中國返回式衛(wèi)星的發(fā)展——紀(jì)念中國第一顆返回式衛(wèi)星成功返回40周年

王希季

（中國空間技術(shù)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(wèi)星成功回收40周年紀(jì)念日。從20世紀(jì)70年代以來共研制了6種型號，完成了24次發(fā)射，成功回收22次。返回式衛(wèi)星是中國航天遙感事業(yè)的開拓者，在傳輸式遙感衛(wèi)星未發(fā)展之前的二十多年里，中國國產(chǎn)的航天遙感資料都來自于返回式衛(wèi)星。中國的返回式衛(wèi)星的遙感資料主要應(yīng)用于國土資源普查、大地測量等方面；在城鄉(xiāng)規(guī)劃、水利建設(shè)、地質(zhì)資源勘探、河流海岸監(jiān)測、考古以及太空育種等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用；另外，還進(jìn)行了大量的搭載科學(xué)試驗，取得了豐碩成果，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 返回技術(shù)和返回式衛(wèi)星的發(fā)展歷程

返回技術(shù)和返回式衛(wèi)星是為了適應(yīng)航天活動的需要而發(fā)展的，可以把發(fā)展的進(jìn)程大致分為三個階段[1]：

（1）突破關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)安全返回階段

1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射成功了第一顆人造衛(wèi)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(yōu)越條件，美國和前蘇聯(lián)都把突破返回技術(shù)和研制返回式衛(wèi)星作為發(fā)展的重點。美國經(jīng)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(fā)現(xiàn)者號”衛(wèi)星的返回艙。前蘇聯(lián)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(fā)射和回收了一顆返回式衛(wèi)星，是世界上第三個掌握衛(wèi)星返回技術(shù)和回收技術(shù)的國家。

（2）推廣與發(fā)展階段

我國從遙感衛(wèi)星發(fā)展到遙感和科學(xué)試驗衛(wèi)星只用了三年的時間；從返回式衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、能夠適應(yīng)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(fā)展了彈道—升力式返回軌道，基本上保留了彈道式的優(yōu)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(fā)展無損和定點著陸返回技術(shù)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(fā)展的有美國的航天飛機、前蘇聯(lián)的“暴風(fēng)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(fā)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(wèi)星系統(tǒng)、英國北方工業(yè)系統(tǒng)公司的SERVICE返回式衛(wèi)星系統(tǒng)。

2 返回式衛(wèi)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(fā)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(fā)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(shù)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(xiàn)信息，這就得依靠返回技術(shù)和返回式衛(wèi)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(shù)并且有能力發(fā)射返回式衛(wèi)星。從開發(fā)利用空間資源的角度看，返回式衛(wèi)星在其中起著先鋒作用。世界上第一個衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)（美國的“發(fā)現(xiàn)者號”衛(wèi)星偵察系統(tǒng)）就是一個返回式衛(wèi)星的應(yīng)用系統(tǒng)，前蘇聯(lián)和中國的第一個衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)也都是返回式。一個國家如果不發(fā)展和掌握回收技術(shù)，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(wèi)星的研制

（1）技術(shù)方案的確定

返回式衛(wèi)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(yōu)劣定性比較見表1。由于20世紀(jì)60年代的中國技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)濟(jì)實力不強，因此技術(shù)相對簡單、銜接性好、風(fēng)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(wèi)星分為返回艙和儀器艙2個艙段。儀器艙內(nèi)裝載相機等有效載荷，返回艙內(nèi)裝載膠片片盒和回收分系統(tǒng)。衛(wèi)星完成攝影任務(wù)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(xiàn)衛(wèi)星上有效載荷布置相對集中，又只需解決返回艙適應(yīng)返回環(huán)境（主要是再入大氣層過程中的熱環(huán)境和過載環(huán)境）的問題；既滿足回收信息載體的要求，又有技術(shù)相對簡單，可供借鑒和利用的技術(shù)基礎(chǔ)（如火箭頭部防熱技術(shù)、探空火箭回收技術(shù)）比較成熟等優(yōu)點。在返回艙外形和結(jié)構(gòu)防熱方案不變的前提下，對衛(wèi)星其它組成作適應(yīng)性修改或增補，就能執(zhí)行其它任務(wù)，演變成其它型號的返回式航天器。

表1 返回式衛(wèi)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(wèi)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(nèi)完成所定范圍內(nèi)的拍攝任務(wù)，要求地物相機有較大的視場角。當(dāng)時曾提出幾種方案，一種是采用畫幅式相機，在拍照時讓衛(wèi)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(tǒng)研制難度大，當(dāng)時難于實現(xiàn)；后一種方案相對容易實現(xiàn)，符合從簡單到復(fù)雜、循序前進(jìn)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(shù)難度相對較小等優(yōu)點，選用它作為發(fā)展航天相機的突破口是適宜的。

（2）技術(shù)特點和創(chuàng)新點

中國返回式衛(wèi)星在低地球軌道上運行，采用三軸穩(wěn)定方式控制衛(wèi)星姿態(tài)，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(tài)。衛(wèi)星在完成攝影任務(wù)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(yù)定地區(qū)回收。中國的首顆返回式衛(wèi)星的成功回收，使中國成為繼美國、前蘇聯(lián)之后世界上第三個掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。為掌握這項技術(shù)，美國曾耗費了12顆衛(wèi)星失敗的高昂代價，前蘇聯(lián)也同樣經(jīng)歷了13次失敗才成功。

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

除了以上特點，中國的返回式衛(wèi)星還有以下創(chuàng)新亮點：

1）留軌試驗。中國用返回式衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星留軌試驗是個創(chuàng)新。一般情況下，儀器艙在與返回艙分離后，繼續(xù)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(wèi)星留軌試驗是指在儀器艙分離后，利用它本身的全姿態(tài)捕獲功能，將儀器艙恢復(fù)正常的運行姿態(tài)，成為一顆新的技術(shù)試驗衛(wèi)星。這樣就可以在上面進(jìn)行一系列科學(xué)技術(shù)試驗，特別是那些不宜在衛(wèi)星正常運行情況下進(jìn)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(jìn)行了一些科學(xué)試驗。在3顆FSW-2上進(jìn)行的兩類搭載試驗都取得了成功，達(dá)到一星多用、多方受益的預(yù)期目的。第三顆返回式衛(wèi)星2號搭載的有效載荷總質(zhì)量達(dá)到了265kg，相當(dāng)于發(fā)射了一顆小型科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星。中國的返回式衛(wèi)星還為多家外國公司提供了搭載服務(wù)。

3）平臺擴展性好。FSW-3、FSW-4和“實踐八號”衛(wèi)星能夠快、好、省地研制出來并圓滿地完成飛行任務(wù)，其重要的原因就是利用了公用平臺技術(shù)。衛(wèi)星的主要結(jié)構(gòu)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(tǒng)都具有非常好的繼承性。在繼承成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，這些分系統(tǒng)又都有技術(shù)上的進(jìn)步。

（3）第一顆返回式衛(wèi)星的技術(shù)水平

美國的“發(fā)現(xiàn)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(wèi)星。使用的是全景相機，可對星下點兩側(cè)各35°范圍內(nèi)的地面目標(biāo)掃描成像。“發(fā)現(xiàn)者14號”回收艙內(nèi)的膠卷質(zhì)量4.5kg，衛(wèi)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(wèi)星在軌停留時間3天，裝載60kg膠片，側(cè)擺角90°，這些指標(biāo)都優(yōu)于美國的第一顆返回式衛(wèi)星。

4 第一顆返回式衛(wèi)星對后續(xù)衛(wèi)星的影響

（1）培養(yǎng)了衛(wèi)星研制隊伍，掌握衛(wèi)星研制規(guī)律

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

（2）帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化

衛(wèi)星研制是高科技，采用的技術(shù)和使用的材料都是最先進(jìn)的，有時需要研制新材料和新技術(shù)，而這些材料和技術(shù)會逐漸應(yīng)用到一般工業(yè)生產(chǎn)中，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)水平的提高。例如鈦合金的鑄造和發(fā)黑技術(shù)，就是衛(wèi)星研制部門經(jīng)過攻關(guān)，首先用在衛(wèi)星產(chǎn)品上，才推廣到其它行業(yè)的。衛(wèi)星行業(yè)帶動了中國許多行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，起到了引領(lǐng)發(fā)展的作用。

（3）為后續(xù)衛(wèi)星研制打下技術(shù)基礎(chǔ)

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

5 結(jié)束語

隨著無線電傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展，回收衛(wèi)星已經(jīng)完成了其在遙感領(lǐng)域的歷史使命，讓位于傳輸型遙感衛(wèi)星。但在空間育種、空間流體力學(xué)、空間材料科學(xué)以及空間生命科學(xué)研究等領(lǐng)域，返回式衛(wèi)星有其獨特的優(yōu)勢，必將在某一時期發(fā)揮作用。

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