[科普中國]-返回式衛(wèi)星

基本簡介

通常，衛(wèi)星發(fā)射入軌之后，就在太空執(zhí)行任務(wù)，并不需要返回地面。如通信、導(dǎo)航。氣象衛(wèi)星都是如此。但是有的衛(wèi)星卻需要回到地面，如偵察衛(wèi)星獲得的情報?？茖W(xué)實驗衛(wèi)星攜帶的實驗品等。這就是返回式衛(wèi)星。研制返回式衛(wèi)星是衛(wèi)星發(fā)展史上的一個重要突破。

中國是繼美俄后，第三個掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家，1從1975年發(fā)射第一顆返回式衛(wèi)星至今，中國已發(fā)射了超過14顆（截止到1992年）返回式衛(wèi)星，搭載了數(shù)百個微重力科學(xué)實驗室，其試驗成果已經(jīng)應(yīng)用于新材料的研制生產(chǎn)、新藥品的制造以及農(nóng)作物新品種的栽培等方面。在40余年的發(fā)展歷程中，返回式衛(wèi)星成為中國發(fā)射最多的衛(wèi)星系列。在實踐十號之前，中國共研制了國土普查衛(wèi)星、攝影測繪衛(wèi)星、空間育種衛(wèi)星等合計6種型號、24顆衛(wèi)星，衛(wèi)星平臺經(jīng)過了三代跨越。2

返回過程返回過程是衛(wèi)星順利從太空返回需要解決一系列復(fù)雜的技術(shù)難題，這些問題主要包括衛(wèi)星的調(diào)姿、制動、防熱、軟著陸、標(biāo)位及尋找等等。

首先，衛(wèi)星返回之前先要調(diào)整飛行狀態(tài)，即脫離原來的運行軌道。衛(wèi)星脫離原有軌道的速度叫做再入速度。再入速度與地平線所形成的俯角稱為再入角。衛(wèi)星重返大地對再入角的要求十分嚴(yán)格，一般須在3~ 5度。因為如果太大，衛(wèi)星將會陡直地進入大氣層，會引起較大的空氣阻力和摩擦加熱；如果太小，則衛(wèi)星將仍在原軌道上運行，再入速度與再入角都靠一支小型助推火箭來控制?；鸺狞c火時間、推力方向、推力大小與時間長短都會影響到再入速度和再入角的準(zhǔn)確度。這就要求有靈敏而可靠的火箭制動（反椎）發(fā)動機。

其次，衛(wèi)星在降落過程中，要摩擦生熱。尤其是當(dāng)它降到離地面60-70千米時，與大氣層摩擦產(chǎn)生大量的熱能，使其表面發(fā)生燃燒。為此，必須采用適當(dāng)?shù)姆罒嵩O(shè)施，來保證回收艙在再入大氣層時能夠維持內(nèi)部的正常溫度。這就需要有特殊的耐高溫材料。

再次，衛(wèi)星返回地面需要很長的運行區(qū)間，必須不間斷地對衛(wèi)星進行精確測量和全程跟蹤，并根據(jù)實測軌道參數(shù)對衛(wèi)星的程序控制數(shù)據(jù)進行必要的控制和管理，為此就要建立更大范圍。更多功能的地面測控網(wǎng)。

最后，衛(wèi)星降落到離地10~ 20千米時，盡管速度已經(jīng)大大減小，但仍然有200米/秒左右。如果以這樣的速度撞擊地面，衛(wèi)星必然粉身碎骨。因此，必須使用減速傘來再次降低速度。通常先要打開一頂較小的副傘，初步減速；當(dāng)衛(wèi)星降落到離地面只有5千米的高度時，再打開主傘，使衛(wèi)星速度小于10米/秒。降落傘的打開必須非常準(zhǔn)時，否則衛(wèi)星就不能夠安全著陸。

除此之外，衛(wèi)星降落后，還必須能夠準(zhǔn)確標(biāo)示出自己的位置，以便于地面人員尋找。標(biāo)位方法一般有兩種：一是在衛(wèi)星上安裝信標(biāo)機，在離地面20~ 30千米時發(fā)出無線電信號，地面收到信號后測定衛(wèi)星的方位和距離；二是在衛(wèi)星上安裝燈光信標(biāo)，在著陸時發(fā)出強烈的閃光，以引起搜索人員的注意。當(dāng)?shù)孛嫒藛T利用這些標(biāo)位信號發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星后，即根據(jù)衛(wèi)星所處的位置，分別采取陸上、海上和空中回收等方式將衛(wèi)星回收。

主要用途返回式衛(wèi)星主要有三個用途。

一、作為觀測地球的空間平臺。返回式衛(wèi)星所獲取的各種對地觀測信息資料，可以帶回地面進行分析處理和詳細(xì)研究。

二、作為微重力試驗平臺。利用微重力條件，進行宇宙醫(yī)學(xué)與生物試驗，制造地面條件下不能制取或極難獲得的特種珍貴藥品，如電泳儀藥物產(chǎn)品等。通過失重、超重及空間環(huán)境適應(yīng)試驗發(fā)展乘員保障技術(shù)，使乘員能在太空進行裝配、維修、救活失靈衛(wèi)星等作業(yè)，這將帶來巨大的經(jīng)濟效益。據(jù)國外研究表明，在軌組裝及從軌道上運送有效載荷與給養(yǎng)到高軌道甚至地球同步高度，比直接發(fā)射要經(jīng)濟得多。蘇聯(lián)的乘員已經(jīng)積累了在太空生活一年的經(jīng)驗，完成了許多復(fù)雜任務(wù)，取得了很好的效益。3

三、作為發(fā)展載人航天技術(shù)的先導(dǎo)。因為宇航員必須采取與返回式衛(wèi)星相似的方法返回地面，只有掌握了衛(wèi)星返回技術(shù)，才能為載人航天打下基礎(chǔ)。因此，返回式衛(wèi)星在世界各類航天器中占有重要地位。目前，全世界只有美國、俄羅斯和中國掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)。

技術(shù)要點研制返回式衛(wèi)星，除了要解決一般衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、溫度控制、姿態(tài)控制、電源和無線電測控等技術(shù)外，還必須解決衛(wèi)星的返回技術(shù)，才能使其從太空軌道上安全返回地面。這也是返回式衛(wèi)星的獨特之處和困難所在。因此，研制返回式衛(wèi)星就必須掌握如下技術(shù)：

姿態(tài)調(diào)整技術(shù)在衛(wèi)星返回前，將其從在軌道的運行姿態(tài)準(zhǔn)確地調(diào)整為返回姿態(tài)，并使衛(wèi)星在此返回姿態(tài)下保持穩(wěn)定，以確保制動推力方向的準(zhǔn)確；

衛(wèi)星制動技術(shù)為使衛(wèi)星脫離原來的運行軌道，按預(yù)定程序進入返回軌道而重返地面，則要求衛(wèi)星上的制動火箭能按時點火，可靠地、正常地工作，以便衛(wèi)星借助火箭的制動推力準(zhǔn)確地踏上返途；

防熱技術(shù)在衛(wèi)星高速返回途中，既要保證衛(wèi)星不被其與空氣強烈磨擦而產(chǎn)生的高熱燒毀，又要確保衛(wèi)星內(nèi)的儀器能夠正常工作；

軟著陸技術(shù)就是采用可靠的降落傘與回收控制系統(tǒng)，使衛(wèi)星在大氣層較低高度范圍用降落傘減速，以便達到低速著陸保證回收物完好無損之目的；

標(biāo)位及尋找技術(shù)這也就是要有能確保實時準(zhǔn)確地預(yù)報及測量衛(wèi)星落點位置的技術(shù)手段，以便在預(yù)定的回收區(qū)內(nèi)盡快發(fā)現(xiàn)返回衛(wèi)星并進行回收工作。

返回式衛(wèi)星在整個衛(wèi)星家族中占有很大的比重，用途也很廣泛，它能作為觀測地球的空間平臺，裝載各種精密的遙感儀器設(shè)備，可獲取大量的、圖像清晰的、分辨率高的遙感資料，廣泛地應(yīng)用到科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域：國士普查、石油勘探、地圖測繪、海洋海岸測繪、地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查、鐵路選線、電站選址、地震預(yù)測、草原與林區(qū)普查以及歷史文物考古等；在國防上也可用于軍事偵察。這類衛(wèi)星還可作為空間微重力試驗平臺，搭載多種微重力試驗裝置，能進行材料和生物等科學(xué)領(lǐng)域的各種試驗。

各國返回式衛(wèi)星舉例1、美國

發(fā)現(xiàn)者13Corona

Lanyard

Gambit

Hexagon

2、前蘇聯(lián)

Orlet

3、中國

尖兵系列遙感衛(wèi)星

中國返回式衛(wèi)星技術(shù)成就與展望返回式衛(wèi)星的發(fā)展概況1975年11月26日，我國第一顆返回式衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星在軌運行3天后于11月29日成功返回。北京空間機電研究所是研制返回式衛(wèi)星相機系統(tǒng)和回收系統(tǒng)的承擔(dān)單位。作為光學(xué)遙感衛(wèi)星，第一顆返回式衛(wèi)星上的第一代膠片型航天光學(xué)遙感相機恰似它的眼睛，能清晰地分辨出公路、碼頭等目標(biāo)，收獲了我國第一批從太空拍攝的重要對地觀測資料。4

中國返回式衛(wèi)星是一種主要用于國土普查的遙感衛(wèi)星，20世紀(jì)70年代來共研制了六種型號，進行了24次發(fā)射。返回式衛(wèi)星為中國航天遙感事業(yè)首開先河，在傳輸式遙感衛(wèi)星使用之前的二十多年里，我國國產(chǎn)的航天遙感資料都來自于返回式衛(wèi)星。返回式衛(wèi)星，應(yīng)用于國土資源普查、大地測量以及河流海岸監(jiān)測等方面，還進行了大量的搭載科學(xué)試驗，取得了豐碩成果。衛(wèi)星在城鄉(xiāng)規(guī)劃、水利建設(shè)、地質(zhì)資源勘探、考古以及空間育種等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，獲得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

迄今為止，返回式衛(wèi)星共研制了6種型號：第一代返回式國土普查衛(wèi)星、第一代返回式攝影測繪衛(wèi)星、第二代返回式國土普查衛(wèi)星、第二代返回式攝影測繪衛(wèi)星、返回式國土詳查衛(wèi)星、實踐八號育種衛(wèi)星。分述如下：

① FSW-0：第一代返回式國土普查衛(wèi)星，共進行了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繪衛(wèi)星，共進行 5次發(fā)射，4次成功回收。該型號在計算機控制技術(shù)、艙壓控制等方面有比較大的進步，衛(wèi)星飛行時間增加到8天。

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

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

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

⑥ SJ-8：實踐八號育種衛(wèi)星，進行空間誘變育種和空間微重力科學(xué)實驗。

FSW-3、4和SJ-8衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)衛(wèi)星重量：FSW-3：3.6t；FSW-4：3.9t；SJ-8：3.4t

外形尺寸：最大直徑2200mm，最大高度5144mm

衛(wèi)星工作壽命：FSW-3：18天；FSW-4：27天；SJ-8 ：15天

姿態(tài)控制精度：優(yōu)于0.5°(三軸，3σ)；

姿態(tài)穩(wěn)定度：0.005°/s(三軸，3σ)；

側(cè)擺能力：FSW-4每軌道圈側(cè)擺一次，每次≤23°；

星上時間精度：1ms/d，分辨率0.614ms；

遙測通道： 128個主幀

遙控指令： 129條

程控指令： 90條

運行范圍：南北緯63°之間；

運載火箭：FSW-3：CZ-2D，不帶整流罩發(fā)射；FSW-4：CZ-2C，帶整流罩發(fā)射；SJ-8：CZ-2C，不帶整流罩發(fā)射。

發(fā)射場：酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。

返回式衛(wèi)星任務(wù)完成情況中國回收第22顆返回式衛(wèi)星

⑴ 主任務(wù)完成情況

FSW-0：共成功發(fā)射9顆星，實現(xiàn)航天遙感零的突破。

FSW-1：共成功發(fā)射5顆星，實現(xiàn)航天測繪零的突破。

FSW-2：共成功發(fā)射3顆星，將遙感分辨率提高到一個新的水平。

FSW-4：獲得中國當(dāng)前最高分辨率的航天照片。

FSW-3：獲得中國當(dāng)前最高定位精度的航天測繪地理資料。

SJ-8：完成主載荷為302kg的飛行任務(wù)，同時進行12項搭載科學(xué)試驗。

⑵ 搭載科學(xué)試驗情況

FSW-0、1、2共完成4次空間生命科學(xué)試驗，7次空間材料加工試驗，3次微重力測量試驗，1次 GPS自主定位試驗，1次光盤信息存放試驗，以及900多件植物種子、微生物、蟲卵、100多件空間輻射劑量測量、20多件航天用器件的無源搭載試驗。

FSW-3共完成空間池沸騰傳熱、氣泡熱毛細(xì)遷移、熔體表面和液固界面特性、 空間細(xì)胞培養(yǎng)4空間科學(xué)試驗。

SJ-8共完成13項搭載科學(xué)試驗。其中有中國科學(xué)院的物質(zhì)傳質(zhì)過程、 熱毛細(xì)對流、材料燜燒、 導(dǎo)線著火特性、 微重力池沸騰、高等植物生長、干細(xì)胞培養(yǎng)、星載加速度計、顆粒物質(zhì)運動9項試驗；航天五院銣鐘搭載、推進劑剩余量測量2項試驗；中科院紫金山天文臺1項暗物質(zhì)探測試驗。

衛(wèi)星的成果應(yīng)用⑴ 衛(wèi)星的對地遙感成果

國土普查：用于土地的利用、地質(zhì)礦產(chǎn)構(gòu)造、地震地質(zhì)構(gòu)造等方面的調(diào)查。

攝影定位：用于提供城市規(guī)劃、交通和水利建設(shè)數(shù)據(jù)， 繪制國內(nèi)邊遠地區(qū)地圖。

⑵ 科學(xué)試驗成果

經(jīng)飛行試驗的種子返回地面后，經(jīng)選種培育，獲得了小麥、水稻、西紅柿、黃瓜、青椒、花卉等新的品種，為航天育種探索了一條新路。

返回式衛(wèi)星科技進步⑴ 通過第一顆返回式衛(wèi)星的研制，突破了衛(wèi)星的離軌、再入大氣的氣動外形和防熱設(shè)計、返回程序控制、衛(wèi)星軟著陸、以及返回測控和返回軌道設(shè)計等再入返回關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)目前只有少數(shù)幾個國家掌握。

⑵ 通過前四種型號研制，實現(xiàn)了衛(wèi)星總體設(shè)計技術(shù)、三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制技術(shù)、再入燒蝕防熱技術(shù)、返回技術(shù)、公用平臺等衛(wèi)星技術(shù)的新進展。

⑶ 通過第五、六種型號研制，獲得了熱控技術(shù)、對地遙感的技術(shù)、激光測距儀技術(shù)、衛(wèi)星側(cè)擺技術(shù)、高精度艙壓控制、熱門機構(gòu)、鋰電池、濕度控制、回收落點控制技術(shù)等新的技術(shù)成果。

最新進展在太空充當(dāng)了12天臨時實驗室的實踐十號衛(wèi)星2016年4月18日下午攜帶小鼠胚胎、蠶、果蠅、線蟲、水稻、擬南芥等“乘客”成功降落在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)域。中國航天科技集團五院實踐十號衛(wèi)星總設(shè)計師趙會光說，這不僅標(biāo)志著中國返回式衛(wèi)星迎來第二個春天，而且也成為中國首顆在四子王旗采用彈道式回收的返回式衛(wèi)星。據(jù)悉，實踐十號衛(wèi)星共承載了19個實驗項目，其中包括生物輻射盒、家蠶培養(yǎng)箱、植物培養(yǎng)箱、高等植物箱、胚胎培養(yǎng)箱在內(nèi)的15臺設(shè)備隨著返回艙歸來，而其他設(shè)備則留在太空中，繼續(xù)開展3至5天的實驗。實踐十號衛(wèi)星是中國第25顆返回式衛(wèi)星，也是中國專門為“微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)”實驗研究量身定做的首顆“微重力”衛(wèi)星，不僅利用中國成熟的返回式衛(wèi)星技術(shù)，緊密圍繞有關(guān)能源、農(nóng)業(yè)和健康等領(lǐng)域國家科技戰(zhàn)略目標(biāo)，結(jié)合航天器防火等關(guān)鍵技術(shù)需求，在促進地面生物工程、新材料等高技術(shù)發(fā)展和生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究方面取得了新突破，而且對于推動中國空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)發(fā)展具有重要意義。據(jù)悉，返回的11項實驗載荷共計15臺設(shè)備均狀態(tài)良好，在經(jīng)歷了太空嚴(yán)酷的環(huán)境和返回之旅的考驗之后，它們均保持了適宜的溫度和相關(guān)環(huán)境。趙會光說：“本次衛(wèi)星任務(wù)的圓滿成功，驗證了返回式衛(wèi)星的一系列核心技術(shù)，為返回式衛(wèi)星在空間科學(xué)領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展進一步拓寬了道路。”2

近年來，返回式衛(wèi)星在空間科學(xué)領(lǐng)域的作用得到了越來越大的發(fā)揮。據(jù)不完全統(tǒng)計，在實踐十號之前，返回式衛(wèi)星曾完成13項空間生命科學(xué)實驗、7項空間材料加工實驗、23次空間微重力科學(xué)實驗、3次微重力測量實驗，以及900多件植物種子、微生物、蟲卵，100多件空間輻射劑量測量，20多件航天用器件的無源搭載實驗。此外，還完成了熔體表面和液固界面特性、空間細(xì)胞培養(yǎng)等空間科學(xué)實驗。2

前景展望返回式衛(wèi)星中有許多關(guān)鍵技術(shù)到目前仍然是訣竅，例如再入防熱技術(shù)、姿態(tài)控制、回收軟著陸技術(shù)等，中國的載人航天技術(shù)也是在返回式衛(wèi)星技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2

通過改進電源系統(tǒng)、改進數(shù)據(jù)管理和數(shù)傳系統(tǒng)、增加可回收載荷的重量、提高控制能力，繼續(xù)發(fā)展返回式空間科學(xué)試驗衛(wèi)星和更高分辨率的返回式遙感衛(wèi)星，為國民經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)進步作出新的貢獻。

下一代返回式衛(wèi)星將在能源、控制、數(shù)據(jù)管理、結(jié)構(gòu)、熱控等方面有比較大的改進。發(fā)展目標(biāo)是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，以獲得更多更好的科學(xué)實驗成果。2