“实践”中的创新

唐伯昶 （中国空间技术研究院）



“实践”中的创新

唐伯昶 （中国空间技术研究院）

1 引言

2016年4月6日，长征-2D运载火箭穿云破雾，将我国第25颗返回式卫星送入倾角为43°的近圆轨道，进行中国空间科学新的实践，卫星名称为实践-10。

中国返回式卫星有着悠久的卫星工程历史，从20世纪70年代开始研制发射，到实践-10，这是第25颗、第7种型号的返回式卫星了。其中，1974年发射的第1颗返回式卫星因为运载火箭失利，没能进入预定轨道；1993年我国的第15颗返回式卫星，因卫星自身故障，回收舱没有返回地球。从整个卫星工程来说，我国返回式卫星成功率达到92%，无论是运载火箭还是卫星，在世界上这都是值得称道的成绩！

实践-10卫星进行试验

2 技术创新

这次，实践-10装载了比以前卫星要多得多的实验有效载荷，是由中国科学院和一些大学提出的科学实验需求，其中需要回收的有11项，不需回收的有8项。实践-10继承了原返回式卫星平台的成熟技术，在继承技术的同时，也进行了不少技术创新。

需要回收的11个实验载荷装在回收舱。回收舱因为要返回地球，在结构设计上最外层为很薄的热控涂层，再里层为烧蚀材料，以适应再入的气动加热，这种材料的热传导性能差，也就是说内部设备发热不易散到舱外。过去的返回式卫星回收舱发热量为几十瓦的量级，而本次为300多瓦，高出1个量级。要把这些热散出舱外，用原来返回式卫星仪器舱装风扇进行对流换热的办法解决不了问题，需要在热控措施上作技术创新。改进的办法有几种，包括热管、流体回路等，总体权衡各种因素后，决定用流体回路的热控措施。

何谓流体回路？就是将发热的仪器设备装在一块冷板上，冷板里有液体流过，由泵使液体循环到卫星舱外朝向冷空间一边的辐射器，使热散出，之后液体再流回冷板，形成一种循环。这和电冰箱将热传到箱外大致相似，只不过电冰箱是压缩工质，截流膨胀，而卫星是利用背阴的辐射器将热散到太空。这是一种很有效的主动热控技术，在飞船上使用过。这次将流体回路技术用到返回式卫星上，要解决几方面的问题。

3 技术难点

首先要解决冷板设计制造的难题。飞船上使用过的冷板是一小块一小块串接起来的，但返回式卫星上的回收舱设备多，所以需要将设备装在一块大的冷板上。可以说，这次实践-10上的冷板是目前为止中国航天器上最大的一块冷板，解决了工艺上的诸多难题才制造成功。

其次是要解决流体回路管路系统的舱段分离问题。因为卫星有2个舱段分离面，返回过程中要随着一次分离和二次分离一起，使管路分开而不造成对星体的不利影响。例如，一次分离不能对返回舱造成姿态干扰。因为卫星一次分离后，紧接着是制动火箭点火，使卫星脱离运行轨道再入地球大气层。这个制动方向是分离前由姿态控制确定的，如果流体回路在分离时对返回舱姿态产生干扰，可以说“差之毫厘，失之千里”，制动火箭的推力方向就偏了，回收舱就不能准确地落到预定的回收区。解决的办法是通过火工装置解锁机构，在舱段分离前使流体回路管路断接器提前解锁，到舱段正式分离时，就不会对返回舱制动前的姿态产生干扰了。至于第二次分离，因为制动火箭点火结束以后，飞行弹道已确定，对回收舱产生的干扰只对大气阻力系数、静稳定性过程等造成影响，弹道可以看成一个质点的飞行弹道。针对此分析，二次分离时采用压紧弹簧使之分开的机构，简单可靠。

第三个技术难点是供电问题。所有中国返回式卫星都是用的蓄电池。早期全部是锌银电池，从2003年发射的返回式卫星开始，使用了比能量比锌银电池更高的锂亚硫酰氯电池（亦简称锂电池，是一种与锂离子电池不同的电池）。当时4年发射的6颗返回式卫星只有热控分系统用锂亚硫酰氯电池，平台测控、控制及有效载荷等分系统仍然使用锌银电池。这次实践-10由于载荷的能源需求大，卫星除返回相关的是4块锌银电池外，其他全部是锂亚硫酰氯电池。采取锂电池两条28V母线仪器舱和回收舱统一供电的体制，以便最有效地使用锂电池的电量。飞行试验说明，大规模地使用高比能量的锂电池在返回式卫星上获得成功。

返回式卫星不用太阳能发电系统，是因为空间科学实验飞行时间一般要求短，加之用蓄电池无太阳电池翼控制时产生的干扰力，可使星上微重力保持比较高的水平，对科学实验有利。

第四个技术难点是有效载荷的射前安装问题。19台科学实验载荷中，有8台需要在发射前装在回收舱里，紧接着发射入轨开展实验。在过去返回式卫星的搭载试验中也安装过生命类载荷，也是发射前在塔上安装，但没有实践-10搭载得多。因此，就需要射前打开回收舱的头壳，拉起仪器盘，才能装入回收舱。发射塔顶端有一台起吊运载火箭和卫星的大吊车，过去用这台大吊车起吊过卫星的回收舱，这样做必须射前将发射塔密封间顶盖吊起，再吊卫星回收舱头壳和仪器盘。起吊就要花费2h以上。这次载荷多，这样在起吊安装时间上已不允许。对此，工程总体组织卫星和发射场系统以及负责塔架维护改造的工程设计所，进行了射前吊装的改进设计。在塔上卫星密封间内新增一台小型起吊设备，可以在密封间内方便地操作。从而免去使用大吊车的动作，使射前安装工作可以按时完成。

对生命载荷射前的准备和安装，卫星和科学应用系统进行了周密策划和操作演练。为了适应射前方便安装，将回收舱内底仪器盘向上抬高500mm，用3根支杆固定。此操作也离不开塔上密封间的起吊设备，另外还要考虑电缆和流体回路管路的拉伸余量。对于有效载荷生物样品，射前许多天就要开始细胞培养和植物育芽准备等工作，到塔上最后安装完毕进入发射倒计时，按时按刻地开展工作，做到了有条不紊，无一差错，为生命科学载荷的在轨实验打下了良好基础。

第五个技术难点是有效载荷中生物样品的温度维持。一般细胞和植物，都对温度环境有比较严格的要求，大致和人体体温差不多的37℃左右，控制方法是将环境温度控制在20多度，由各设备自行加温到37℃；若舱内温度太高，各设备则需用半导体降温的方法降温到37℃左右。在星上，由热控分系统通过流体回路把温度控制好。这次飞行试验，回收舱生物设备的环境温度基本维持在20～21℃左右。除了星上温度控制外，还要考虑回收舱再入气动加热和地面的温度控制。要求在回收舱落地后尽快将实验样品交给用户，时间不要超过3h。通过回收区搜寻、现场处置、吊运到回收舱各个环节的周密策划，实现了这一难以控制的目标，因为回收舱从落地到舱体拆分，有很多未知的因素难以控制。这次实践-10回收后的过程控制得很好，从四子王旗落地到直升机运到朱日和镇大约2.5h，这样就保证了不因地面处置时间过长而使生物样品的温度超出要求的范围，落地后的环境控制和处置时间控制完全符合实验样品的要求。

4 对成熟技术的继承及需要注意的问题

实践-10在人们心目中是继承返回式卫星的成熟技术，轻车熟路、按部就班就可以完成任务。实际上并非如此简单。除测控、结构、回收等分系统外，包括数管、控制、推进等，都与2003-2006年发射的返回式卫星有很大的改进。如原来有遥测、遥控、程控分系统，这颗卫星综合到一起，改为数据管理分系统。虽然数管分系统在“资源”卫星上是成熟技术，但用到返回式卫星上就有很多问题需要考虑。

控制分系统有比较多的模块是“遥感”等其他航天器型号的，推进包括姿控和轨控发动机，原来是氮气作姿控执行机构工质，轨控用20N单组元发动机，现在姿控也改成1N的单组元发动机。由原来的“冷气”加“热气”，改为全部用“热气”。如前所述，热控的流体回路虽然在飞船等型号上部件是成熟技术，但这次在返回式卫星上就不是简单地借用了。

以上这些继承其他航天器型号的成熟技术，要特别注意返回式卫星使用与其他型号的差别。比如数管，传输遥感型号一般没有舱段分离环节，要考虑整星构成数据管理系统与各舱段各自形成系统的差别。这次实践-10主要借鉴飞船和月球探测器的系统构成，仪器舱设中控采编单元，返回舱设回收舱管理单元，与数管的中心处理单元、远置单元一起，既可以组成整星互为备份的数据管理系统，又可以在舱段分离后各自形成数据管理系统。组成灵活，冗余设计，提高了可靠性。

5 航天器的可重复使用成果

航天器的重复使用，当前在世界航天领域是个热点。在中国航天界，重复使用的返回式航天器大有前途，包括返回式卫星和飞船。过去，我们开展过遥控、雷达应答机一类返回式卫星经飞行返回地面产品的重复使用，这次我们开展了比较大规模的重复使用尝试。利用过去返回式卫星和飞船回收的产品，经过产品保证的考核试验，再一次用到实践-10上，取得了弥足珍贵的经验。对于空间飞行条件要求不高、飞行时间不长的航天器，一台设备可以多次上天使用，这在工程上是很大的创新。

卫星设备重复使用的大规模试验

实践-10的另一大技术进步是航天器的可重复使用成果，实践-10这次进行了卫星设备重复使用的大规模试验。

首先，在结构上，返回部分许多结构可以重复使用，过去我们进行过回收舱井字梁的重复使用，这次将原返回式卫星收回来的稳定裙球底进行了重复使用。具体做法是将原旧球底的外表进行清洗处理，经相关的材料和结构检验合格，确认该设备可以用于本次飞行试验。试验表明，该球底完全满足使用要求，估计还可以用于后续相同型号的回收舱。

其次，这次还较大规模地进行了电子设备的重复使用。其中有过去返回式卫星返回地面的C频段应答机（雷达应答机），在实验室存放10多年后，按质量保证条件进行相关的检查和试验，确认可以重复上星使用。这次上星使用后，很好地完成了回收舱返回轨道的跟踪测角测距，为返回落地点准确预报起了重要作用。

除返回式卫星使用过的外，这次使用得较多的是原飞船回收的设备或飞船做过试验的设备。比如，回收243信标机、遥控解调器、中控采编单元、数管CTU、RTU等，这些设备在别的航天器上没有重复使用过。总体单位和设备研制单位共同协商，制定了产品的质量保证要求文件。按要求进行了相关的环境试验，最后参加整星的AIT和发射场测试，飞行试验结果说明，这些设备工作可靠，很好地完成了在轨试验和回收任务。

对航天器重复使用的全面认识

经返回式卫星，特别是实践-10的实践，我们对航天器重复使用有了较全面的认识。

一方面，经过飞行返回地面的产品，一般在轨时间都不是很长，如返回式卫星，中国最长的是1个月左右，国外也不过1～2个月，与产品的寿命期还差得比较多，经过几次使用，也不会超过遥感卫星的3～4年，更达不到通信卫星的8年寿命，因此可以大胆地使用。从这方面说，重复使用是降低成本、缩短研制周期的一个重要手段，大有可为。

另一方面，产品的重复使用是有限度的。拿返回式卫星作例子，它分为仪器舱和返回舱两大部分。返回舱又分为回收舱和制动舱，最后软着陆可安全回收的是回收舱，质量不到整颗卫星的50%（实践-10不到30%），初步估算经济价值也到不了50%。仪器舱的结构、控制、能源等大的分系统设备不能回收，最后都在再入大气时烧毁；制动舱结构和制动火箭及其他设备也是再入大气后烧毁。只有回收舱的金属结构、大的直属件和电子设备可以在回收后重复使用。估计飞船能重复使用的也大致如此。

总之，航天器的重复使用是节约成本、缩短研制周期的手段，不是目的，不要为了重复使用而使用回收的产品。如果返回的产品进行修复和试验的费用还不如进行一次批量生产合算，那就不要重复使用了。

他山之石，可以攻玉。实践-10是集他山之瑰玉，形成技术创新的新机体。可以说实践-10不是原返回式卫星的老叟，而是集创新于一体的青年。研制队伍中许多人都说，想要研发新一代可重复使用的返回式卫星，后面我们要怎样做？完成实践-10飞行任务后我们心里就有底了。

吊运实践-10准备试验

6 未来设想

作为下一代返回式卫星，我们正在考虑重复使用的问题。可以考虑从以下几个方面尽可能多地重复使用返回的设备：一是结构。回收舱回收后，其头壳和稳定裙可以将外层烧蚀损坏的部分去掉，将金属壳体处理干净，再缠绕烧蚀材料；球底可以处理干净外层非金属材料，然后再进行防热涂敷，作为下一次使用；回收舱内部的仪器盘和二平台及其他支架直属件原则上都可以重复使用。二是分系统在舱内的布局设计改进。可以考虑将原装在仪器舱的控制分系统的贵重设备装在回收舱，如陀螺、控制计算机等。其他数管、测控等分系统，可以都装到回收舱里。三是进行重复使用的研究。原则上回收舱的电器设备，经产品保证后都可重复使用；降落伞一类设备，争取像航空降落伞那样重复使用。四是有效载荷。可以做成重复使用机箱的，按标准化设计，如需要温度控制的生物类实验设备就可以做成重复使用的产品。五是进行通用产品与其他航天器型号的重复借用。像这次实践-10一样，飞船返回的产品在返回式卫星上也可重复使用。

我国返回式卫星功不可没，返回式卫星技术仍然具有旺盛的生命力和广阔的使用前景。让我们在实践中不断创新，使返回式卫星技术更好地为科学实验及其他领域服务。

Innovation in SJ-10 Satellite