从间谍照相机聊卫星投送界的顺丰快递——上面级
来源 | 航天爱好者
作者 | 超级LOVEOVERGOLD
上面级并不是一个70年代才产生新型航天器，其实上面级鼻祖阿金纳（Agena）在美国50年代就开始研制并成功发射！
一、冷战催产
二战结束之后没有多久，1946年美国空军就开始实施兰德项目（Project RAND），该项目研究军事用途卫星运载器（Satellite Vehicle），确认了通过极地轨道进行空间侦察的可行性，美国的弹道导弹开始研究用于发射侦察卫星。项目组后续在福特基金会支持下独立成为美国智库兰德公司。
随着冷战的升级，两个超级大国争相开展洲际导弹的研制。但情报工作重要性也刻不容缓，知己知彼，方能百战百胜！1955年，美国空军在兰德项目研究的基础上开始正式制定战略卫星系统的武器系统方案，项目命名为WS-117L，主要目标是开发轨道照相侦察平台，洛克希德于1956年10月成为该系统的主承包商，核心元素是一种新的多用途航天器，自带发动机具有轨道机动性，可作为运载火箭的二级以及侦察系统的运载工具，代号阿金纳（Agena）。苏联在1957年10月4日发射第一颗人造地球卫星、以及U-2侦察机侦察行动在1957年开始遇到的日益严重的区域和次数受限问题，进一步加速了阿金纳的研发。
但这个上面级的鼻祖在加速研发的时候遇到了一个挑剔的载荷——科罗纳(Corona,日冕，同某啤酒品牌)照相侦察项目使用的间谍照相机！
二、特殊的载荷——一台胶卷要送洗的照相机！
在上世纪50年代由于CCD或CMOS等感光电子器件尚未成熟，当时照像侦察只能用胶卷拍摄，拍完了回收胶卷盒并冲洗，这一代间谍卫星均属于的胶片返回式照像侦察卫星范畴。
胶片拍摄充满了期盼，洗出来的可能是惊喜，也可能是失望，玩过胶片机的中年读者会有同感，上世纪80～90年代，一个柯达、富士胶卷20多块，冲洗6毛钱一张，节衣缩食就期盼纸袋里面滑出照片的那一刻！
但情报机关CIA只想要惊喜！他们希望在科罗纳的照相机拍的尽可能清晰、尽可能全、回收过程中尽可能不要丢！
从1957年到1965年，一个高科技公司Itek为CIA研制了世界上最先进的卫星侦察照相机。这个公司名垂青史，后续也为阿波罗等项目制造照相机。但这台不普通的照相机有几个特殊要求！
01
大口径、长焦距、宽胶卷
科罗纳项目的间谍照相机由Itek公司制造，科罗纳第一代KH-1卫星间谍照相机（锁眼1，Keyhole1）为德国蔡司专利的三片Tessar镜头，焦距610毫米（24英寸），镜头直径174毫米，后续不断升级，KH-4已经升级为Petzval F/3.5全景镜头，4片两组的结构，直径和长度升级为21.6×86.4cm，放大能力16倍。
拍摄的70毫米帧长胶卷由伊斯曼柯达公司生产，仅为76 µm厚，可不是一般的柯达胶卷，它的分辨率达到惊人的170线/毫米，由于彩色胶卷在两次任务中发现分辨率低，因此其他任务均为黑白。一开始单台相机携带2400米（7000英尺）胶卷。后续随着胶卷厚度的进一步削减和胶卷盒的增加，到KH-5两台相机一共可以携带9800米。
02
拍的全
为了实现对地表广角宽幅的摄影侦察，兰德项目组试图在稳定的卫星平台上，使用窄角相机镜头摆动拍摄的方式。这种创新想法，Itek在1957年年末首先在美国空军高空气球侦察项目HYAC（HIGH-ACUITY）中试用。下图这张延时拍摄的照片显示了HYAC I气球侦察照相机，为了实现广角宽幅拍摄，相机的镜头摇臂沿着半圆形的底座，对70mm底片进行曝光，扫描视角达到120º。
非常抱歉，关于镜头，NRO标注Special Handling，我所能提供的关于镜头的照片，所有的都羞答答低个头，像待出嫁的姑娘。
这款12英寸焦距的HYAC I照相机是24英寸焦距科罗纳项目的照相机原型。不久，CIA联系了Itek提交了第一批卫星用侦察照相机的需求，早期的科罗纳均采用了此类摆动广角照相机。
像下图的KH-4，呈30夹角设置的两台照相机进行70度的摆动，一次拍摄的范围相当广，如果不受天气等影响，CIA的惊喜那个大！
Itek也研制了U-2和SR-71同款的广角照相机，这些在上世纪60年代的技术一直沿用至今。下图中黄色为SR-71机头左右两台 TEOC（Technical Objective Camera）照相机拍摄区域，蓝色为科罗纳侦察卫星拍摄区域，通过相机摆动设计，可以实现左右各35海里，宽2海里；橙色为SR-71的先进合成孔径雷达（ASARS）拍摄区域。明显可以看出卫星侦察的效率之高。
03
需要回收的大胶卷盒
不像我们骑个自行车兴冲冲把胶卷送冲洗店，科罗纳的胶卷要从天上送地面，要经历地狱般的重入大气层，接受烈火高温的考验，还要准确对准回收地点！下图中金黄色的为胶卷回收舱。
由于涉及绝密信息，为了防止胶卷回收过程中被敌对势力或者民众捡回，又怕掉地上损毁底片曝光，采用C130运输机空中回收的方式。
04
需要一个稳定的保障平台
照相侦察卫星的镜头要能够瞄准目标区域，同时照片拍的清晰，相机一定要拿的稳，不能抖，能让相机瞄准目标。因此科罗纳间谍照相机要求平台在太空有导航、姿态稳定的能力。此外，还需要有电力供应、通信等一堆相机工作的周边需求。
三、娘胎里就是一个独立的功能单元
01
麻雀虽小，五脏俱全
间谍照相机的各种空间工作要求交到了阿金纳的设计小组。从已解密的《AGENA FLIGHT HISTORY（1967）》文件来看，从一开始，阿金纳就以一个独立的航天器进行设计，他是世界上第一种具有三轴稳定和多次启动能力并能在轨进行机动飞行的上面级，同时给载荷提供电源、通信，能和载荷高度集成，阿金纳上面级整体规划是颇有远见的应用顶层设计！其各个组成部分包括：
02
你负责送我一程，我负责入轨和任务
阿金纳上面级已经和火箭的基础级完全独立开来进行定位和设计，并与第一级分工明确，各司其职，组合搭配，你负责送我一程，我负责入轨和任务。
阿金纳能够和Thor（雷神），Atlas（宇宙神）和Titan-3（泰坦，大力神）基础级的上一级，将各种军事和民用有效载荷发射到轨道上。
03
毒发，但能够可靠多次启动
Agena以Bell XLR-81液体推进剂火箭发动机为基础，推进剂为常温双组元，UDMH（偏二甲肼，剧毒）/ Red fuming nitric acid（发烟硝酸）。推进剂自燃，无需点火，推力71kN，真空比冲293秒。BELL的这款发动机可圈可点的是推力室采用了冷门的铝结构设计，而不是铜，减轻了重量！通过再生冷却通道冷却了铝发动机喉部和喷管。
多次启动、长时间在轨滑行其实意味着阿金纳上面级具备了轨道机动。
04
三轴稳定
阿金纳三轴稳定系统有三个陀螺仪、两个地平线传感器，并使用氮气进行姿态修正。这使得阿金纳能够具备轨道飞行稳定性，满足地面分辨率成像的需要，满足科罗纳相机精确指向要求。
05
供电
携带93磅（42公斤）的银锌电池，作为主要供电源，后续扩增到19.5千瓦时，并从60年代初期开始用太阳能帆板作为补充电源，满足长时间空间工作需要。
Thor（雷神火箭）-阿金纳上面级组合在1959年2月28日成功将Discoverer 1卫星送达极地轨道。美国空军于同年6月发射了科罗纳的第一代照相侦察卫星。
四、多才多艺——在人类航天史上留下浓重笔墨的阿金纳上面级
从科罗纳项目中练就的三轴稳定、供电能力、天地通信、数据处理等功夫，多才多艺，让这款原本是作为照相机载具的运载器和航天器的混搭设计，获得了旺盛的生命力！
01
不断升级换代
在阿金纳良好的设计规划基础上，洛克希德公司进行不断升级。
02
古巴导弹危机发挥受限后，照相侦察技术突飞猛进
1960年5月1日U-2在苏联领空被击落后改项目进展明显加快,科罗纳发现了苏联方面所宣称的所谓的美、苏导弹差距并不存在，赢得了外交主动权。这样一来，进一步加强了在侦察卫星上的投入。经过改进的阿金纳D上面级在1962年投入使用，发射了KH-4,
但在1962年秋天古巴导弹危机中，KH-4照片侦察卫星2－3米的地面分辨率图像仍不够高，而且遇到了云层阻挡，导致侦察效果不好，但这进一步强化了美国在侦察卫星上的投入。阿金纳D后续发射了NRO（美国国家侦察办公室）的KH-7（GAMBIT，话题）,KH-8（GAMBIT 3，话题-3）等型号侦察卫星，KH-8的分辨率达到了惊人的0.1米，（这分辨率在解密之后真的成为了大家议论的“话题”），同时在轨能撑31天。
03
为阿波罗计划奠定空间对接基础
阿金纳本身实际上已经是一颗卫星通用平台，成为美国在60年代众多卫星和实验性航天器的核心。
阿波罗计划最有挑战的是登月舱和指挥舱的对接，极具挑战。为了扫清障碍，阿金纳D被作为对接目标航天器进行了改装，改装的BELL 8247发动机具备空间15次启动能力，增加了专用通信设备、雷达应答器、对接锥。
1966年3月16日宇航员尼尔∙阿姆斯特朗（人类登月第一人）和大卫∙斯哥特搭乘双子座8号升空，与稍早发射的阿金纳D对接，模拟月球任务所需的技术，完成了人类历史上第一次空间对接任务，这是阿波罗登月计划中一个重要的里程碑。
在双子座11号任务中，阿金纳D在对接之后，双子座舱内的宇航员操纵BELL 8247发动机点火，空间机动变轨为远地点1375公里的椭圆形轨道，创下了当时“最远地球人”的记录。看看，这些滑行、变轨什么的都是后续航天应用的技术储备。
另外阿金纳还承接了美国CIA、空军名目繁多的空间实验项目，包括提防苏联通过电子手段劫持美国在轨卫星的“BIT”电子侦察计划等。阿金纳变成了多功能的太空卡车。
五、上面级——入轨后应用为王的概念
美国共制造了阿金纳上面级380个，一直延续使用至1987年退役。阿金纳上面级被大量使用，充分说明了此型上面级的成功，也说明上面级功能的重要性。
但关于上面级的定义众说纷纭。为了理清概念，上篇《NEED FOR SPEED！一切为了速度----齐奥尔科夫斯基开创的多级火箭时代》，阐明多级火箭的概念更多的是从结构上定义，而前述阿金纳种种为了科罗纳照相机具体实践应用的设计，指明了上面级更多的是从具体任务出发的分类结果，和基础级做了区分：
01
对上面级贴切的定义
美国的 38 46389 38 17628 0 0 7820 0 0:00:05 0:00:02 0:00:03 7817用标准MIL-STD-1540是具有国际影响的用于航天器试验和验证的标准，对于各国在航天发展中是一个重要的参考标准，根据1999年美国军标MIL-STD-1540D，关于上面级的定义为上面级是飞行器的1到多级，在基础级运载器发射进入准地球轨道基础之上，能够进一步将一个或者多个航天器载荷送入预定轨道。要点有两个：
1、完成基础级运载火箭不能完成的任务：霍曼转移（两点火，一滑行）、调整倾角等轨道机动，让连续工作的运载火箭来实现勉为其难，而阿金纳等上面级，可控的多次点火和停泊轨道长时间滑行的组合，可以实现灵活的转移和入轨，可以形象的比喻为“可编程入轨运载器”；
2、一站式航天器保姆服务： 完善的供电、通信、轨控、姿控、分配器等周边，令载荷设计专注于在轨任务。
禹天福前辈点评
由于具有上述特点，上面级受到了世界各航天大国的高度重视。美国先后发展了阿金纳、半人马座、惯性上面级和有效载荷辅助舱等上面级，俄罗斯成功研制了质子号D级、微风、Fregrat等上面级，欧空局则为阿里安一5运载火箭研制了EPS，ESC—A/B上面级。我国也成功发射了远征一号甲和远征二号上面级！
02
卫星投送界的顺丰快递——上面级的卖点总结
上面级具有较强的任务适应性，具有自主飞行、多次起动、长时间工作等特点，尤其是长时间工作这个要求，通常为几小时至几天，这可不是火箭几十分钟对于供电、保温、抗辐射的要求，难度相当大，但是带来的好处是显而易见的！
1、快递送的快——直接入轨
以往运载火箭只能将卫星送至转移轨道，让装满剧毒的推进剂的卫星自驾出行，变轨到目标轨道不仅不经济也费时。有了上面级，运载火箭将“上面级+卫星”送入转移轨道后，再由上面级直接将卫星发送到目标轨道，卫星不需要再变轨，这样卫星就可省下自身携带的燃料，用于在轨工作期间的轨道维持，卫星寿命得到延长。
另外美国后面那些大情报收集卫星，天线大，经不起远地点发动机反复点火折腾，就靠上面级3次点火直送GEO。
2、快递送的多——一箭多星
上面级具有多次变轨、高精度导航等特点，许多一箭多星任务可由上面级完成。目前，通用的一箭多星发射方式有两种：一种是天女散花、撒土豆，单次多放，即一次将多颗卫星送入一个相同轨道，2017年2月15日凌晨，印度用一枚箭向太空中发射了104颗卫星，创造了一箭多星的世界新纪录，采用的就是第一种发射方式，技术相对简单。另一种是有心插柳，多次单放，即分次分批将多颗卫星送入多个不同轨道，这就要靠上面级的多次变轨能力和分配器的工作可靠性，如欧空局采用一箭多星的发射方式分两次向两个轨道面发射伽利略导航卫星。
3、快递送的远——星际探测
上面级还可满足一些特定任务的工作要求，比如要突破第二宇宙速度的行星际探测器加速和特殊轨道送达要求。阿金纳在羽翼渐丰的时候就被看上用于发射行星探测器，1962年8月27日，美国的水手2号金星探测器通过阿金纳上面级送入到金星的轨道，同年12月14日水手2号从距金星34800千米处飞过，探测了金星的大气温度，揭开了人类探测金星的序幕。是美国第一只成功的星际间探测器，是世界上第一个到达金星附近的星际间探测器，测得金星表面温度大概在425摄氏度（内行星殖民算了）。
老当益壮的“半人马座”上面级有出色的深空探测器快递工作经验，包括递送最近因公殉职的卡西尼！在1997年10月15日，“半人马座”奋力一掷，让有史以来最重的升空探测器——5.7顿的卡西尼号获得第二宇宙速度，送入地球-土星的转移轨道，由于需要使用引力弹弓，该轨道非常复杂。
另外也要说一下波音公司开发的惯性上面级Inertial Upper Stage (IUS),可以从大力神4或者航天飞机上发射，1988年IUS从航天飞机上发射了麦哲伦金星探测器，创下多个第一！IUS在1990年发射了伽利略木星探测器。
4、快递跑断腿——苏联/俄罗斯靠上面级弥补发射场纬度高的短板
对于像俄罗斯北纬46度的拜科努尔发射场，发射地球静止轨道卫星除了需要强有力的基础级火箭外，还需要上面级多次点火和变轨。像微风M “Briz M”上面级，该上面级可以在太空中多达8次点火、工作24小时，直接把载荷送入到远地点轨道或GEO轨道。
以2017年9月12日用质子火箭发射西班牙通信卫星“Amazonas 5”（42934，2017-053A）为例，通过“微风M”上面级9小时5次点火，将Amazonas 5送入4361×35271km×22.9°的轨道。“微风”快递，让卫星感觉到假装是在中低纬度发射，完全没毛病，价格还公道！
随后在2017年9月14日，西班牙通信卫星“Amazonas 5”（42934，2017-053A）远地点变轨近地点升高约5800km，倾角减小约10.5°，进入10172×35275km×12.4°的轨道。
03
上面级的皇冠——低温上面级
世界各国的上面级大同小异，基本结构均包括遥感控制系统、姿态控制系统、导航设备、供电和测控设备、火箭发动机、推进剂贮箱、卫星适配器等，实现多次启动能力，长时间滑行能力。但是最有技术含量的是采用液氢液氧推进剂的低温上面级。
现有的上面级为了实现长期在轨的能力，一般采用常温的可贮存推进剂，氧化剂一般采用四氧化二氮，燃料一般采用一甲基肼、偏二甲肼或无水肼，这类毒发常温推进系统的比冲最大也就是330秒多一点，因此变轨能力相对还不是很强。而液氢/液氧推进剂比冲可以达到450秒以上，带来的速度增量非常明显！是各国争相攻克的难题！低温上面级有一些比较有意思的设计：
1、带上斗篷
太空中是温度极低的真空环境，零下200多摄氏度，而被太阳晒温度又会到极端的上百度，所以上面级要考虑保温。但由于液氢的贮存温度太低，零下253度，长期在轨情况下的热控难度太大，一天的蒸发量甚至在20～30%左右。因此低温上面级使出了种种招数保温，像采用了高性能的液氢/液氧推进系统的“半人马座” D-1T为了提高性能和增加滑行液氢箱外壁增加3 层镀铝聚酯膜，隔离辐射热，太阳加热率从8.2 kW 降低到0.15 kW，降低55 倍。还曾用上了太阳遮蔽装置，减少液氢的蒸发。假如液氢/液氧推进剂的长期储存技术能够得到有效解决，还将出现功能更为强大的上面级。另外低温上面级的推进剂沉底、排气等管理问题也比较棘手。
2、喷管的变形金刚——可延伸喷管
在真空工作的低温上面级，由于围压基本为零，为了让燃气充分膨胀，喷管通常设计为较大的扩张比，但是为了减重，出现了可延伸喷管，由基础喷管（与燃烧室固定连接）和喷管延伸段组成！1995年美国开始研制德尔他3的低温上面级RL10B-2，它采用大扩张比、92Kg重的碳-碳材料可伸展的喷管延伸段（长2.5M，法国SEP研制）, 工作时通过移动机构将喷管延伸段从收敛位置移动到展开位置，喷口扩张比达到惊人的280，专治欠膨胀，真空比冲达到465.5S，直逼液氢液氧推进剂的理论工作极限！推力11236千克力，重量仅为277公斤。
3、电点火实现多次启动
在基础级常用的固体火药点火方式，用一次少一次，难以满足低温上面级多次启动的工作需要。为此低温上面级用上了电点火，全称是火炬式电点火系统，他是一个完整的微型前置燃烧室，小股氢氧推进剂先进入点火器的燃烧室中，电火花点燃后产生的火焰再点燃主燃烧室的推进剂。当燃烧室的推进剂点燃后，火花系统关闭，而点火器的燃烧室一直工作，为主燃烧室维持可靠的点火源，和大排档的液化石油气灶工作模式很像。
总结：
上面级最早是用来完成地球低轨道发射任务的。如今, 它的功能已经发展到完成从低轨道到同步转移轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等各种轨道的有效载荷运送, 并成为在轨机动、航天器返回地球等航天活动的主角。运载火箭的运载能力在很大程度上取决于上面级推进系统。由于上面级技术极大地拓展了已有运载火箭型号的能力范围，各航天大国都在积极发展上面级技术。
不过上面级增加了整个火箭的复杂性，增加了任务失败的风险，美国、俄罗斯的火箭上面级都曾多次出现故障而导致飞行任务失败，尤其是俄罗斯的微风上面级的安全记录，最近几年让保险公司伤透了脑筋。等我有时间，对RL10和微风等上面级写几个专题。
最后给世界各国的上面级来一个合影。
感谢禹天福老前辈、沧海逸鲸、Saturn V给予的指导。
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本文转载自“航天爱好者”，原标题《从间谍照相机聊卫星投送界的顺丰快递——上面级》，作者 | 超级LOVEOVERGOLD
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