王希季

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100081）

0 引言

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。

1 返回技術(shù)和返回式衛(wèi)星的發(fā)展歷程

返回技術(shù)和返回式衛(wèi)星是為了適應(yīng)航天活動(dòng)的需要而發(fā)展的，可以把發(fā)展的進(jìn)程大致分為三個(gè)階段[1]：

（1）突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全返回階段

1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射成功了第一顆人造衛(wèi)星后，外層空間價(jià)值空前提高。為了盡快地從航天活動(dòng)中獲得利益，利用外層空間高速、高位置資源和在軌不受國(guó)界約束的優(yōu)越條件，美國(guó)和前蘇聯(lián)都把突破返回技術(shù)和研制返回式衛(wèi)星作為發(fā)展的重點(diǎn)。美國(guó)經(jīng)多次失敗后，終于在1960年8月成功地從近地軌道上回收了“發(fā)現(xiàn)者號(hào)”衛(wèi)星的返回艙。前蘇聯(lián)同時(shí)也成功地從近地軌道上回收了“斯普特尼克 5號(hào)”載有生物的返回艙。中國(guó)則在1975年11月發(fā)射和回收了一顆返回式衛(wèi)星，是世界上第三個(gè)掌握衛(wèi)星返回技術(shù)和回收技術(shù)的國(guó)家。

（2）推廣與發(fā)展階段

我國(guó)從遙感衛(wèi)星發(fā)展到遙感和科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星只用了三年的時(shí)間；從返回式衛(wèi)星發(fā)展到載人飛船則用了17年，主要解決彈道返回的方式和載人的一系列問(wèn)題。

彈道式返回衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、能夠適應(yīng)多種需求。彈道式返回也有一些重大缺點(diǎn)，如減速過(guò)載值過(guò)大、著陸點(diǎn)散布廣等，載人飛船不宜采用。我國(guó)發(fā)展了彈道—升力式返回軌道，基本上保留了彈道式的優(yōu)點(diǎn)，并克服了彈道式的缺點(diǎn)，用于載人飛船。

（3）無(wú)損或定點(diǎn)著陸階段

發(fā)展無(wú)損和定點(diǎn)著陸返回技術(shù)有著兩種不同的途徑：一種是有翼升力式再入返回艙；另一種是展開(kāi)式氣動(dòng)翼回收彈道—升力式再入返回艙。按前一途徑發(fā)展的有美國(guó)的航天飛機(jī)、前蘇聯(lián)的“暴風(fēng)雪號(hào)”航天飛機(jī)、歐空局的“赫爾姆斯號(hào)”小型航天飛機(jī)。按后一途徑發(fā)展的有美國(guó)“雙子星座號(hào)”飛船、美國(guó)通用電器公司的CHEOPS返回式衛(wèi)星系統(tǒng)、英國(guó)北方工業(yè)系統(tǒng)公司的SERVICE返回式衛(wèi)星系統(tǒng)。

2 返回式衛(wèi)星在航天活動(dòng)中的地位

人類探索太空的活動(dòng)大致分為兩大類：第一類是探索和了解外層空間的活動(dòng)；另一類是開(kāi)發(fā)和利用外層空間資源的活動(dòng)。在探索和了解外層空間的活動(dòng)中，除了把得到的各種各類的信息發(fā)送回地面，供加工處理和分析研究外，還需獲取空間樣品和把試驗(yàn)物送入空間，并把它們帶回地面，供分析研究。在航天活動(dòng)早期，由于無(wú)線電傳輸技術(shù)受時(shí)代所限，不能將所獲取的海量信息傳送回地面，多采用將信息存貯于信息載體（膠片、磁帶等）上，并把信息載體送回地面以重現(xiàn)信息，這就得依靠返回技術(shù)和返回式衛(wèi)星。所有的載人航天器都是返回式或配有返回式航天器的。迄今為止，世界上只有俄羅斯、美國(guó)和中國(guó)掌握了返回技術(shù)并且有能力發(fā)射返回式衛(wèi)星。從開(kāi)發(fā)利用空間資源的角度看，返回式衛(wèi)星在其中起著先鋒作用。世界上第一個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)（美國(guó)的“發(fā)現(xiàn)者號(hào)”衛(wèi)星偵察系統(tǒng)）就是一個(gè)返回式衛(wèi)星的應(yīng)用系統(tǒng)，前蘇聯(lián)和中國(guó)的第一個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)也都是返回式。一個(gè)國(guó)家如果不發(fā)展和掌握回收技術(shù)，它在航天活動(dòng)的很多方面就會(huì)受到限制，也就很難成為航天強(qiáng)國(guó)。

3 中國(guó)第一顆返回式衛(wèi)星的研制

（1）技術(shù)方案的確定

返回式衛(wèi)星膠片回收方案可有三種[2]：整星制動(dòng)回收、返回艙制動(dòng)回收和膠片暗盒彈射回收，三種方案優(yōu)劣定性比較見(jiàn)表1。由于20世紀(jì)60年代的中國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)濟(jì)實(shí)力不強(qiáng)，因此技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、銜接性好、風(fēng)險(xiǎn)較小、成本較低的返回艙制動(dòng)回收是最佳方案。按照該方案，把衛(wèi)星分為返回艙和儀器艙2個(gè)艙段。儀器艙內(nèi)裝載相機(jī)等有效載荷，返回艙內(nèi)裝載膠片片盒和回收分系統(tǒng)。衛(wèi)星完成攝影任務(wù)后，將攜帶膠片片盒的返回艙以彈道式再入方式返回地面，并用降落傘予以回收，儀器艙則留在空間軌道上運(yùn)行。這種方案既實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星上有效載荷布置相對(duì)集中，又只需解決返回艙適應(yīng)返回環(huán)境（主要是再入大氣層過(guò)程中的熱環(huán)境和過(guò)載環(huán)境）的問(wèn)題；既滿足回收信息載體的要求，又有技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可供借鑒和利用的技術(shù)基礎(chǔ)（如火箭頭部防熱技術(shù)、探空火箭回收技術(shù)）比較成熟等優(yōu)點(diǎn)。在返回艙外形和結(jié)構(gòu)防熱方案不變的前提下，對(duì)衛(wèi)星其它組成作適應(yīng)性修改或增補(bǔ)，就能執(zhí)行其它任務(wù)，演變成其它型號(hào)的返回式航天器。

表1 返回式衛(wèi)星膠片回收方案比較Tab.1 Comparison of the recovery plans for the recoverable satellite film

中國(guó)返回式衛(wèi)星一般運(yùn)行在距地面200~300km的軌道上，由于軌道高度低，在軌工作時(shí)間短，為了短時(shí)間內(nèi)完成所定范圍內(nèi)的拍攝任務(wù)，要求地物相機(jī)有較大的視場(chǎng)角。當(dāng)時(shí)曾提出幾種方案，一種是采用畫(huà)幅式相機(jī)，在拍照時(shí)讓衛(wèi)星整體擺動(dòng)；另一種是采用只擺動(dòng)相機(jī)或其部件的全景相機(jī)。前一種方案姿控系統(tǒng)研制難度大，當(dāng)時(shí)難于實(shí)現(xiàn)；后一種方案相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，符合從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、循序前進(jìn)的原則，確定采用只擺動(dòng)棱鏡的棱鏡掃描式全景相機(jī)。雖然棱鏡掃描式全景相機(jī)要解決膠片拉動(dòng)速度與像移速度同步的難題，但全景相機(jī)具有攝影覆蓋面積大、成像速度快和技術(shù)難度相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，選用它作為發(fā)展航天相機(jī)的突破口是適宜的。

（2）技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

中國(guó)返回式衛(wèi)星在低地球軌道上運(yùn)行，采用三軸穩(wěn)定方式控制衛(wèi)星姿態(tài)，主要用于國(guó)土普查。儀器艙攜帶一臺(tái)可見(jiàn)光地物相機(jī)和一臺(tái)星相機(jī)，可見(jiàn)光地物相機(jī)用于對(duì)地?cái)z影，獲取地球遙感資料；恒星相機(jī)用于對(duì)天空攝影，以確定對(duì)地?cái)z影時(shí)刻的姿態(tài)。衛(wèi)星在完成攝影任務(wù)后，裝有地物相機(jī)膠片和恒星相機(jī)膠片的片盒隨返回艙一起在預(yù)定地區(qū)回收。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。

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)[3]。

除了以上特點(diǎn)，中國(guó)的返回式衛(wèi)星還有以下創(chuàng)新亮點(diǎn)：

1）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，直至墜入稠密大氣層焚毀。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。

2）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)。

3）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。

（3）第一顆返回式衛(wèi)星的技術(shù)水平

美國(guó)的“發(fā)現(xiàn)者14號(hào)”是世界上第一顆成功回收到偵察膠卷的照相偵察衛(wèi)星。使用的是全景相機(jī)，可對(duì)星下點(diǎn)兩側(cè)各35°范圍內(nèi)的地面目標(biāo)掃描成像。“發(fā)現(xiàn)者14號(hào)”回收艙內(nèi)的膠卷質(zhì)量4.5kg，衛(wèi)星在軌停留時(shí)間3天，送回地面照片覆蓋面積超過(guò)400km2。

我國(guó)第一顆返回式衛(wèi)星在軌停留時(shí)間3天，裝載60kg膠片，側(cè)擺角90°，這些指標(biāo)都優(yōu)于美國(guó)的第一顆返回式衛(wèi)星。

4 第一顆返回式衛(wèi)星對(duì)后續(xù)衛(wèi)星的影響

（1）培養(yǎng)了衛(wèi)星研制隊(duì)伍，掌握衛(wèi)星研制規(guī)律

第一顆返回式衛(wèi)星是中國(guó)第一顆應(yīng)用衛(wèi)星，之前的衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)極為有限，研制人員也很少。通過(guò)返回式衛(wèi)星的研制，不僅使大批技術(shù)人員掌握了衛(wèi)星研制技術(shù)，成為研制其它衛(wèi)星的技術(shù)骨干，而且探索出一條具有中國(guó)特色的衛(wèi)星研制流程，掌握了衛(wèi)星研制規(guī)律，為之后中國(guó)衛(wèi)星事業(yè)大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化

衛(wèi)星研制是高科技，采用的技術(shù)和使用的材料都是最先進(jìn)的，有時(shí)需要研制新材料和新技術(shù)，而這些材料和技術(shù)會(huì)逐漸應(yīng)用到一般工業(yè)生產(chǎn)中，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)水平的提高。例如鈦合金的鑄造和發(fā)黑技術(shù)，就是衛(wèi)星研制部門經(jīng)過(guò)攻關(guān)，首先用在衛(wèi)星產(chǎn)品上，才推廣到其它行業(yè)的。衛(wèi)星行業(yè)帶動(dòng)了中國(guó)許多行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，起到了引領(lǐng)發(fā)展的作用。

（3）為后續(xù)衛(wèi)星研制打下技術(shù)基礎(chǔ)

在研制成功第一顆返回式衛(wèi)星之后，中國(guó)又陸續(xù)研制了第一代、第二代返回式測(cè)繪衛(wèi)星，第二代、第三代返回式遙感偵查衛(wèi)星，第一顆種子衛(wèi)星等等；這些衛(wèi)星都是在第一顆返回式衛(wèi)星基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)。“神舟”飛船的研制也是繼承了返回式衛(wèi)星的許多技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)線電傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展，回收衛(wèi)星已經(jīng)完成了其在遙感領(lǐng)域的歷史使命，讓位于傳輸型遙感衛(wèi)星。但在空間育種、空間流體力學(xué)、空間材料科學(xué)以及空間生命科學(xué)研究等領(lǐng)域，返回式衛(wèi)星有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必將在某一時(shí)期發(fā)揮作用。

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