中國返回式衛星的發展——紀念中國第一顆返回式衛星成功返回40周年

王希季

（中國空間技術研究院，北京 100081）

0 引言

2015年11月29日是中國第一顆返回式衛星成功回收40周年紀念日。從20世紀70年代以來共研制了6種型號，完成了24次發射，成功回收22次。返回式衛星是中國航天遙感事業的開拓者，在傳輸式遙感衛星未發展之前的二十多年里，中國國產的航天遙感資料都來自于返回式衛星。中國的返回式衛星的遙感資料主要應用于國土資源普查、大地測量等方面；在城鄉規劃、水利建設、地質資源勘探、河流海岸監測、考古以及太空育種等眾多領域發揮了重要作用；另外，還進行了大量的搭載科學試驗，取得了豐碩成果，獲得了明顯的經濟效益和社會效益。

1 返回技術和返回式衛星的發展歷程

返回技術和返回式衛星是為了適應航天活動的需要而發展的，可以把發展的進程大致分為三個階段[1]：

（1）突破關鍵技術，實現安全返回階段

1957年10月4日前蘇聯發射成功了第一顆人造衛星后，外層空間價值空前提高。為了盡快地從航天活動中獲得利益，利用外層空間高速、高位置資源和在軌不受國界約束的優越條件，美國和前蘇聯都把突破返回技術和研制返回式衛星作為發展的重點。美國經多次失敗后，終于在1960年8月成功地從近地軌道上回收了“發現者號”衛星的返回艙。前蘇聯同時也成功地從近地軌道上回收了“斯普特尼克 5號”載有生物的返回艙。中國則在1975年11月發射和回收了一顆返回式衛星，是世界上第三個掌握衛星返回技術和回收技術的國家。

（2）推廣與發展階段

我國從遙感衛星發展到遙感和科學試驗衛星只用了三年的時間；從返回式衛星發展到載人飛船則用了17年，主要解決彈道返回的方式和載人的一系列問題。

彈道式返回衛星結構簡單、可靠性高、經濟性好、能夠適應多種需求。彈道式返回也有一些重大缺點，如減速過載值過大、著陸點散布廣等，載人飛船不宜采用。我國發展了彈道—升力式返回軌道，基本上保留了彈道式的優點，并克服了彈道式的缺點，用于載人飛船。

（3）無損或定點著陸階段

發展無損和定點著陸返回技術有著兩種不同的途徑：一種是有翼升力式再入返回艙；另一種是展開式氣動翼回收彈道—升力式再入返回艙。按前一途徑發展的有美國的航天飛機、前蘇聯的“暴風雪號”航天飛機、歐空局的“赫爾姆斯號”小型航天飛機。按后一途徑發展的有美國“雙子星座號”飛船、美國通用電器公司的CHEOPS返回式衛星系統、英國北方工業系統公司的SERVICE返回式衛星系統。

2 返回式衛星在航天活動中的地位

人類探索太空的活動大致分為兩大類：第一類是探索和了解外層空間的活動；另一類是開發和利用外層空間資源的活動。在探索和了解外層空間的活動中，除了把得到的各種各類的信息發送回地面，供加工處理和分析研究外，還需獲取空間樣品和把試驗物送入空間，并把它們帶回地面，供分析研究。在航天活動早期，由于無線電傳輸技術受時代所限，不能將所獲取的海量信息傳送回地面，多采用將信息存貯于信息載體（膠片、磁帶等）上，并把信息載體送回地面以重現信息，這就得依靠返回技術和返回式衛星。所有的載人航天器都是返回式或配有返回式航天器的。迄今為止，世界上只有俄羅斯、美國和中國掌握了返回技術并且有能力發射返回式衛星。從開發利用空間資源的角度看，返回式衛星在其中起著先鋒作用。世界上第一個衛星應用系統（美國的“發現者號”衛星偵察系統）就是一個返回式衛星的應用系統，前蘇聯和中國的第一個衛星應用系統也都是返回式。一個國家如果不發展和掌握回收技術，它在航天活動的很多方面就會受到限制，也就很難成為航天強國。

3 中國第一顆返回式衛星的研制

（1）技術方案的確定

返回式衛星膠片回收方案可有三種[2]：整星制動回收、返回艙制動回收和膠片暗盒彈射回收，三種方案優劣定性比較見表1。由于20世紀60年代的中國技術基礎薄弱，經濟實力不強，因此技術相對簡單、銜接性好、風險較小、成本較低的返回艙制動回收是最佳方案。按照該方案，把衛星分為返回艙和儀器艙2個艙段。儀器艙內裝載相機等有效載荷，返回艙內裝載膠片片盒和回收分系統。衛星完成攝影任務后，將攜帶膠片片盒的返回艙以彈道式再入方式返回地面，并用降落傘予以回收，儀器艙則留在空間軌道上運行。這種方案既實現衛星上有效載荷布置相對集中，又只需解決返回艙適應返回環境（主要是再入大氣層過程中的熱環境和過載環境）的問題；既滿足回收信息載體的要求，又有技術相對簡單，可供借鑒和利用的技術基礎（如火箭頭部防熱技術、探空火箭回收技術）比較成熟等優點。在返回艙外形和結構防熱方案不變的前提下，對衛星其它組成作適應性修改或增補，就能執行其它任務，演變成其它型號的返回式航天器。

表1 返回式衛星膠片回收方案比較Tab.1 Comparison of the recovery plans for the recoverable satellite film

中國返回式衛星一般運行在距地面200~300km的軌道上，由于軌道高度低，在軌工作時間短，為了短時間內完成所定范圍內的拍攝任務，要求地物相機有較大的視場角。當時曾提出幾種方案，一種是采用畫幅式相機，在拍照時讓衛星整體擺動；另一種是采用只擺動相機或其部件的全景相機。前一種方案姿控系統研制難度大，當時難于實現；后一種方案相對容易實現，符合從簡單到復雜、循序前進的原則，確定采用只擺動棱鏡的棱鏡掃描式全景相機。雖然棱鏡掃描式全景相機要解決膠片拉動速度與像移速度同步的難題，但全景相機具有攝影覆蓋面積大、成像速度快和技術難度相對較小等優點，選用它作為發展航天相機的突破口是適宜的。

（2）技術特點和創新點

中國返回式衛星在低地球軌道上運行，采用三軸穩定方式控制衛星姿態，主要用于國土普查。儀器艙攜帶一臺可見光地物相機和一臺星相機，可見光地物相機用于對地攝影，獲取地球遙感資料；恒星相機用于對天空攝影，以確定對地攝影時刻的姿態。衛星在完成攝影任務后，裝有地物相機膠片和恒星相機膠片的片盒隨返回艙一起在預定地區回收。中國的首顆返回式衛星的成功回收，使中國成為繼美國、前蘇聯之后世界上第三個掌握返回式衛星技術的國家。為掌握這項技術，美國曾耗費了12顆衛星失敗的高昂代價，前蘇聯也同樣經歷了13次失敗才成功。

迄今為止，返回式衛星是中國發射次數最多的一種衛星，創造了巨大的社會效益和經濟效益。為了適應有效載荷的變化，先后對返回式衛星平臺進行了多次改進，不僅有效載荷的質量有所增加，衛星的在軌時間也大幅度延長。先后研制并發射了FSW-0、FSW-1、FSW-2、FSW-3、FSW-4五種型號的返回式衛星以及實踐8號育種衛星，掌握了返回式衛星的總體設計、制造、防熱、大型試驗、衛星發射、跟蹤測控和衛星回收等各種關鍵技術，后續型號充分繼承和吸收了前面型號的成功經驗和成熟技術[3]。

除了以上特點，中國的返回式衛星還有以下創新亮點：

1）留軌試驗。中國用返回式衛星進行衛星留軌試驗是個創新。一般情況下，儀器艙在與返回艙分離后，繼續留在原來的軌道上飛行，成為無用的太空垃圾。其軌道逐漸衰減，直至墜入稠密大氣層焚毀。衛星留軌試驗是指在儀器艙分離后，利用它本身的全姿態捕獲功能，將儀器艙恢復正常的運行姿態，成為一顆新的技術試驗衛星。這樣就可以在上面進行一系列科學技術試驗，特別是那些不宜在衛星正常運行情況下進行的故障模式試驗，從而變廢為寶。

2）一星多用，搭載試驗。在完成對地觀測的大前提下，在FSW-2上以搭載的形式進行了一些科學試驗。在3顆FSW-2上進行的兩類搭載試驗都取得了成功，達到一星多用、多方受益的預期目的。第三顆返回式衛星2號搭載的有效載荷總質量達到了265kg，相當于發射了一顆小型科學技術試驗衛星。中國的返回式衛星還為多家外國公司提供了搭載服務。

3）平臺擴展性好。FSW-3、FSW-4和“實踐八號”衛星能夠快、好、省地研制出來并圓滿地完成飛行任務，其重要的原因就是利用了公用平臺技術。衛星的主要結構部件、返回艙的氣動外形以及控制、返回、程控、壓控、遙測、遙控等分系統都具有非常好的繼承性。在繼承成熟技術的基礎上，這些分系統又都有技術上的進步。

（3）第一顆返回式衛星的技術水平

美國的“發現者14號”是世界上第一顆成功回收到偵察膠卷的照相偵察衛星。使用的是全景相機，可對星下點兩側各35°范圍內的地面目標掃描成像。“發現者14號”回收艙內的膠卷質量4.5kg，衛星在軌停留時間3天，送回地面照片覆蓋面積超過400km2。

我國第一顆返回式衛星在軌停留時間3天，裝載60kg膠片，側擺角90°，這些指標都優于美國的第一顆返回式衛星。

4 第一顆返回式衛星對后續衛星的影響

（1）培養了衛星研制隊伍，掌握衛星研制規律

第一顆返回式衛星是中國第一顆應用衛星，之前的衛星研制經驗極為有限，研制人員也很少。通過返回式衛星的研制，不僅使大批技術人員掌握了衛星研制技術，成為研制其它衛星的技術骨干，而且探索出一條具有中國特色的衛星研制流程，掌握了衛星研制規律，為之后中國衛星事業大發展奠定了堅實基礎。

（2）帶動了相關產業的發展，促進工業現代化

衛星研制是高科技，采用的技術和使用的材料都是最先進的，有時需要研制新材料和新技術，而這些材料和技術會逐漸應用到一般工業生產中，促進了相關產業水平的提高。例如鈦合金的鑄造和發黑技術，就是衛星研制部門經過攻關，首先用在衛星產品上，才推廣到其它行業的。衛星行業帶動了中國許多行業的技術進步和發展，起到了引領發展的作用。

（3）為后續衛星研制打下技術基礎

在研制成功第一顆返回式衛星之后，中國又陸續研制了第一代、第二代返回式測繪衛星，第二代、第三代返回式遙感偵查衛星，第一顆種子衛星等等；這些衛星都是在第一顆返回式衛星基礎上擴展而來。“神舟”飛船的研制也是繼承了返回式衛星的許多技術。

5 結束語

隨著無線電傳輸等技術的發展，回收衛星已經完成了其在遙感領域的歷史使命，讓位于傳輸型遙感衛星。但在空間育種、空間流體力學、空間材料科學以及空間生命科學研究等領域，返回式衛星有其獨特的優勢，必將在某一時期發揮作用。

References)

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