2019年12月16日，长征三号乙/远征一号运载火箭顺利将最后一组北斗三号MEO（中圆地球轨道）组网卫星送入预定轨道，正式建成北斗全球卫星导航系统核心星座。远征一号上面级作为专为我国新一代北斗导航卫星研制的轨道转移运载器，自2015年成功首飞以来，精准执行了15次飞行任务，将4颗北斗导航试验卫星和24颗北斗三号MEO卫星准确送入预定轨道，为顺利完成北斗三号工程组网任务贡献了重要力量。随着最后两颗MEO组网卫星成功入轨，远征一号上面级任务圆满收官。
为北斗工程而生
我国早在北斗全球卫星导航系统规划之初，就提出要在短时间内向中、高轨道发射数十颗卫星的快速组网计划。为满足北斗卫星导航系统快速部署的要求，时任北斗二号工程总设计师的孙家栋提出由“上面级”执行直接发射入轨任务的设想。
图为矗立在发射塔架的长征三号乙/远征一号运载火箭。 肖国军 摄
长三甲系列运载火箭总设计师姜杰说，上面级的工程决策非常重要，它是北斗工程的独木桥，对工程能否顺利组网起到了关键作用。“火箭直接将高轨道卫星送入工作轨道是国家快速进入空间能力的体现，虽然研制难度非常大，但它对于北斗工程而言是不可或缺的。”
以现有运载火箭推力将新一代北斗导航卫星送入两万公里的轨道，或使用卫星自带的燃料进行轨道转移，不仅成本高，还将大大折损卫星寿命。因此，采用基础级与上面级组合方式实施直接入轨发射，成为北斗三号工程节省成本、提升入轨精度、实现星座快速组网的必备条件。
2009年年底，新一代北斗导航卫星重大专项工程立项，使用上面级与长三甲系列运载火箭组合实施直接入轨发射被确定为中圆轨道卫星发射方案。航天科技一院运载火箭系列总设计师龙乐豪说，我们的运载火箭叫“长征”，上面级比基础级火箭飞得更高更远，可以叫“远征”吗？
从那时起，以“远征一号”命名的上面级工程研制正式启动。2010年8月，一院一部选派18人成立研究室，专门负责上面级的研制任务。
长三甲系列运载火箭副总设计师叶成敏介绍，上面级的专业名称为“轨道转移飞行器”，相当于“太空摆渡车”，它将有效载荷（如卫星）从某个转移轨道送入预定工作轨道或预定空间位置，是具有自主独立性的航天运输飞行器。
“采用‘太空摆渡车’，体现的是技术创新和工程管理创新，是正确的决策，也是航天人的担当。”姜杰评价说。
凝心聚力攻克新专业
从2009年开始关键技术攻关，到如今任务圆满收官，10年来，远征一号试验队倾注了大量心血。回想起产品研制初期的艰辛岁月，远征一号上面级型号办副主任肖泽宁感慨万千。
对于当时的一院来说，研制上面级面临的是全新的专业、全新的领域。作为连接火箭与卫星的全新产品，上面级要同时具备运载器和空间飞行器的双重特点。“以前火箭飞十几分钟至半个小时就入轨了，远征一号上面级可以飞将近4个小时。”肖泽宁说。上面级面临着在极端环境中飞行数小时、几万公里的考验，研制人员会遇到一些以往不会接触到的难关，必须突破自主、准确、可靠三大难题。
当时，国内没有经验可以借鉴，国外公开的资料也不涉及核心关键技术，设计团队只能摸着石头过河。“我们通过不断地争论、研讨，想明白为什么火箭这样做、卫星那样做，从而推导出我们应该怎么做。”叶成敏说。
历经6年时间，研制团队先后突破了热控、长时间自主导航制导、长时间滑行推进剂管理等多项重大关键技术，开展了千余项地面试验，开展了大量的环境适应设计、分析与验证，采用了百余项新技术。肖泽宁说：“最难的还要数热控试验。”
由于上面级要在空间环境中飞行数小时至几十小时，因此对热控和空间单粒子防护要求很高。“技术突破的难度非常大，我们不是怕工作量大，而是怕方向不对。”肖泽宁说。
研制团队向经验丰富的卫星研制兄弟单位学习，分析上面级与卫星的共性和差异化。他们通过一系列分析比对，在主动热控环节，于推进剂输送管外侧紧密缠绕加热带，保障机体温度在规定范围内，终于解决了上面级的热控难题。
通过一系列复杂的技术攻关，设计人员的认知得到提升，从只考虑火箭到考虑空间和深空的层次，工艺和组装能力也都得到全方位的提升。
2015年3月30日，长征三号丙运载火箭搭配远征一号上面级成功将第17颗北斗导航卫星直接送入工作轨道，远征一号上面级成功完成首秀。同年7月25日，长征三号乙运载火箭搭配远征一号上面级以“一箭双星”方式将第18、19颗北斗导航卫星送入预定轨道，标志着常规液体上面级技术完成了从方案设想到工程应用的巨大跨越。在此基础上，我国进一步确定了基础级加远征一号上面级“一箭双星”直接入轨发射成为北斗三号卫星工程的主要发射方式。
助力中国航天开启新远征
2018年，远征一号试验队以一年8次任务全胜的好成绩获评一院最佳发射团队。通常情况下，成熟的型号可通过多年的任务积累来缩短流程，但对于远征一号而言，在开启北斗三号卫星发射之前，只有3次任务经验，是什么让研制团队敢于在这么短的时间里正面迎接“高密度”呢？
原来，早在远征一号上面级研制之初，研制团队就预见了后续的高密度发射态势。他们从初始设计就聚焦高密度发射的应对之法，积极推进产品化工作，加速组批生产。同时，基于出厂测试的充分性，研制团队减掉了发射场电测流程，缩短了任务周期。
肖泽宁介绍，在过去的两年里，远征一号研制团队不断根据在轨卫星传回的温控数据，对上面级热控材料进行替换，一发火箭节省成本几十万元。在进行验证后，他们拿掉了关键结构单机的设计冗余，并进行“再设计”，不断对产品进行升级改进，产品可靠性进一步提升。今年第四季度，试验队连续执行3次发射任务，从8月底进场，经历了9月23日和11月23日两次发射后，到12月16日型号任务收官，仅23天就“抢”出来一次任务，是远征一号有史以来发射间隔时间最短的一次。
远征一号上面级的成功研制，创造了运载火箭灵活、多样的组合模式和模块化、组合化、系列化的设计理念，极大程度地挖掘了火箭的搭载潜力。此后，研制队伍跨过了一道又一道难关，并通过优化改进，研制形成了远征一号甲、远征一号S、远征二号等多个上面级产品，这些型号产品均取得首飞成功。
如今，“远征”与“长征”搭档，圆满完成以北斗卫星导航系统建设为代表的多项国家重大任务，未来，更多、更好的远征上面级将助力航天人赢得国家任务与商业市场的新远征。
京公网安备 110401200016号