武　苑

从1970年4月24日中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”上天，到2009年4月22日发射“遥感卫星六号”科学试验卫星，中国已研制、发射和运行成功了103个航天器，其中返回式卫星是中国目前发射次数最多、成功率最高的一种航天器。从这个意义上讲，它是中国的“金牌”卫星。

世界第三创造辉煌

中国返回式卫星的研制工作始于1966年。在攻克了卫星姿态控制技术、卫星再入防热技术和卫星回收技术等一道道难关后，1975年11月26日，第一颗返回式卫星终于由“长征二号”运载火箭发射成功。它在轨道上运行了3天，11月29日按预定时间返回了祖国大地。

该卫星是一种在低轨道上运行、采用三轴稳定方式、对地心定向和返回舱可安全返回地面的卫星，主要用于国土普查。其运行轨道为：近地点173千米，远地点483千米，倾角63°，轨道周期91分钟。它由仪器舱和返回舱组成，质量为1790千克。仪器舱携带的1台可见光地物相机用于对地摄影，获取地球遥感资料；另1台星空相机用于对天空摄影，以测定对地摄影时刻的姿态精度。卫星在完成摄影任务后，将存放胶片的返回舱在预定的地区回收。

链接：大多数卫星不需要再返回地面，但返回式卫星则不同，它取得的工作成果必须在卫星返回地面以后我们才能得到。比如，使用胶片的遥感卫星，它是以普通的照相机原理工作的，也就是把信息存储在胶片上，只有拿到胶片再经过加工处理才能得到信息；微重力实验卫星也是如此，它的实验装置和产品需要回收后才能进行分析和利用，所以这些用途的卫星就需要返回地面。

它的成功使中国成为继美、苏之后世界上第三个掌握返回式卫星技术的国家。从1974～2006年，中国先后进行了24次返回式卫星的发射，其中23颗返回式卫星顺利入轨，22颗成功回收，是中国最成功的航天计划之一。返回式卫星不仅可以进行遥感、微重力试验和新技术试验，还为中国掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。

中国返回式卫星的主要任务是对地观测，同时还利用卫星的剩余载荷能力，以搭载形式进行一些国家科学技术发展急需的试验项目，在一定程度上弥补了中国目前没有专用微重力试验卫星和技术试验卫星的不足。

现已研制并发射了返回式卫星0号、1号、2号、3号、4号和“实践8号”共6种型号卫星，其中返回式卫星0号是中国第一代国土普查卫星；返回式卫星1号是中国第一代摄影测绘卫星；返回式卫星2号是中国第二代国土普查卫星；返回式卫星3号是中国第二代摄影测绘卫星，用于高精度摄影测绘，其测绘精度比第一代有较大的提高；返回式卫星4号是中国第一代国土详查卫星；“实践8号”是太空育种卫星。

通过6个型号卫星的研制，中国解决了返回式卫星的总体设计、制造、大型试验、卫星发射、跟踪测控和卫星回收等各种关键技术，尤其是完成了返回式卫星3号、4号任务后，使返回式卫星平台不断成熟、发展，有效载荷的性能有很大提高。

完美返回勇闯三关

返回式卫星与其它卫星的主要区别之一是，需要从空间轨道重新回到地面，掌握返回技术是其成功的法宝，这也是一道世界难题，就是在今天掌握它的国家也寥寥无几。为此，美国曾耗费了12颗卫星失败的高昂代价，苏联也同样支付了13颗卫星的学费，而中国则少得多。为使航天器安全返回并准时定点着陆，必须要掌握返回控制和制导、再入防热、回收和着陆三项关键技术。

返回控制和制导技术。航天器返回轨道由离轨条件决定，制动方向直接决定航天器再入大气层的角度，并影响再入制动过载和气动加热，它是由航天器姿态控制系统控制的。返回式卫星都采用三轴稳定方式来进行姿态控制，实现卫星三轴姿态控制的系统一般包括姿态敏感器、姿态控制器和姿态执行机构三部分。姿态敏感器的作用是敏感和测量卫星的姿态变化：卫星沿各个轴的转动角度、转动角速度有多大，是否超出规定的范围。常用的姿态敏感器有陀螺仪、红外地球敏感器、太阳敏感器、恒星敏感器、磁强计和射频敏感器或紫外敏感器等。为了不间断地获得姿态信息，常用陀螺仪和光学姿态敏感器(地球、太阳、恒星敏感器)构成组合式姿态测量基准。由陀螺仪提供短期姿态信息，由光学敏感器提供校准信号来修正陀螺的漂移。姿态控制器的作用是把姿态敏感器送来的卫星姿态角变化值的信号，经过一系列的比较、处理，产生控制信号输送到姿态执行机构。姿态执行机构的作用是根据姿态控制器送来的控制信号产生力矩，使卫星姿态恢复到正确的位置。通常使用的执行机构有两种。一种是气体喷管，即在卫星三个轴的方向安置若干个小的气体喷管，一旦卫星偏离所要求的姿态，相应方向的喷管就会喷出气体，产生推力，使卫星回到所要求的姿态位置。另一种是反作用飞轮(一种具有一定转动惯量的轮子)。当卫星的姿态处于所要求的姿态时，飞轮保持匀速旋转，如果卫星偏离了某一位置，则通过姿态敏感器和控制线路使飞轮加速或减速，产生一个相反方向的力矩，使卫星回复到所要求的姿态位置。卫星三个轴向各设置一个这样的飞轮，就能控制卫星三个轴方向的姿态。

反推火箭点火时间会影响返回舱的落点位置。例如在近地轨道上反推火箭点火时间相差1秒，会使返回舱的落点位置相差约9千米。反推火箭的点火由地面测控站直接遥控，或按预先注入的程序直接控制。

再入防热技术。卫星的返回是个极其复杂的过程，这是因为卫星在轨道上是以7千米／秒左右的高速飞行，当需要它返回时，它就以这么高的速度冲向地球大气层，并与空气产生强烈的摩擦，导致卫星表面产生极高温度，所以返回式卫星必须能可靠的防热，否则会在大气层中烧毁。再入航天器常用防热降温的方法有：①吸热式防热。在返回舱的某些部位，采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料来吸收大量的气动热量。用这类材料做飞船返回舱的蒙皮，气动加热传给飞船的热量为蒙皮所吸收、储存。这种方法防热能力有限，只适用于加热量很小的部分。②辐射式防热。用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去，航天飞机采用这种防热方式。③烧蚀式防热。利用高分子材料做返回舱的蒙皮，有意识地让它在高温加热时烧掉，将热量带走，从而达到保存主要结构的目的。由于重量的限制，要求防热材料采用尽可能轻的低密度烧蚀材料。

再入航天器采用何种防热方式与其再八方式有关。航天器再八地球大气层有弹道再入和升力再入两种方式。采用弹道、半弹道方式再入，即再入体进入大气层运动时只产生阻力不产生升力，或虽然产生升力但对升力大小和方向不加控制；采用升力再入，即再入航天器进入大气层运动时产生一定可控制的升力，通过升力控制，再入航天器有一定机动能力，因而能提高落点精度，甚至可在预定场地水平着陆。弹道式、半弹道式再入航天器如飞船，采用以烧蚀防热为主的防热系统，而升力式再入航天器如航天飞机，则采用以辐射防热为主的防热系统。

回收和着陆技术。弹道式、半弹道式再八航天器须由回收系统使其进一步减速，最后乘降

落伞垂直着陆或溅落。回收系统是弹道式和半弹道式返回舱的重要组成部分，因为返回舱再入大气层下降到20千米左右的高度后，如果不进一步采取减速措施，它将以约150～200米／秒冲向地面，而且表现出大幅度的摆动、旋转甚至翻滚。这时回收系统应开始工作，即用减速装置实施减速进行软着陆。常用的减速装置有降落伞着陆系统、降落伞一缓冲火箭着陆系统和降落伞一缓冲气囊着陆系统等。

航天器的回收可以选择陆地降落、海面溅落或在空中用飞机直接钩取等3种方式。所以，航天器回收系统依需要还可能设置漂浮装置，借以增加浮力而浮于海面并保持一定的漂浮姿态。回收系统中的扶直装置能产生附加浮力，使返回舱翻身；而在陆地着陆时，扶直装置能使返回舱在陆地着陆后处于直立姿态，以保证信标天线竖立，正常发射信号。

一代平台二种型号

采用第一代返回式卫星平台的返回式卫星0号和1号，其外形是半锥角为10°羽毛球状的球冠一圆锥台组合体，底部最大直径2.2米，总长3.144米。其容积为7.6立方米，起飞质量视有效载荷的不同为1800～2100千克，返回有效载荷260千克，在轨飞行3～8天。

第一代返回式卫星平台的仪器舱壳体为铝合金金属结构，舱内主要安装照相机及在轨工作的仪器。它具有良好的密封性，可以满足照相机在轨工作的压力环境。其返回舱内衬为铝合金，外部为耐高温的烧蚀材料。它在再八大气层过程中，由于严重的气动加热会产生高温，外部的烧蚀材料一边烧蚀一边将热量带走，从而保证舱体不会烧毁，并且内部有合适的环境温度。

两舱用爆炸螺栓相连接，卫星在轨道上完成预定的任务之后通过电控引爆使两舱分离。返回舱在制动火箭的作用下脱离原来的运行轨道进入稠密大气层，在一定高度开伞后安全返回地面；而仪器舱则继续在轨道上运行，其轨道逐渐衰减，最后陨落入稠密大气层焚毁。

返回式卫星0号有11个分系统：有效载荷、结构、热控、姿控、程控、遥测、遥控、跟踪、天线、回收和电源分系统。返回式卫星l号以后(除“实践8号”外)，增加了一个压力控制分系统，其功能是控制密封舱的压力，以满足相机工作的压力环境要求。

其姿态控制是对地定向三轴稳定系统，可以满足有效载荷对地摄影的姿态要求，还用于给出返回前的姿态基准。它用陀螺和红外地球敏感器作姿态测量部件(第一代摄影测绘卫星和第二代国土普查卫星增加了太阳敏感器)，用冷气喷气系统作执行机构来完成控制功能。从返回式卫星2号以后增加了轨控发动机，作为长时间飞行的轨道维持手段。从返回式卫星1号开始，遥控分系统还增加了数据注入的功能。

1992年开始使用的返回式卫星2号采用第二代返回式卫星平台。它是在返回式卫星0号、1号的结构底部增加了一段高度为1.5米、直径2.2米的圆柱段，使卫星总长达到4.6米，容积达到12.8立方米，能在轨飞行15～20天，一次飞行所获得的卫星遥感信息量比第一代返回式卫星增加13倍以上，卫星照片的地面分辨率也提高了3倍。它使中国返回式卫星技术以及对地观测水平向前推进了一大步，回收控制技术也达到世界先进水平。返回式卫星2号起飞质量2800～3100千克，返回有效载荷达到310千克左右，不返回有效载荷500～600千克，轨道倾角57°～70°，近地点高度175～200千米，远地点高度300～400千米，轨道周期约90分钟。

该卫星虽然也由仪器舱和返回舱组成，但结构发生了变化。仪器舱由非密封的服务舱和密封舱组成，两者是铆接在一起的。返回舱由回收舱和制动舱组成。返回时，返回舱先和仪器舱分离。在位于制动舱底部的制动火箭工作完毕后，制动舱与回收舱分离。制动舱在再入大气层过程中焚毁，只有具备防热功能的回收舱可安全通过大气层，在预定的回收区安全着陆。

与返回式卫星0号、1号卫星相比，返回式卫星2号卫星的总容积增加了68.4％，其中回收舱容积增加了15％，密封舱容积增加了20.3％；起飞质量增加了19％～48％，其中可回收的有效载荷质量增加了53％，不可回收的有效载荷质量增加了11％～33％。

返回式卫星0号、1号、2号的有效载荷都是胶片型可见光遥感相机。卫星发射前装有一定数量的胶片，发射入轨后通过星上的程序装置或地面遥控使相机对地开机照相，按计划的摄影区域，获取地物目标信息。卫星完成全部摄影任务后，返回舱脱离运行轨道，带着摄影胶片返回地面。应用系统将摄影胶片冲洗处理后，获得地面景物的照片。

中国用返回式卫星进行卫星留轨试验是个创新。卫星留轨试验是指在仪器舱分离后，利用它本身的全姿态捕获功能，将仪器舱恢复正常的运行姿态，成为一颗新的技术试验卫星。这样即可在其上进行一系列科学技术试验，特别是那些不宜在卫星正常运行情况下进行的故障模式试验，从而变废为宝。1994年7月和1996年11月，在第二颗和第三颗返回式卫星!号上，先后成功地进行了2次留轨试验。这一创新后来被成功地运用于“神舟”飞船的轨道舱留轨试验。

新世纪新卫星

在21世纪，中国又发射了返回式卫星3号、4号及“实践8号”卫星。它们对返回式卫星2号卫星平台进行了升级设计，虽然大部分分系统和设备基本相同，但无论在飞行时间上，还是在功能方面。以及轨道控制精度和返回控制计算等整体性能，都有较大的改进和提高。

返回式卫星3号是第二代摄影测绘卫星，返回式卫星4号是国土详查卫星。针对高精度摄影测绘和详查的不同使用要求，中国分别开展了这2个型号的总体方案设计，其中对相同的分系统和设备统一进行设计和制造，大大提高了型号的总体设计水平和制造、试验与飞行任务的效率。

返回式卫星3号、4号和“实践8号”的构型基本相同，回收舱保持原有返回式卫星成熟的气动外形和设计方法，具有良好的再入稳定性，适应回收舱的弹道式再入返回。制动舱仍保持原有构型。相对于返回式卫星2号，返回式卫星3号、4号仪器舱的柱段有所加长，容积有所增大，使有效载荷和电池的装载能力有较大提高。

返回式卫星3号质量为3.6吨，返回式卫星4号为3.9吨；“实践8号”为3 4吨。它们的最大直径2 2米，最大高度5 144米。返回式卫星3号工作寿命为l 8天，4号为17天，“实践8号”为15天。返回式卫星3号用“长征二号丁”火箭发射；返回式卫星4号和“实践8号”都用“长征二号丙”发射。

返回式卫星3号的3颗卫星都按计划成功发射并完成了规定的摄影测量任务，获得了比中国第一代摄影测绘卫星返回式卫星I号精度更高的地理资料。返回式卫星4号的2颗卫星也按计划准确入轨，并完成了规定的国土详查任务。“实践8号”卫星按用户研制总要求，完成了总质量为302千克有效载荷的装载和飞行试验，回收后交付的种子样品完整无缺。

中国新研制的3种返回式卫星都取得了技术上的重要进步。其中第二代测绘卫(返回式卫星3号)把大地测量精度提高到一个新的水平。第一代详查遥感卫星(返回式卫星4号)的分辨率达到国内最高水平，为用户提供了有价值的遥感资料。在完成主要任务的同时，还用卫星开展了微重力搭载科学试验，取得了空间科学试验新的成果。

返回式卫星3号、4号和“实践8号”能够快、好、省地完成制造和飞行任务，取得一系列科学技术成果，重要原因就是利用公用平台技术。中国返回式卫星继承性比较好的主要有结构部件，返回舱的气动外形，控制、返回、程控、压控、遥测、遥控等分系统。在继承成熟技术的基础上，这些分系统都有技术上的进步。

为了满足对地遥感和科学试验的需要，中国还在研制下一代返回式卫星，它将在能源、控制，数据管理，结构、热控等方面有比较大的改进，以安装更多的有效载荷，创造更好的微重力环境，飞行更长的时间，以获得更多更好的遥感和科学试验成果。充分地继承前一代卫星的成熟技术和经验，在此基础上又有较大的创新和改进，从而为国家提供一种崭新的用途广泛的返回式卫星平台，是中国返回式卫星实现高可靠性，低成本和短研制周期的关键。