将4颗1t重的卫星送入中地球轨道的能力;上海八院同时期研制了远征三号上面级，卫星侧璧悬挂，具备机动变轨和多星部署能力[1]。
2 主要特点
上面级是运载火箭的一部分，结构研制兼顾火箭结构和卫星结构特点。
2.1 刚度是主要设计指标
上面级位于火箭顶端，轴压、弯矩和剪力等载荷的绝对值较小，基础级箭体结构常用的强度考核标准不再适用，而是按照卫星结构设计思路，以横向1阶频率作为主要考核指标，以此来设计结构的传力路线、布局，優选合适的结构形式和参数;对爆炸螺栓连接、紧固件连接和贮箱悬挂等位置，仍需要校核结构局部强度，并设计较大剩余系数。
2.2 布局多样
结构布局设计是上面级结构研制的重要内容。合理的结构布局，有利于提高横向1阶频率，同时减轻结构重量。结构布局主要包括两个方面，贮箱布局和卫星布局。
（1）贮箱布局
上面级结构研制是在火箭整流罩包络、接口限制条件下开展工作。任务不同，推进种类、数量有较大差异，因此贮箱布局有较大差异，一般包括串联、并联和串并联3种方式。
氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱上下串联，部分型号以共底的方式形成子母环抱的串联方式，如KVRB上面级和阿里安5火箭ESA上面级。贮箱既是推进剂的盛装容器，也是有效载荷的支撑结构和仪器安装平台。串联方式盛装推进剂较多，适用于执行飞行时间较长、有效载荷较重的任务，但整个上面级占用整流罩纵向空间较多。
对某些任务，由于飞行时间较短，消耗的推进数量较小，如果采用串联方式，贮箱纵向高度将非常短，因此产生了小贮箱并联方式，如阿里安5火箭EPS二子级和织女火箭AVUM舱。采用并联方式，节省了整流罩纵向空间，提高了结构内部空间填充比;同时小贮箱便于加工，容易实现产品化。俄罗斯的Fregat上面级是极端的贮箱并联布局构型，6个贮箱相互连接形成1个整体，并在贮箱顶端安装有效载荷。
俄罗斯的微风M上面级，则采用了串联、并联相结合的方式，2个串联的贮箱外侧包裹着可以抛弃的环形贮箱，形成串并联结构。这种方式提高了任务适应性，但结构承载效率并不高，对推进剂管理也提出了较高要求。
（2）卫星布局
当上面级用于发射多个有效载荷时，卫星布局也是影响结构效率的重要环节。上面级结构研制一般与卫星同步开展，需要考虑卫星的数量、外形、传力方式和连接接口等因素。按卫星与上面级连接方式，可以分为底部支撑和侧璧悬挂2种类型;根据卫星排列方式，可以分为串联、并联和串并联3种方式。
对于底部支撑连接方式，卫星分担了较多的飞行载荷，自身需要具备较大刚度，以满足火箭发射需要的最低要求;对侧璧悬挂连接方式，则主要依靠分配器结构提供支撑，简化了卫星结构设计。卫星采用串联、并联或者串并联方式，往往是根据整流罩内部空间和火箭的运载能力决定的[2]。
2.3 适应空间环境
除了经历地面操作、火箭发射等力学环境，上面级结构还要伴随卫星在空间环境下飞行较长时间，需要考虑空间环境对结构性能的影响以及结构材料在空间环境下的析出物对卫星的影响。
空间环境主要包括真空、电子辐照、低温、磁场、微流星体与空间碎片、等离子体、静电场、微重力、原子氧等环境。其中，对结构有较大影响的环境包括真空、电子辐照和低温环境。
（1）真空环境。真空是空间最主要的环境。上面级运行轨道不同，真空度也不同，轨道越高，真空度越高。地球海平面标准压力是101325Pa，在90km高度时为0.2Pa，200km时为1.5×10-4Pa，500km时为10-8Pa，而在月球表面为10-11～10-12Pa。由于真空环境，运行轨道相对地球表面产生了压力差、热辐射、出气和冷焊等效应。
①压力差效应。由于外部压力变化，在地球表面和空间轨道之间会产生较大的压力差，对密闭承压结构，需要考虑环境变化引起的内部压力增加;对非承压结构，则需要避免形成封闭结构，避免由于压力差引起结构损伤;当然，也可以利用压力变化，作为结构分离的动力。蜂窝夹层结构，夹芯应选择带孔蜂窝，且周边不密封，使结构内外压力平衡;用于包覆蜂窝的铝基胶带、聚酰亚胺薄膜，表面需要增加透气孔。
②热辐射效应。由于缺少空气对流，在真空环境下热交换的方式只有辐射和传导。除飞行器内部热源，受太阳辐照、深空冷黑背景影响，在真空环境下结构与外界的传热主要通过辐射方式，因此结构表面的辐射特性对其温度控制起着重大作用。热控涂层或者隔热结构，影响热量吸收的主要参数是半球发射率和太阳吸收比，数值越小，防热、隔热效果越好;影响结构内部的热传导效率的主要指标是热导率或者当量热导率，数值越大，传导效率越高[3]。
③出气效应。在真空环境下，金属、非金属材料中的气体不断从其表面释放出来，材料的蒸发、升华会造成材料组分的变化，引起材料质量损失、造成有机物的膨胀，改变材料原有的性能。作为一般的准则，TML（总质量损失）1.00%，CVCM（可凝挥发物）0.10%一直被作为航天器材料的淘汰线。
④冷焊效应。冷焊效应一般发生在10-7Pa以上的超高真空环境。相互接触的表面间出现干摩擦、粘着或冷焊，可以加速活动部件的磨损，减少工作寿命，甚至出现故障，如天线、太阳电池帆板打不开等。通过在活动部件表面喷涂固体润滑膜，可以有效防止冷焊效应，常用的固体润滑膜材料包括石墨、二硫化钼等。将二硫化钼等粉末喷涂在运动表面，在高温下固化，但在接触应力较大的部位，涂层容易脱落，形成粉末多余物。
（2）电子辐照环境。地球辐射带中的高能带电粒子、银河宇宙线和太阳耀斑喷发出的太阳宇宙线，它们的能量高，有一定的贯穿能量和破坏能量[4]。
在高真空环境中，在总剂量达3×109和1×1010拉德的电子辐射下，石墨/环氧层压复合材料各项机械性能虽受到一定程度影响，各项指标下降约10%～20%，但没有发生严重破坏，仍具有较好的稳定性;凯芙拉/环氧复合材料受电子辐射后，机械性能受影响较大，某些性能指标下降达50%～60%，说明凯芙拉/环氧耐电子辐射的稳定性较差，不适宜用于长期在轨环境。
（3）低温环境。低温环境不是空间环境独有，如低温贮箱，在地面和火箭飞行段就需要满足低温环境要求。在空间，和低温相关的因素还包括：无限的容积、3K的背景辐射等。
结构与低温相关性，主要体现在结构材料性能与常温环境下的差异，主要包括强度、韧性、耐腐蚀性、工艺适应性和经济性等。铝合金是弹箭体结构最常用的金属材料，具有较高的比强度、比刚度，加工性能优异，价格低廉。一般而言，随着温度降低，铝合金材料的拉伸强度、屈服强度不断增加，塑性和切口的屈服强度比则不敏感;7000系合金在0K温度下相对于常温，断面收缩率下降约50%，不适宜用于低温环境。而钛合金由室温冷却到液氢温度，收缩率仅有铝合金的40%，不锈钢的60%左右，这对于减少热应力非常有利，同时钛合金低温热导率低，对于减少漏热非常有利。
2.4 选择高性能材料
上面级结构应尽量选用技术成熟、性能优异的材料，其主要指标为材料的弹性模量，对材料的强度要求不高，对延伸率为表征的塑性，由于应力不大所以可以放宽[5]。
表1列出了常用金属材料力学性能。从表中数据可以看出，三种材料的比刚度差别不大，但钛合金具有较高的比强度，其次是铝合金，再次是钢合金。从承载考虑，对以内压为主要设计工况的贮箱选择钛合金是最适宜的。阿里安5GEPS上面级以四氧化二氮和一甲基肼为推进剂，选择2219作为贮箱材料，为提高火箭的运载能力，曾提出以钛合金（Ti15.3.3）替换铝合金（AL2219）的方法。
以非金属替代金属、以有色金属替代钢铁，已成为材料应用大势所趋。不论用玻璃钢、碳纤维还是硼纤维增强复合材料取代钢，都可以使比强度提高1个数量级。加上由于有较多的可控结构参数影响最终性能，复合材料比其他材料有更自由的可设计性，并且还具有无磁、容易加工成形等优点，使它很快在航天技术领域得到推广和使用。
2.5 轻质化要求高
对火箭而言，上面级与卫星共同构成有效载荷;上面级结构重量对火箭的结构效率影响较大，因此对结构轻质化要求较高。
工艺成熟可靠的前提下，上面级结构应尽可能减轻结构重量，而不必考虑由此带来的成本增加，原材料成本在整个上面级结构费用中占比不高，应用高性能材料带来的重量减轻以及对运载能力的提高更具吸引力[6]。
3 结束语
上面级结构从总体上更接近卫星结构，按刚度设计且需要满足空间环境要求，局部结构需要满足强度要求;由于整流罩空间限制和发射目标、运行轨道不同，上面级结构布局形式多样;上面级更关注承载效率和性能，优先选用高比刚度、高比强度材料和先进的结构形式，结构轻质化能显著提高火箭的运载能力。
参考文献
[1] 吴德隆.结构设计[M].北京：宇航出版社，1994：12.
[2] 佚名.世界航天运载器大全（第2版）[M].北京：中国宇航出版社， 2007：10.
[3] 达道安.空间低温技术[M].北京：中国宇航出版社，2007：6.
[4] 陈烈民.卫星结构设计与分析[M].北京：宇航出版社，2004：29.
[5] 朱贤.空间低温技术[M].北京：中国宇航出版社，2007：101.
[6] 陈烈民.卫星工程概论[M].北京：中国宇航出版社，2003：251-260.
作者简介
刘利明（1970-），学历：硕士，高级工程师，研究方向：航天器結构设计。