中國首臺膠片型航天相機追述——紀念中國第一顆返回式衛(wèi)星成功返回40周年

楊秉新

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

中國的第一顆返回式衛(wèi)星是國內第一代普查照相衛(wèi)星，主要任務是對重要戰(zhàn)略目標進行照相普查，并對目標進行定位。該衛(wèi)星裝有一臺膠片型可見光相機（以下簡稱相機）和一臺膠片型星相機。相機拍攝地面目標，把信息記錄在膠片上。在相機拍攝每幅照片的同時，星相機拍攝一幅恒星照片，記錄攝影時刻的衛(wèi)星姿態(tài)，用于確定所拍攝地面目標的位置。拍攝好的膠片經(jīng)過暗道，被卷繞到回收片盒中，回收片盒隨衛(wèi)星返回艙一起返回地面，膠片經(jīng)過沖洗等處理后提供用戶使用。

相機是遙感衛(wèi)星的核心有效載荷，是集光學、精密機械、電子技術、熱控等為一體的精密儀器。該相機于1967年開始研制，到1975年衛(wèi)星成功發(fā)射，先后共研制了10臺，除獲取大量國外有價值的照片外，還提供了國內部分地區(qū)的照片，圓滿地完成了偵察和國土普查任務。

多次成功的飛行試驗表明，相機設計方案正確，各項主要技術指標均達到了設計要求，相機的光學、結構和電子線路工作協(xié)調可靠，所攝照片影像清晰。

本文回顧了相機的研制歷程，給出了主要任務、方案選擇、基本原理和主要參數(shù)，對照相質量進行了評價，最后與美國同類相機進行了比較。

1 研制歷程

1967年到1969年為初樣相機研究階段，研制出了溫控相機、電性相機和初樣相機。1967年11月開始進行相機方案論證和初樣相機的設計，1968年8月完成初樣相機的設計工作，1969年8月完成了初樣相機的總裝調試工作，同年10月在伊爾-14飛機上進行了首次機載照相試驗。相機從設計到機載試驗經(jīng)歷了兩年多的時間。

1970年到1978年為正樣研制階段（01批）。首先對初樣相機存在的問題進行了分析研究，做了大量的改進設計，除了狹縫部件外都做了較大的修改，著重解決輸片問題，提高傳動系統(tǒng)的同步精度，提高了成像質量和可靠性，01批共研制了5臺相機。1974年完成2臺正樣相機研制，1974年因火箭故障，相機沒有得到考驗，1975年11月26日第一顆返回式衛(wèi)星發(fā)射成功，同年11月29日成功返回地面，相機系統(tǒng)獲得圓滿成功，首次從空間拍攝地面目標，成像品質滿足設計要求，圖1為第一代膠片型航天相機和拍攝的照片。

圖1 第一代膠片型航天相機和所拍攝的機場照片F(xiàn)ig.1 First generation film space camera and the picture taken by the camera

相機的主要任務是國土資源普查和重要戰(zhàn)略目標的偵察。從照片上可以發(fā)現(xiàn)礦藏、地面植被、機場、港口、碼頭、鐵路、公路、大型橋梁、大型艦船等目標。

2 相機的方案選擇、主要參數(shù)和基本原理

2.1 相機方案和主要參數(shù)

根據(jù)相機攝影分辨率等技術要求，對棱鏡掃描式全景相機和節(jié)點式全景相機兩種方案進行分析比較，當時認為節(jié)點式相機存在鏡頭節(jié)點位置找不準、膠片展平等困難，選擇了棱鏡掃描式全景相機方案。

相機的主要參數(shù)見表1。

表1 相機的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of camera

2.2 相機的基本原理

棱鏡式全景相機原理見圖2。在鏡頭前面放置兩塊道威棱鏡，其旋轉軸與衛(wèi)星飛行方向平行。照相時，棱鏡轉動掃描地物，來自景物的光線，經(jīng)過棱鏡后進入鏡頭，通過狹縫成像在運動的膠片上，狹縫位于膠片前面，它只能使沿飛行方向一窄條膠片曝光，對應著地面與飛行方向平行的一條景物。當棱鏡掃描到A處時，地面一條景物被拍攝。隨著棱鏡的轉動，地面一條條景物相繼曝光，掃描到B處時，地物的光線不再進入鏡頭。這樣從A處到B處拍攝成一幅全景照片。照相時，膠片以一定的速度從供片盒卷到收片盒，為了成像清晰，必須保證棱鏡掃描產(chǎn)生的像速度（Vi）與膠片運動速度（Vf）大小相等、方向相同，通常稱之為速度同步。

式中 Vf為膠片的運動速度；Vi為棱鏡掃描產(chǎn)生的像速度；f為相機的焦距；ω為棱鏡照相時的掃描角速度。

圖2 棱鏡式全景相機原理Fig.2 The principle of prism panoramic camera

棱鏡勻速轉動60°照相，對應地面掃描角120°，為了節(jié)省膠片，減少兩幅照片之間的間隔，棱鏡不照相時快速轉動120°，膠片仍以勻速運動，當棱鏡Ⅱ處轉到A處時，重新開始拍攝下一幅照片，棱鏡轉動一圈拍攝兩幅全景照片。

3 相機成像品質和評價

3.1 成像品質

實驗室測試的數(shù)據(jù)和從衛(wèi)星上拍攝的靶標定量評定結果表明，相機的動態(tài)攝影分辨率達到了設計要求（實際上相機地面中心攝影分辨率優(yōu)于設計指標）。

照片中可以識別的目標有：

1）機場：機場跑道、滑行道、停機坪、機窩以及跑道配置形式。照片中心部分能判讀出機場遠距導航塔、近距導航塔、油庫、彈藥庫。有些照片有飛機顯示，最好的照片上能判讀出戰(zhàn)斗機形，大體可以估計飛機數(shù)量。

2）港口：碼頭、防波堤，有的照片可以判讀出造船設施、港口建筑、停泊的大型艦船和行駛的船只，有的可以判讀出水上機場。

3）宇航發(fā)射場：技術陣地、發(fā)射陣地、發(fā)射架、行政后勤區(qū)，附屬設備如機場、燃料庫等。

4）交通：公路、鐵路、交通樞紐、立交公路、火車編組站以及鐵路公路橋等。

5）工業(yè)：礦山作業(yè)區(qū)、冶煉廠各種廠區(qū)、熱電廠等，有的照片可判出飛機制造廠和船舶制造廠。

6）城市：街道、樓房、水陸交通線等。

7）地貌：山地、丘陵、平原、島嶼、森林、沼澤、沙漠、湖泊、河流等。

3.2 相機評價

1975年我國自立更生研制成功相機是我國遙感技術重大技術創(chuàng)新，開創(chuàng)我國航天偵察新領域，提供現(xiàn)代化的對地觀測手段，使我國繼美蘇后第三個掌握航天相機技術國家，為我國航天相機事業(yè)奠定技術基礎，隨后研制成功第二代膠片節(jié)點式普查全景相機、航天測繪相機等。

相機成功之處：相機設計方案正確，達到設計要求；相機可靠性高，成功率達到 100%；許多技術可用于其它航天相機上。

4 與國際同類相機比較

表2是棱鏡掃描式全景相機與美國第一代膠片型全景相機KH-1（1999年解密）的性能比較。

表2 中美第一代航天相機主要性能比較Tab.2 Comparison of main performance of the first generation space camera between Chinese and US

從表2可以看出，棱鏡掃描式全景相機達到國際同類相機的水平，該相機焦距、掃描角、膠片寬度和裝片量優(yōu)于的美國第一代膠片型全景相機KH-1。

5 結束語

第一代膠片型全景相機是在原6711工程組同志們的共同努力下研制成功的，在這一難忘的日子里，深切緬懷去世的倪志生、耿立中和烏崇德同志，在此向所有支持和做出貢獻的同志致敬。

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