阿金纳：最早的上面级

文/迟惑

▲ “阿金纳”用于驱动载人空间站目标飞行器

“阿金纳”是最早的火箭上面级，也是美国早期军用卫星发射和在轨运行的重要动力。“阿金纳”的变型非常之多，不做一番百科全书式的陈述，人们往往是搞不清楚这个家族成分的。不过，这也正好让人们了解，上面级这种事物是为什么而生。

▲ 早期阿金纳上面级用来发射侦察卫星

“多面手”的阿金纳

阿金纳的军用编号是RM-81，最初由洛克希德公司为WS-117L侦察卫星项目开发。因为当年的电子技术并不发达，照相侦察卫星还必须携带胶卷舱，拍摄完成后送回地球，因此卫星本体相当庞大沉重，仅仅依靠运载火箭的力量无法把它们送进预定轨道。

在型号发展过程中，美国空军发现，想把各种侦察用途放在WS-117L一个项目里是不现实的。于是WS-117L被拆分为照相侦察的“萨摩斯”和“科罗纳”（后来改名为“发现者”），以及用于导弹预警的“米达斯”。不过阿金纳被保留下来，承担了所有这些卫星的上面级任务。后来还用于美国宇航局的双子座载人飞船交会对接技术演示，充当目标飞行器的推进舱。阿金纳上面级适配过宇宙神、雷神和泰坦IIIB火箭，还曾经被考虑用于航天飞机。阿金纳各型从1959年2月28日开始发射，一直用到1987年2月，共发射了365枚。其中只有33枚是为美国宇航局服务的，其他服务于军用卫星。

在有些任务中，卫星直接装在阿金纳的标准舱壁前方，由后者提供电力、通信和三轴稳定姿态控制。不过也有的卫星在发射后与阿金纳分离，自己承担飞行任务。

随着时代发展，阿金纳经历了两次升级，用来支持更重、更复杂的卫星，例如带有多个胶卷舱和更大相机的科罗娜侦察卫星。

阿金纳这个名字是美国国防部高级研究计划局（也就是后来的DARPA，当时叫做ARPA）确定的。此前，它的名字叫做“半人马座贝塔星”（Beta Centauri），是夜空中排名第十的亮星。不过ARPA建议采用这颗恒星的另外一个名字“阿金纳”，因为它将“在天空中点燃”，符合洛克希德公司用恒星现象来命名产品的传统。

阿金纳的特点

阿金纳的直径为1.5米，具备三轴稳定能力，这对图像侦察来说是极其必要的。阿金纳采用贝尔航空系统公司研制的XLR81发动机，采用人们熟悉的偏二甲肼和硝酸作为推进剂。这两种燃料不但可以在常温常压下存储，而且可以自燃，不需要点火系统，简化了发动机设计。因此，XLR81发动机可以在地面无线电指令的控制下，在轨道上多次重启。

这台发动机原来是用在康沃尔B-58超音速轰炸机上的。这种上世纪50年代研制的超音速轰炸机可以携带一种MB-1C吊舱，里面装着核弹头。但是MB-1C的设计不太成功，于是康沃尔公司打算实施改进，在后面装一台火箭发动机，把它变成一枚核火箭。这个计划当然也不可能成功，但是XLR81发动机却研制成功了。阿金纳A使用的具体型号是贝尔8048（XLR81-BA-5）发动机，该发动机可在两分钟内产生69千牛的推力。

XLR81的铝合金结构比较著名。火箭发动机的喉部和喷管采用了所谓的再生冷却模式，但是因为喉部的抛物线形状，在这里为燃料钻孔有很大的困难，毕竟钻头是直的。于是，贝尔航空系统公司的工程师通过将冷却通道布置成“一片式圆形双曲面”形状，解决了问题。

阿金纳偏航方向姿态测量由一个惯性参考系统实现，里面包括3个陀螺仪、两个水平传感器和冷却用的氮-氟利昂混合物微射流器。俯仰和滚动姿态测量由两个密封的积分陀螺单元实现。速率陀螺单元通过感测轨道速率来确定偏航误差。俯仰和滚动陀螺误差由地平线传感器校正，由太阳和恒星敏感器提供参考。这使得阿金纳具备很高的指向稳定性，从而使科罗娜卫星的相机能实现更好的地面分辨率。

由于阿金纳的设计目的是在绕地球运行时在太空中保持固定方向，因此设计了一种被动热控制系统。

早期阿金纳的主要电力来源是过氧化银锌电池，从20世纪60年代初开始，阿金纳上安装了太阳能电池阵列。测控通信功能由一个S频段转发器实现，它能接收地面命令序列（图像运动补偿、改变姿态等），存储起来陆续执行。

▲ 贝尔 8048发动机

▲ 贝尔8048发动机用于阿金纳上面级

▲ 阿金纳上面级发动机与壳体结合的过程

型号家族

阿金纳A

阿金纳 A是阿金纳家族的第一种型号，配用雷神和宇宙神火箭，主要从范登堡空军基地75号工位和阿格洛角1号发射工位发射到极地轨道。另外，还在卡纳维拉尔角的14号发射场搭配宇宙神火箭发射了两次。1959年至1961年间发射了18枚阿金纳A，都是为“发现者”“米达斯”和“萨摩斯”侦察卫星计划服务的。

▲ “阿金纳”在发射侦察卫星时，也会搭载一些小卫星

阿金纳B

1960年，洛克希德公司引进了改进的阿金纳B。它改用贝尔8081发动机，可产生71千牛的推力。这种上面级具备了在轨多次点火的能力，所携带的燃料也更多一些，发动机累计工作时间可以达到4分钟。阿金纳B服务于萨摩斯-E、萨摩斯-F和米达斯预警卫星、游骑兵号月球探测器、水手号行星探测器。阿金纳B的第一次飞行是1960年10月26日“发现者16号”的发射，但没有成功。直到1961年7月12日的“米达斯3”，阿金纳B才得到了再次飞行的机会。阿金纳B的最后一次飞行是1966年6月7日发射的OGO3卫星。总共发射了75枚。

▲ 阿金纳B上面级

阿金纳D

阿金纳D是洛克希德公司工程执行官劳伦斯·爱德华兹在1962年提出的。此前的每一枚阿金纳都是单独定制的。爱德华兹建议将阿金纳的基本配置标准化，并根据有效载荷要求，增加附加功能。当时，五角大楼也希望阿金纳能与泰坦火箭配套使用。因为当时的另外两种火箭——雷神和宇宙神——故障率高得不可接受。这促使人们提出用改善运载火箭的标准化水平来提高可靠性。

经过一番研究工作，阿金纳D的标准化包括如下内容：

阿金纳 D的通用配置包括四个分系统，①主要制导、信标、电力和遥测设备；②一个标准有效载荷控制台；③位于发动机上方的后机架，用于插入式安装可选设备，如太阳能电池板、搭载小卫星；④贝尔航空系统公司的发动机，可在太空中重启16次。阿金纳D直径为1.5米，长度为6.3米，电池容量19500瓦时。

截至2014年，阿金纳D是美国发射次数最多的上面级，从1963年6月28日首次发射锁眼4七号星开始，共发射了269枚阿金纳D。洛克希德公司为此建立了一条专门的生产线，每年生产40枚。爱德华兹一直负责工程设计长达几年时间，直到美国空军宣布阿金纳D投入使用，技术状态冻结。到退役时，阿金纳D的可靠性超过了95%。

雷神-阿金纳组合的最后一次飞行是在1972年，当时它发射了一颗锁眼4B卫星。1978年，阿特拉斯-阿金纳D采用翻新的阿特拉斯F火箭，发射了Seasat卫星。

此后，阿金纳D还用于发射锁眼-7和锁眼-8侦察卫星、3个水手号金星探测器、两个水手号火星探测器。1987年2月12日，最后一枚阿金纳D由泰坦IIIB火箭发射，把最后一颗SDS-1卫星送入轨道。

▲ 早期阿金纳上面级没有实现标准化，发射一次定制一次

阿金纳目标飞行器

阿金纳目标飞行器以阿金纳D为基础，增加了相应设备来支持双子座计划的交会对接活动。它配备了一台贝尔航空公司的8247型发动机，该发动机可在宇宙空间重复点火15次之多。在实际任务中，当双子座飞船与目标飞行器对接后，阿金纳的发动机启动，把组合体推动到更高的轨道，然后再返回。在双子座11号任务中，组合体一度达到了远地点为1375千米的椭圆轨道，创下了载人航天飞行的高度纪录，直到阿波罗8号（首次载人奔月任务）超过这个纪录。

20世纪70年代初，洛克希德公司研究了在航天飞机货舱里安装阿金纳，用于有效载荷入轨的可能性。考虑到航天飞机的货舱直径很大，洛克希德公司设计了一种直径增大的阿金纳C，但从未建造。此后，还设计过一种全面现代化的阿金纳2000，准备用在轻型版宇宙神5火箭上。随着这种火箭的下马，阿金纳2000也失去了问世的机会。