[科普中國(guó)]-中國(guó)返回式遙感衛(wèi)星

簡(jiǎn)介

返回式衛(wèi)星指在軌道上完成任務(wù)后，有部分結(jié)構(gòu)會(huì)返回地面的人造衛(wèi)星。返回式衛(wèi)星最基本的用途是照相偵察。比起航空照片，衛(wèi)星照片的視野更廣闊、效率更高。早期由于技術(shù)所限，必需利用底片才能拍攝高清晰度的照片，因此必需讓衛(wèi)星帶同底片或用回收筒將底片送回地面進(jìn)行沖洗和分析。各個(gè)航天大國(guó)都曾利用返回式衛(wèi)星作軍事偵察及國(guó)土普查用途?，F(xiàn)在由于可從衛(wèi)星上直接傳送影像數(shù)據(jù)到地面，返回式衛(wèi)星的功能又演變?yōu)檫M(jìn)行需要回收實(shí)驗(yàn)品的空間試驗(yàn)室。

2015年11月29日是中國(guó)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(lái)共研制了6種型號(hào)，完成了24次發(fā)射，成功回收22次。返回式衛(wèi)星是中國(guó)航天遙感事業(yè)的開(kāi)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(guó)國(guó)產(chǎn)的航天遙感資料都來(lái)自于返回式衛(wèi)星。中國(guó)的返回式衛(wèi)星的遙感資料主要應(yīng)用于國(guó)土資源普查、大地測(cè)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(cè)、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(yàn)，取得了豐碩成果，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

返回式衛(wèi)星0號(hào)(FSW-0)是我國(guó)第一代國(guó)土普查衛(wèi)星，于1975年11月26日發(fā)射入軌，29日返回。中國(guó)的首顆返回式衛(wèi)星的成功回收，使中國(guó)成為繼美國(guó)、前蘇聯(lián)之后世界上第三個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國(guó)家。為掌握這項(xiàng)技術(shù)，美國(guó)曾耗費(fèi)了12顆衛(wèi)星失敗的高昂代價(jià)，前蘇聯(lián)也同樣經(jīng)歷了13次失敗才成功。1

中國(guó)返回式遙感衛(wèi)星型號(hào)迄今為止，返回式衛(wèi)星是中國(guó)發(fā)射次數(shù)最多的一種衛(wèi)星，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為了適應(yīng)有效載荷的變化，先后對(duì)返回式衛(wèi)星平臺(tái)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(shí)間也大幅度延長(zhǎng)。先后研制并發(fā)射了FSW-0、FSW-1、 FSW-2、FSW-3、 FSW-4五種型號(hào)的返回式衛(wèi)星以及實(shí)踐8號(hào)育種衛(wèi)星，掌握了返回式衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)、制造、防熱、大型試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射、跟蹤測(cè)控和衛(wèi)星回收等各種關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)型號(hào)充分繼承和吸收了前面型號(hào)的成功經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)。1

① FSW-0：第一代返回式國(guó)土普查衛(wèi)星，共進(jìn)行了10次發(fā)射，9次發(fā)射并成功回收。取得了衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、跟蹤測(cè)控和衛(wèi)星回收的技術(shù)發(fā)展。

② FSW-1：第一代返回式攝影測(cè)繪衛(wèi)星，共進(jìn)行 5次發(fā)射，4次成功回收。該型號(hào)在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、艙壓控制等方面有比較大的進(jìn)步，衛(wèi)星飛行時(shí)間增加到8天。

③ FSW-2：第二代返回式國(guó)土普查衛(wèi)星，共進(jìn)行3次發(fā)射，3次成功回收。飛行時(shí)間15天。

④ FSW-3：第二代返回式攝影測(cè)繪衛(wèi)星，共進(jìn)行了3次發(fā)射，3次成功回收。飛行時(shí)間18天。

⑤ FSW-4：返回式國(guó)土詳查衛(wèi)星，共進(jìn)行了2次發(fā)射，2次成功回收。飛行時(shí)間27天。

⑥ SJ-8：實(shí)踐八號(hào)育種衛(wèi)星，進(jìn)行空間誘變育種和空間微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

分系統(tǒng)簡(jiǎn)述FSW-0和FSW-1具有相同的外形，其形狀為羽毛球狀的鈍頭截錐體，最大直徑為2200毫米，總長(zhǎng)為3144毫米，頭部半錐角為10度，由儀器艙和回收艙組成。FSW-2的外形與FSW-1相差較大，相當(dāng)于在原0號(hào)和1號(hào)的結(jié)構(gòu)底部增加了1個(gè)高1500毫米、直徑2200毫米的圓柱段。其總長(zhǎng)為4644毫米，最大直徑為2200毫米。

FSW-0有11個(gè)分系統(tǒng)：有效載荷、結(jié)構(gòu)、熱控、姿控、程控、遙測(cè)、遙控、跟蹤、天線、回收以及電源分系統(tǒng)。而FSW-1和FSW-2增加了一個(gè)壓力控制分系統(tǒng)。2

有效載荷我國(guó)返回式衛(wèi)星的有效載荷都是膠片型可見(jiàn)光遙感相機(jī)。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(guò)星上的程序裝置或地面遙控使相機(jī)對(duì)地開(kāi)機(jī)照相，按計(jì)劃的攝影區(qū)域，獲取地物目標(biāo)信息。衛(wèi)星完成全部攝影任務(wù)后，返回艙脫離運(yùn)行軌道，帶若攝影膠片返回地面。應(yīng)用系統(tǒng)將攝影膠片沖洗處理后，獲得地面景物的照片。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)FSW-0和FSW-1的結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主要由2個(gè)艙段結(jié)構(gòu)組成。儀器艙殼體為鋁合金金屬結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)主要安裝照相機(jī)及在軌工作的儀器。儀器艙其有良好的密封性，可以滿足照相機(jī)在軌工作的壓力環(huán)填?；厥张搩?nèi)襯為鋁合金，外部為耐高溫的燒蝕材料?；厥张撛谠偃氪髿膺^(guò)程中，由于嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱會(huì)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(huì)燒毀，并且內(nèi)部有合適的環(huán)境溫度。儀器艙和回收艙用爆炸螺栓相連接，在需要分離時(shí)，通過(guò)電控引爆使兩艙分離。FSW-2由3個(gè)艙段組成：儀器艙、制動(dòng)艙和回收艙。其材料和艙段連接方式與前兩個(gè)型號(hào)相仿。

熱控分系統(tǒng)熱控分系統(tǒng)利用保溫與散熱等不同的措施，保證星上設(shè)備有合適的工作環(huán)境。衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中，向陽(yáng)面溫度高，背陰面溫度低，返回式衛(wèi)星的這種溫差可以達(dá)到200攝氏度。另外，用電功耗大的儀器會(huì)發(fā)熱，需要將熱量散發(fā)出去，處于低溫環(huán)境的設(shè)備需要保溫或加溫，這些都要靠熱控措施來(lái)解決。返回式衛(wèi)星的熱控措施和其它的衛(wèi)星一樣，有被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控之分。被動(dòng)熱控就是為被控設(shè)備選擇合適的表面涂層或隔熱保溫材料進(jìn)行保溫，或用散熱好的材料散熱。而主動(dòng)熱控則是以電控方法采用加熱或通風(fēng)的辦法達(dá)到升溫或降溫的目的。FSW-0采取被動(dòng)熱控措施，1號(hào)和2號(hào)采用被動(dòng)熱控與主動(dòng)熱控相結(jié)合的方式，以保證星上設(shè)備具有正常的溫度環(huán)境。

姿控分系統(tǒng)返回式衛(wèi)星的控制分系統(tǒng)共有姿態(tài)控制和軌道維持兩方面的功能，姿態(tài)控制是對(duì)地定向三軸穩(wěn)定系統(tǒng)、可以滿足有效載荷對(duì)地?cái)z影的姿態(tài)要求，還用于給出返回前的姿態(tài)基準(zhǔn)。它用陀螺和紅外地球敏感器作姿態(tài)測(cè)量部件，用冷氣噴氣系統(tǒng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成控制功能，2號(hào)增加了軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，作為長(zhǎng)時(shí)間飛行的軌道維持手段。

程控分系統(tǒng)程控分系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生程序控制指令，控制照相機(jī)和其他需定期開(kāi)關(guān)機(jī)的設(shè)備。

遙測(cè)分系統(tǒng)遙測(cè)分系統(tǒng)的功能是采集星上數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼、調(diào)制后，由射頻傳到地面站、經(jīng)地面接收解調(diào)和處理后。得到所需的衛(wèi)星工程數(shù)據(jù)。

遙控分系統(tǒng)遙控分系統(tǒng)的功能是接收地面發(fā)送的指令信息，收到后向星上其他設(shè)備發(fā)出指令?？刂菩巧显O(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)和狀態(tài)變化。1號(hào)和2號(hào)返回式衛(wèi)星的遙控分系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)注入的功能。星上姿控、程控、遙控等分系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)或微處理器，加上遙控分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)注入功能，地面就可以方便地用數(shù)據(jù)注人的辦法修改衛(wèi)星的飛行程序。這對(duì)于需要根據(jù)天氣情況開(kāi)機(jī)照相的遙感任務(wù)來(lái)說(shuō)，是非常重要的。

跟蹤分系統(tǒng)跟蹤分系統(tǒng)的功能是完成地而跟蹤和軌道測(cè)量。星上裝有雙頻測(cè)速和雷達(dá)測(cè)距設(shè)備，地面和星上設(shè)備相互配合測(cè)出衛(wèi)星到地面站的距離與方位，經(jīng)計(jì)算得到衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)。

回收分系統(tǒng)回收分系統(tǒng)的功能是保證衛(wèi)星的安全著陸。當(dāng)衛(wèi)星完成在軌攝影和科學(xué)試臉任務(wù)后。由姿控系統(tǒng)調(diào)整好衛(wèi)星姿態(tài)，返回艙和儀器艙分離。分離時(shí)刻作為時(shí)間零點(diǎn)，回收分系統(tǒng)由此開(kāi)始執(zhí)行衛(wèi)星的回收程序，發(fā)出一系列指令，如制動(dòng)火箭點(diǎn)火、無(wú)線電設(shè)備開(kāi)機(jī)、降落傘開(kāi)傘等。使返回艙離開(kāi)運(yùn)行軌道飛向地球，到一定的高度打開(kāi)降落傘，最后軟著陸。

電源分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)包括電池，電源變換器和配電器及電纜等設(shè)備。其功能是為其他設(shè)備供電和配電。使星上設(shè)備能正常工作。電源分系統(tǒng)采用的電池為鋅銀化學(xué)蓄電池。

壓控分系統(tǒng)1號(hào)和2號(hào)返回式衛(wèi)星增加了壓控分系統(tǒng)。其功能是控制密封艙的壓力力，以滿足相機(jī)工作的壓力環(huán)境要求。2

衛(wèi)星運(yùn)行程序返回式衛(wèi)星從發(fā)射到返回地面的飛行程序大致為：

1、運(yùn)載火箭點(diǎn)火，運(yùn)載火筋完成主動(dòng)段飛行，將衛(wèi)星送到預(yù)定的軌道；衛(wèi)星和運(yùn)載火箭分離、衛(wèi)星入軌；星箭分離開(kāi)關(guān)啟動(dòng)姿控。程控系統(tǒng)工作。

2、按預(yù)定計(jì)劃，由程控指令開(kāi)機(jī)。對(duì)預(yù)定地面地區(qū)照相或進(jìn)行其它科學(xué)試驗(yàn)。

3、衛(wèi)星完成照相和其它試臉任務(wù)后實(shí)施返回。返回時(shí)首先將衛(wèi)星調(diào)整到返回姿態(tài)，兩艙分離，制動(dòng)火箭點(diǎn)火，返回艙脫離運(yùn)行軌道，衛(wèi)星以一定的再入速度飛向地球。在通過(guò)稠密大氣層前，F(xiàn)SW-2要拋掉含有制動(dòng)火箭的制動(dòng)艙，而FSW-0、1則在進(jìn)入稠密大氣層后速度減到一定值時(shí)再拋掉制動(dòng)火箭和返回艙大底。

4、當(dāng)回收艙到達(dá)一定高度時(shí)降落傘開(kāi)始工作。開(kāi)傘前無(wú)線電設(shè)備開(kāi)機(jī)、地面接收無(wú)線電信號(hào)并跟蹤目標(biāo)。直到回收艙降落地面?；厥杖藛T到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)將艙體收回，完成一次衛(wèi)星的飛行任務(wù)。2

創(chuàng)新特點(diǎn)留軌試驗(yàn)中國(guó)用返回式衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星留軌試驗(yàn)是個(gè)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(lái)的軌道上飛行，成為無(wú)用的太空垃圾。其軌道逐漸衰減，直至墜人稠密大氣層焚毀。衛(wèi)星留軌試驗(yàn)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(yùn)行姿態(tài)，成為一顆新的技術(shù)試驗(yàn)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(yàn)，特別是那些不宜在衛(wèi)星正常運(yùn)行情況下進(jìn)行的故障模式試驗(yàn)，從而變廢為寶。

一星多用，搭載試驗(yàn)在完成對(duì)地觀測(cè)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(yàn)。在3顆FSW-2上進(jìn)行的兩類(lèi)搭載試驗(yàn)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(hào)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(yàn)衛(wèi)星。中國(guó)的返回式衛(wèi)星還為多家外國(guó)公司提供了搭載服務(wù)。

平臺(tái)擴(kuò)展性好FSW-3 , FSW-4和“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星能夠快、好、省地研制出來(lái)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(tái)技術(shù)。衛(wèi)星的主要結(jié)構(gòu)部件、返回艙的氣動(dòng)外形以及控制、返回、程控、壓控、遙測(cè)、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。1