中國的返回式衛(wèi)星

武　苑

從1970年4月24日中國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”上天，到2009年4月22日發(fā)射“遙感衛(wèi)星六號”科學試驗衛(wèi)星，中國已研制、發(fā)射和運行成功了103個航天器，其中返回式衛(wèi)星是中國目前發(fā)射次數(shù)最多、成功率最高的一種航天器。從這個意義上講，它是中國的“金牌”衛(wèi)星。

世界第三創(chuàng)造輝煌

中國返回式衛(wèi)星的研制工作始于1966年。在攻克了衛(wèi)星姿態(tài)控制技術、衛(wèi)星再入防熱技術和衛(wèi)星回收技術等一道道難關后，1975年11月26日，第一顆返回式衛(wèi)星終于由“長征二號”運載火箭發(fā)射成功。它在軌道上運行了3天，11月29日按預定時間返回了祖國大地。

該衛(wèi)星是一種在低軌道上運行、采用三軸穩(wěn)定方式、對地心定向和返回艙可安全返回地面的衛(wèi)星，主要用于國土普查。其運行軌道為：近地點173千米，遠地點483千米，傾角63°，軌道周期91分鐘。它由儀器艙和返回艙組成，質量為1790千克。儀器艙攜帶的1臺可見光地物相機用于對地攝影，獲取地球遙感資料；另1臺星空相機用于對天空攝影，以測定對地攝影時刻的姿態(tài)精度。衛(wèi)星在完成攝影任務后，將存放膠片的返回艙在預定的地區(qū)回收。

鏈接：大多數(shù)衛(wèi)星不需要再返回地面，但返回式衛(wèi)星則不同，它取得的工作成果必須在衛(wèi)星返回地面以后我們才能得到。比如，使用膠片的遙感衛(wèi)星，它是以普通的照相機原理工作的，也就是把信息存儲在膠片上，只有拿到膠片再經(jīng)過加工處理才能得到信息；微重力實驗衛(wèi)星也是如此，它的實驗裝置和產(chǎn)品需要回收后才能進行分析和利用，所以這些用途的衛(wèi)星就需要返回地面。

它的成功使中國成為繼美、蘇之后世界上第三個掌握返回式衛(wèi)星技術的國家。從1974～2006年，中國先后進行了24次返回式衛(wèi)星的發(fā)射，其中23顆返回式衛(wèi)星順利入軌，22顆成功回收，是中國最成功的航天計劃之一。返回式衛(wèi)星不僅可以進行遙感、微重力試驗和新技術試驗，還為中國掌握載人飛船返回技術提供了重要借鑒。

中國返回式衛(wèi)星的主要任務是對地觀測，同時還利用衛(wèi)星的剩余載荷能力，以搭載形式進行一些國家科學技術發(fā)展急需的試驗項目，在一定程度上彌補了中國目前沒有專用微重力試驗衛(wèi)星和技術試驗衛(wèi)星的不足。

現(xiàn)已研制并發(fā)射了返回式衛(wèi)星0號、1號、2號、3號、4號和“實踐8號”共6種型號衛(wèi)星，其中返回式衛(wèi)星0號是中國第一代國土普查衛(wèi)星；返回式衛(wèi)星1號是中國第一代攝影測繪衛(wèi)星；返回式衛(wèi)星2號是中國第二代國土普查衛(wèi)星；返回式衛(wèi)星3號是中國第二代攝影測繪衛(wèi)星，用于高精度攝影測繪，其測繪精度比第一代有較大的提高；返回式衛(wèi)星4號是中國第一代國土詳查衛(wèi)星；“實踐8號”是太空育種衛(wèi)星。

通過6個型號衛(wèi)星的研制，中國解決了返回式衛(wèi)星的總體設計、制造、大型試驗、衛(wèi)星發(fā)射、跟蹤測控和衛(wèi)星回收等各種關鍵技術，尤其是完成了返回式衛(wèi)星3號、4號任務后，使返回式衛(wèi)星平臺不斷成熟、發(fā)展，有效載荷的性能有很大提高。

完美返回勇闖三關

返回式衛(wèi)星與其它衛(wèi)星的主要區(qū)別之一是，需要從空間軌道重新回到地面，掌握返回技術是其成功的法寶，這也是一道世界難題，就是在今天掌握它的國家也寥寥無幾。為此，美國曾耗費了12顆衛(wèi)星失敗的高昂代價，蘇聯(lián)也同樣支付了13顆衛(wèi)星的學費，而中國則少得多。為使航天器安全返回并準時定點著陸，必須要掌握返回控制和制導、再入防熱、回收和著陸三項關鍵技術。

返回控制和制導技術。航天器返回軌道由離軌條件決定，制動方向直接決定航天器再入大氣層的角度，并影響再入制動過載和氣動加熱，它是由航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)控制的。返回式衛(wèi)星都采用三軸穩(wěn)定方式來進行姿態(tài)控制，實現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制的系統(tǒng)一般包括姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制器和姿態(tài)執(zhí)行機構三部分。姿態(tài)敏感器的作用是敏感和測量衛(wèi)星的姿態(tài)變化：衛(wèi)星沿各個軸的轉動角度、轉動角速度有多大，是否超出規(guī)定的范圍。常用的姿態(tài)敏感器有陀螺儀、紅外地球敏感器、太陽敏感器、恒星敏感器、磁強計和射頻敏感器或紫外敏感器等。為了不間斷地獲得姿態(tài)信息，常用陀螺儀和光學姿態(tài)敏感器(地球、太陽、恒星敏感器)構成組合式姿態(tài)測量基準。由陀螺儀提供短期姿態(tài)信息，由光學敏感器提供校準信號來修正陀螺的漂移。姿態(tài)控制器的作用是把姿態(tài)敏感器送來的衛(wèi)星姿態(tài)角變化值的信號，經(jīng)過一系列的比較、處理，產(chǎn)生控制信號輸送到姿態(tài)執(zhí)行機構。姿態(tài)執(zhí)行機構的作用是根據(jù)姿態(tài)控制器送來的控制信號產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星姿態(tài)恢復到正確的位置。通常使用的執(zhí)行機構有兩種。一種是氣體噴管，即在衛(wèi)星三個軸的方向安置若干個小的氣體噴管，一旦衛(wèi)星偏離所要求的姿態(tài)，相應方向的噴管就會噴出氣體，產(chǎn)生推力，使衛(wèi)星回到所要求的姿態(tài)位置。另一種是反作用飛輪(一種具有一定轉動慣量的輪子)。當衛(wèi)星的姿態(tài)處于所要求的姿態(tài)時，飛輪保持勻速旋轉，如果衛(wèi)星偏離了某一位置，則通過姿態(tài)敏感器和控制線路使飛輪加速或減速，產(chǎn)生一個相反方向的力矩，使衛(wèi)星回復到所要求的姿態(tài)位置。衛(wèi)星三個軸向各設置一個這樣的飛輪，就能控制衛(wèi)星三個軸方向的姿態(tài)。

反推火箭點火時間會影響返回艙的落點位置。例如在近地軌道上反推火箭點火時間相差1秒，會使返回艙的落點位置相差約9千米。反推火箭的點火由地面測控站直接遙控，或按預先注入的程序直接控制。

再入防熱技術。衛(wèi)星的返回是個極其復雜的過程，這是因為衛(wèi)星在軌道上是以7千米／秒左右的高速飛行，當需要它返回時，它就以這么高的速度沖向地球大氣層，并與空氣產(chǎn)生強烈的摩擦，導致衛(wèi)星表面產(chǎn)生極高溫度，所以返回式衛(wèi)星必須能可靠的防熱，否則會在大氣層中燒毀。再入航天器常用防熱降溫的方法有：①吸熱式防熱。在返回艙的某些部位，采用導熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料來吸收大量的氣動熱量。用這類材料做飛船返回艙的蒙皮，氣動加熱傳給飛船的熱量為蒙皮所吸收、儲存。這種方法防熱能力有限，只適用于加熱量很小的部分。②輻射式防熱。用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等復合材料，將熱量輻射散發(fā)出去，航天飛機采用這種防熱方式。③燒蝕式防熱。利用高分子材料做返回艙的蒙皮，有意識地讓它在高溫加熱時燒掉，將熱量帶走，從而達到保存主要結構的目的。由于重量的限制，要求防熱材料采用盡可能輕的低密度燒蝕材料。

再入航天器采用何種防熱方式與其再八方式有關。航天器再八地球大氣層有彈道再入和升力再入兩種方式。采用彈道、半彈道方式再入，即再入體進入大氣層運動時只產(chǎn)生阻力不產(chǎn)生升力，或雖然產(chǎn)生升力但對升力大小和方向不加控制；采用升力再入，即再入航天器進入大氣層運動時產(chǎn)生一定可控制的升力，通過升力控制，再入航天器有一定機動能力，因而能提高落點精度，甚至可在預定場地水平著陸。彈道式、半彈道式再入航天器如飛船，采用以燒蝕防熱為主的防熱系統(tǒng)，而升力式再入航天器如航天飛機，則采用以輻射防熱為主的防熱系統(tǒng)。

回收和著陸技術。彈道式、半彈道式再八航天器須由回收系統(tǒng)使其進一步減速，最后乘降

落傘垂直著陸或濺落?；厥障到y(tǒng)是彈道式和半彈道式返回艙的重要組成部分，因為返回艙再入大氣層下降到20千米左右的高度后，如果不進一步采取減速措施，它將以約150～200米／秒沖向地面，而且表現(xiàn)出大幅度的擺動、旋轉甚至翻滾。這時回收系統(tǒng)應開始工作，即用減速裝置實施減速進行軟著陸。常用的減速裝置有降落傘著陸系統(tǒng)、降落傘一緩沖火箭著陸系統(tǒng)和降落傘一緩沖氣囊著陸系統(tǒng)等。

航天器的回收可以選擇陸地降落、海面濺落或在空中用飛機直接鉤取等3種方式。所以，航天器回收系統(tǒng)依需要還可能設置漂浮裝置，借以增加浮力而浮于海面并保持一定的漂浮姿態(tài)?；厥障到y(tǒng)中的扶直裝置能產(chǎn)生附加浮力，使返回艙翻身；而在陸地著陸時，扶直裝置能使返回艙在陸地著陸后處于直立姿態(tài)，以保證信標天線豎立，正常發(fā)射信號。

一代平臺二種型號

采用第一代返回式衛(wèi)星平臺的返回式衛(wèi)星0號和1號，其外形是半錐角為10°羽毛球狀的球冠一圓錐臺組合體，底部最大直徑2.2米，總長3.144米。其容積為7.6立方米，起飛質量視有效載荷的不同為1800～2100千克，返回有效載荷260千克，在軌飛行3～8天。

第一代返回式衛(wèi)星平臺的儀器艙殼體為鋁合金金屬結構，艙內(nèi)主要安裝照相機及在軌工作的儀器。它具有良好的密封性，可以滿足照相機在軌工作的壓力環(huán)境。其返回艙內(nèi)襯為鋁合金，外部為耐高溫的燒蝕材料。它在再八大氣層過程中，由于嚴重的氣動加熱會產(chǎn)生高溫，外部的燒蝕材料一邊燒蝕一邊將熱量帶走，從而保證艙體不會燒毀，并且內(nèi)部有合適的環(huán)境溫度。

兩艙用爆炸螺栓相連接，衛(wèi)星在軌道上完成預定的任務之后通過電控引爆使兩艙分離。返回艙在制動火箭的作用下脫離原來的運行軌道進入稠密大氣層，在一定高度開傘后安全返回地面；而儀器艙則繼續(xù)在軌道上運行，其軌道逐漸衰減，最后隕落入稠密大氣層焚毀。

返回式衛(wèi)星0號有11個分系統(tǒng)：有效載荷、結構、熱控、姿控、程控、遙測、遙控、跟蹤、天線、回收和電源分系統(tǒng)。返回式衛(wèi)星l號以后(除“實踐8號”外)，增加了一個壓力控制分系統(tǒng)，其功能是控制密封艙的壓力，以滿足相機工作的壓力環(huán)境要求。

其姿態(tài)控制是對地定向三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，可以滿足有效載荷對地攝影的姿態(tài)要求，還用于給出返回前的姿態(tài)基準。它用陀螺和紅外地球敏感器作姿態(tài)測量部件(第一代攝影測繪衛(wèi)星和第二代國土普查衛(wèi)星增加了太陽敏感器)，用冷氣噴氣系統(tǒng)作執(zhí)行機構來完成控制功能。從返回式衛(wèi)星2號以后增加了軌控發(fā)動機，作為長時間飛行的軌道維持手段。從返回式衛(wèi)星1號開始，遙控分系統(tǒng)還增加了數(shù)據(jù)注入的功能。

1992年開始使用的返回式衛(wèi)星2號采用第二代返回式衛(wèi)星平臺。它是在返回式衛(wèi)星0號、1號的結構底部增加了一段高度為1.5米、直徑2.2米的圓柱段，使衛(wèi)星總長達到4.6米，容積達到12.8立方米，能在軌飛行15～20天，一次飛行所獲得的衛(wèi)星遙感信息量比第一代返回式衛(wèi)星增加13倍以上，衛(wèi)星照片的地面分辨率也提高了3倍。它使中國返回式衛(wèi)星技術以及對地觀測水平向前推進了一大步，回收控制技術也達到世界先進水平。返回式衛(wèi)星2號起飛質量2800～3100千克，返回有效載荷達到310千克左右，不返回有效載荷500～600千克，軌道傾角57°～70°，近地點高度175～200千米，遠地點高度300～400千米，軌道周期約90分鐘。

該衛(wèi)星雖然也由儀器艙和返回艙組成，但結構發(fā)生了變化。儀器艙由非密封的服務艙和密封艙組成，兩者是鉚接在一起的。返回艙由回收艙和制動艙組成。返回時，返回艙先和儀器艙分離。在位于制動艙底部的制動火箭工作完畢后，制動艙與回收艙分離。制動艙在再入大氣層過程中焚毀，只有具備防熱功能的回收艙可安全通過大氣層，在預定的回收區(qū)安全著陸。

與返回式衛(wèi)星0號、1號衛(wèi)星相比，返回式衛(wèi)星2號衛(wèi)星的總容積增加了68.4％，其中回收艙容積增加了15％，密封艙容積增加了20.3％；起飛質量增加了19％～48％，其中可回收的有效載荷質量增加了53％，不可回收的有效載荷質量增加了11％～33％。

返回式衛(wèi)星0號、1號、2號的有效載荷都是膠片型可見光遙感相機。衛(wèi)星發(fā)射前裝有一定數(shù)量的膠片，發(fā)射入軌后通過星上的程序裝置或地面遙控使相機對地開機照相，按計劃的攝影區(qū)域，獲取地物目標信息。衛(wèi)星完成全部攝影任務后，返回艙脫離運行軌道，帶著攝影膠片返回地面。應用系統(tǒng)將攝影膠片沖洗處理后，獲得地面景物的照片。

中國用返回式衛(wèi)星進行衛(wèi)星留軌試驗是個創(chuàng)新。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，將儀器艙恢復正常的運行姿態(tài)，成為一顆新的技術試驗衛(wèi)星。這樣即可在其上進行一系列科學技術試驗，特別是那些不宜在衛(wèi)星正常運行情況下進行的故障模式試驗，從而變廢為寶。1994年7月和1996年11月，在第二顆和第三顆返回式衛(wèi)星!號上，先后成功地進行了2次留軌試驗。這一創(chuàng)新后來被成功地運用于“神舟”飛船的軌道艙留軌試驗。

新世紀新衛(wèi)星

在21世紀，中國又發(fā)射了返回式衛(wèi)星3號、4號及“實踐8號”衛(wèi)星。它們對返回式衛(wèi)星2號衛(wèi)星平臺進行了升級設計，雖然大部分分系統(tǒng)和設備基本相同，但無論在飛行時間上，還是在功能方面。以及軌道控制精度和返回控制計算等整體性能，都有較大的改進和提高。

返回式衛(wèi)星3號是第二代攝影測繪衛(wèi)星，返回式衛(wèi)星4號是國土詳查衛(wèi)星。針對高精度攝影測繪和詳查的不同使用要求，中國分別開展了這2個型號的總體方案設計，其中對相同的分系統(tǒng)和設備統(tǒng)一進行設計和制造，大大提高了型號的總體設計水平和制造、試驗與飛行任務的效率。

返回式衛(wèi)星3號、4號和“實踐8號”的構型基本相同，回收艙保持原有返回式衛(wèi)星成熟的氣動外形和設計方法，具有良好的再入穩(wěn)定性，適應回收艙的彈道式再入返回。制動艙仍保持原有構型。相對于返回式衛(wèi)星2號，返回式衛(wèi)星3號、4號儀器艙的柱段有所加長，容積有所增大，使有效載荷和電池的裝載能力有較大提高。

返回式衛(wèi)星3號質量為3.6噸，返回式衛(wèi)星4號為3.9噸；“實踐8號”為3 4噸。它們的最大直徑2 2米，最大高度5 144米。返回式衛(wèi)星3號工作壽命為l 8天，4號為17天，“實踐8號”為15天。返回式衛(wèi)星3號用“長征二號丁”火箭發(fā)射；返回式衛(wèi)星4號和“實踐8號”都用“長征二號丙”發(fā)射。

返回式衛(wèi)星3號的3顆衛(wèi)星都按計劃成功發(fā)射并完成了規(guī)定的攝影測量任務，獲得了比中國第一代攝影測繪衛(wèi)星返回式衛(wèi)星I號精度更高的地理資料。返回式衛(wèi)星4號的2顆衛(wèi)星也按計劃準確入軌，并完成了規(guī)定的國土詳查任務?！皩嵺`8號”衛(wèi)星按用戶研制總要求，完成了總質量為302千克有效載荷的裝載和飛行試驗，回收后交付的種子樣品完整無缺。

中國新研制的3種返回式衛(wèi)星都取得了技術上的重要進步。其中第二代測繪衛(wèi)(返回式衛(wèi)星3號)把大地測量精度提高到一個新的水平。第一代詳查遙感衛(wèi)星(返回式衛(wèi)星4號)的分辨率達到國內(nèi)最高水平，為用戶提供了有價值的遙感資料。在完成主要任務的同時，還用衛(wèi)星開展了微重力搭載科學試驗，取得了空間科學試驗新的成果。

返回式衛(wèi)星3號、4號和“實踐8號”能夠快、好、省地完成制造和飛行任務，取得一系列科學技術成果，重要原因就是利用公用平臺技術。中國返回式衛(wèi)星繼承性比較好的主要有結構部件，返回艙的氣動外形，控制、返回、程控、壓控、遙測、遙控等分系統(tǒng)。在繼承成熟技術的基礎上，這些分系統(tǒng)都有技術上的進步。

為了滿足對地遙感和科學試驗的需要，中國還在研制下一代返回式衛(wèi)星，它將在能源、控制，數(shù)據(jù)管理，結構、熱控等方面有比較大的改進，以安裝更多的有效載荷，創(chuàng)造更好的微重力環(huán)境，飛行更長的時間，以獲得更多更好的遙感和科學試驗成果。充分地繼承前一代衛(wèi)星的成熟技術和經(jīng)驗，在此基礎上又有較大的創(chuàng)新和改進，從而為國家提供一種嶄新的用途廣泛的返回式衛(wèi)星平臺，是中國返回式衛(wèi)星實現(xiàn)高可靠性，低成本和短研制周期的關鍵。