中国返回式卫星的发展——纪念中国第一颗返回式卫星成功返回40周年

王希季

（中国空间技术研究院，北京 100081）

0 引言

2015年11月29日是中国第一颗返回式卫星成功回收40周年纪念日。从20世纪70年代以来共研制了6种型号，完成了24次发射，成功回收22次。返回式卫星是中国航天遥感事业的开拓者，在传输式遥感卫星未发展之前的二十多年里，中国国产的航天遥感资料都来自于返回式卫星。中国的返回式卫星的遥感资料主要应用于国土资源普查、大地测量等方面；在城乡规划、水利建设、地质资源勘探、河流海岸监测、考古以及太空育种等众多领域发挥了重要作用；另外，还进行了大量的搭载科学试验，取得了丰硕成果，获得了明显的经济效益和社会效益。

1 返回技术和返回式卫星的发展历程

返回技术和返回式卫星是为了适应航天活动的需要而发展的，可以把发展的进程大致分为三个阶段[1]：

（1）突破关键技术，实现安全返回阶段

1957年10月4日前苏联发射成功了第一颗人造卫星后，外层空间价值空前提高。为了尽快地从航天活动中获得利益，利用外层空间高速、高位置资源和在轨不受国界约束的优越条件，美国和前苏联都把突破返回技术和研制返回式卫星作为发展的重点。美国经多次失败后，终于在1960年8月成功地从近地轨道上回收了“发现者号”卫星的返回舱。前苏联同时也成功地从近地轨道上回收了“斯普特尼克 5号”载有生物的返回舱。中国则在1975年11月发射和回收了一颗返回式卫星，是世界上第三个掌握卫星返回技术和回收技术的国家。

（2）推广与发展阶段

我国从遥感卫星发展到遥感和科学试验卫星只用了三年的时间；从返回式卫星发展到载人飞船则用了17年，主要解决弹道返回的方式和载人的一系列问题。

弹道式返回卫星结构简单、可靠性高、经济性好、能够适应多种需求。弹道式返回也有一些重大缺点，如减速过载值过大、着陆点散布广等，载人飞船不宜采用。我国发展了弹道—升力式返回轨道，基本上保留了弹道式的优点，并克服了弹道式的缺点，用于载人飞船。

（3）无损或定点着陆阶段

发展无损和定点着陆返回技术有着两种不同的途径：一种是有翼升力式再入返回舱；另一种是展开式气动翼回收弹道—升力式再入返回舱。按前一途径发展的有美国的航天飞机、前苏联的“暴风雪号”航天飞机、欧空局的“赫尔姆斯号”小型航天飞机。按后一途径发展的有美国“双子星座号”飞船、美国通用电器公司的CHEOPS返回式卫星系统、英国北方工业系统公司的SERVICE返回式卫星系统。

2 返回式卫星在航天活动中的地位

人类探索太空的活动大致分为两大类：第一类是探索和了解外层空间的活动；另一类是开发和利用外层空间资源的活动。在探索和了解外层空间的活动中，除了把得到的各种各类的信息发送回地面，供加工处理和分析研究外，还需获取空间样品和把试验物送入空间，并把它们带回地面，供分析研究。在航天活动早期，由于无线电传输技术受时代所限，不能将所获取的海量信息传送回地面，多采用将信息存贮于信息载体（胶片、磁带等）上，并把信息载体送回地面以重现信息，这就得依靠返回技术和返回式卫星。所有的载人航天器都是返回式或配有返回式航天器的。迄今为止，世界上只有俄罗斯、美国和中国掌握了返回技术并且有能力发射返回式卫星。从开发利用空间资源的角度看，返回式卫星在其中起着先锋作用。世界上第一个卫星应用系统（美国的“发现者号”卫星侦察系统）就是一个返回式卫星的应用系统，前苏联和中国的第一个卫星应用系统也都是返回式。一个国家如果不发展和掌握回收技术，它在航天活动的很多方面就会受到限制，也就很难成为航天强国。

3 中国第一颗返回式卫星的研制

（1）技术方案的确定

返回式卫星胶片回收方案可有三种[2]：整星制动回收、返回舱制动回收和胶片暗盒弹射回收，三种方案优劣定性比较见表1。由于20世纪60年代的中国技术基础薄弱，经济实力不强，因此技术相对简单、衔接性好、风险较小、成本较低的返回舱制动回收是最佳方案。按照该方案，把卫星分为返回舱和仪器舱2个舱段。仪器舱内装载相机等有效载荷，返回舱内装载胶片片盒和回收分系统。卫星完成摄影任务后，将携带胶片片盒的返回舱以弹道式再入方式返回地面，并用降落伞予以回收，仪器舱则留在空间轨道上运行。这种方案既实现卫星上有效载荷布置相对集中，又只需解决返回舱适应返回环境（主要是再入大气层过程中的热环境和过载环境）的问题；既满足回收信息载体的要求，又有技术相对简单，可供借鉴和利用的技术基础（如火箭头部防热技术、探空火箭回收技术）比较成熟等优点。在返回舱外形和结构防热方案不变的前提下，对卫星其它组成作适应性修改或增补，就能执行其它任务，演变成其它型号的返回式航天器。

表1 返回式卫星胶片回收方案比较Tab.1 Comparison of the recovery plans for the recoverable satellite film

中国返回式卫星一般运行在距地面200~300km的轨道上，由于轨道高度低，在轨工作时间短，为了短时间内完成所定范围内的拍摄任务，要求地物相机有较大的视场角。当时曾提出几种方案，一种是采用画幅式相机，在拍照时让卫星整体摆动；另一种是采用只摆动相机或其部件的全景相机。前一种方案姿控系统研制难度大，当时难于实现；后一种方案相对容易实现，符合从简单到复杂、循序前进的原则，确定采用只摆动棱镜的棱镜扫描式全景相机。虽然棱镜扫描式全景相机要解决胶片拉动速度与像移速度同步的难题，但全景相机具有摄影覆盖面积大、成像速度快和技术难度相对较小等优点，选用它作为发展航天相机的突破口是适宜的。

（2）技术特点和创新点

中国返回式卫星在低地球轨道上运行，采用三轴稳定方式控制卫星姿态，主要用于国土普查。仪器舱携带一台可见光地物相机和一台星相机，可见光地物相机用于对地摄影，获取地球遥感资料；恒星相机用于对天空摄影，以确定对地摄影时刻的姿态。卫星在完成摄影任务后，装有地物相机胶片和恒星相机胶片的片盒随返回舱一起在预定地区回收。中国的首颗返回式卫星的成功回收，使中国成为继美国、前苏联之后世界上第三个掌握返回式卫星技术的国家。为掌握这项技术，美国曾耗费了12颗卫星失败的高昂代价，前苏联也同样经历了13次失败才成功。

迄今为止，返回式卫星是中国发射次数最多的一种卫星，创造了巨大的社会效益和经济效益。为了适应有效载荷的变化，先后对返回式卫星平台进行了多次改进，不仅有效载荷的质量有所增加，卫星的在轨时间也大幅度延长。先后研制并发射了FSW-0、FSW-1、FSW-2、FSW-3、FSW-4五种型号的返回式卫星以及实践8号育种卫星，掌握了返回式卫星的总体设计、制造、防热、大型试验、卫星发射、跟踪测控和卫星回收等各种关键技术，后续型号充分继承和吸收了前面型号的成功经验和成熟技术[3]。

除了以上特点，中国的返回式卫星还有以下创新亮点：

1）留轨试验。中国用返回式卫星进行卫星留轨试验是个创新。一般情况下，仪器舱在与返回舱分离后，继续留在原来的轨道上飞行，成为无用的太空垃圾。其轨道逐渐衰减，直至坠入稠密大气层焚毁。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。这样就可以在上面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。

2）一星多用，搭载试验。在完成对地观测的大前提下，在FSW-2上以搭载的形式进行了一些科学试验。在3颗FSW-2上进行的两类搭载试验都取得了成功，达到一星多用、多方受益的预期目的。第三颗返回式卫星2号搭载的有效载荷总质量达到了265kg，相当于发射了一颗小型科学技术试验卫星。中国的返回式卫星还为多家外国公司提供了搭载服务。

3）平台扩展性好。FSW-3、FSW-4和“实践八号”卫星能够快、好、省地研制出来并圆满地完成飞行任务，其重要的原因就是利用了公用平台技术。卫星的主要结构部件、返回舱的气动外形以及控制、返回、程控、压控、遥测、遥控等分系统都具有非常好的继承性。在继承成熟技术的基础上，这些分系统又都有技术上的进步。

（3）第一颗返回式卫星的技术水平

美国的“发现者14号”是世界上第一颗成功回收到侦察胶卷的照相侦察卫星。使用的是全景相机，可对星下点两侧各35°范围内的地面目标扫描成像。“发现者14号”回收舱内的胶卷质量4.5kg，卫星在轨停留时间3天，送回地面照片覆盖面积超过400km2。

我国第一颗返回式卫星在轨停留时间3天，装载60kg胶片，侧摆角90°，这些指标都优于美国的第一颗返回式卫星。

4 第一颗返回式卫星对后续卫星的影响

（1）培养了卫星研制队伍，掌握卫星研制规律

第一颗返回式卫星是中国第一颗应用卫星，之前的卫星研制经验极为有限，研制人员也很少。通过返回式卫星的研制，不仅使大批技术人员掌握了卫星研制技术，成为研制其它卫星的技术骨干，而且探索出一条具有中国特色的卫星研制流程，掌握了卫星研制规律，为之后中国卫星事业大发展奠定了坚实基础。

（2）带动了相关产业的发展，促进工业现代化

卫星研制是高科技，采用的技术和使用的材料都是最先进的，有时需要研制新材料和新技术，而这些材料和技术会逐渐应用到一般工业生产中，促进了相关产业水平的提高。例如钛合金的铸造和发黑技术，就是卫星研制部门经过攻关，首先用在卫星产品上，才推广到其它行业的。卫星行业带动了中国许多行业的技术进步和发展，起到了引领发展的作用。

（3）为后续卫星研制打下技术基础

在研制成功第一颗返回式卫星之后，中国又陆续研制了第一代、第二代返回式测绘卫星，第二代、第三代返回式遥感侦查卫星，第一颗种子卫星等等；这些卫星都是在第一颗返回式卫星基础上扩展而来。“神舟”飞船的研制也是继承了返回式卫星的许多技术。

5 结束语

随着无线电传输等技术的发展，回收卫星已经完成了其在遥感领域的历史使命，让位于传输型遥感卫星。但在空间育种、空间流体力学、空间材料科学以及空间生命科学研究等领域，返回式卫星有其独特的优势，必将在某一时期发挥作用。

References)

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[2] 李大耀. 返回式卫星基础型(FSW–0)方案设计特色初析[J]. 航天返回与遥感, 1996, 17(3): 17-23. LI Dayao. Features Analysis for Design Concept of Baseline Recoverable Satellite FSW-0, Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 1996, 17(3): 17-23.(in Chinese)

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[9] 邢绍美. 返回式卫星回收片盒壳体成形与缺陷消除[J]. 航天返回与遥感, 2002, 23(1): 42-45. XING Shaomei. Returnable Satellite Recovery Cassette Shell Forming and Eliminating Defects[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2002, 23(1): 42-45. (in Chinese)

[10] 王希季. 航天器进入与返回技术（上下册）[M]. 北京: 宇航出版社, 1991. WANG Xiji. Technology of Spacecraft Entry/Reentry[M]. Beijing: Astronautics Publishing House, 1991. (in Chinese)