返回式卫星

完成任务，部分结构会返回地面的人造卫星

返回式卫星，指在轨道上完成任务后，有部分结构会返回地面的人造卫星。返回式卫星最基本的用途是照相侦察。比起航空照片，卫星照片的视野更广阔、效率更高。早期由于技术所限，必须利用底片才能拍摄高清晰度的照片，因此必须让卫星带同底片或用回收筒将底片送回地面进行冲洒和分析。各个航天大国都曾利用返回式卫星作军事侦察及国土普查用途。由于可从卫星上直接传送影像数据到地面，返回式卫星的功能又演变为进行需要回收实验品的空间试验室。

发展沿革

历史背景

通常，卫星发射入轨之后，就在太空执行任务，并不需要返回地面。如通信、导航。气象卫星都是如此。但是有的卫星却需要回到地面，如侦察卫星获得的情报。科学实验卫星携带的实验品等。这就是返回式卫星。研制返回式卫星是卫星发展史上的一个重要突破。

中国是继美俄后，第三个掌握返回式卫星技术的国家，从1975年发射第一颗返回式卫星起，中国已发射了超过14颗（截止到1992年）返回式卫星，搭载了数百个微重力科学实验室，其试验成果已经应用于新材料的研制生产、新药品的制造以及农作物新品种的栽培等方面。在40余年的发展历程中，返回式卫星成为中国发射最多的卫星系列。在实践十号之前，中国共研制了国土普查卫星、摄影测绘卫星、空间育种卫星等合计6种型号、24颗卫星，卫星平台经过了三代跨越。

返回过程

返回过程是卫星顺利从太空返回需要解决一系列复杂的技术难题，这些问题主要包括卫星的调姿、制动、防热、软着陆、标位及寻找等等。

首先，卫星返回之前先要调整飞行状态，即脱离原来的运行轨道。卫星脱离原有轨道的速度叫做再入速度。再入速度与地平线所形成的俯角称为再入角。卫星重返大地对再入角的要求十分严格，一般须在3~ 5度。因为如果太大，卫星将会陡直地进入大气层，会引起较大的空气阻力和摩擦加热；如果太小，则卫星将仍在原轨道上运行，再入速度与再入角都靠一支小型助推火箭来控制。火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到再入速度和再入角的准确度。这就要求有灵敏而可靠的火箭制动（反椎）发动机。

其次，卫星在降落过程中，要摩擦生热。尤其是当它降到离地面60-70千米时，与大气层摩擦产生大量的热能，使其表面发生燃烧。为此，必须采用适当的防热设施，来保证回收舱在再入大气层时能够维持内部的正常温度。这就需要有特殊的耐高温材料。

再次，卫星返回地面需要很长的运行区间，必须不间断地对卫星进行精确测量和全程跟踪，并根据实测轨道参数对卫星的程序控制数据进行必要的控制和管理，为此就要建立更大范围。更多功能的地面测控网。

最后，卫星降落到离地10~ 20千米时，尽管速度已经大大减小，但仍然有200米/秒左右。如果以这样的速度撞击地面，卫星必然粉身碎骨。因此，必须使用减速伞来再次降低速度。通常先要打开一顶较小的副伞，初步减速；当卫星降落到离地面只有5千米的高度时，再打开主伞，使卫星速度小于10米/秒。降落伞的打开必须非常准时，否则卫星就不能够安全着陆。

除此之外，卫星降落后，还必须能够准确标示出自己的位置，以便于地面人员寻找。标位方法一般有两种：一是在卫星上安装信标机，在离地面20~ 30千米时发出无线电信号，地面收到信号后测定卫星的方位和距离；二是在卫星上安装灯光信标，在着陆时发出强烈的闪光，以引起搜索人员的注意。当地面人员利用这些标位信号发现卫星后，即根据卫星所处的位置，分别采取陆上、海上和空中回收等方式将卫星回收。

主要用途

返回式卫星主要有三个用途。

一、作为观测地球的空间平台。返回式卫星所获取的各种对地观测信息资料，可以带回地面进行分析处理和详细研究。

二、作为微重力试验平台。利用微重力条件，进行宇宙医学与生物试验，制造地面条件下不能制取或极难获得的特种珍贵药品，如电泳仪药物产品等。通过失重、超重及空间环境适应试验发展乘员保障技术，使乘员能在太空进行装配、维修、救活失灵卫星等作业，这将带来巨大的经济效益。据国外研究表明，在轨组装及从轨道上运送有效载荷与给养到高轨道甚至地球同步高度，比直接发射要经济得多。苏联的乘员已经积累了在太空生活一年的经验，完成了许多复杂任务，取得了很好的效益。

三、作为发展载人航天技术的先导。因为宇航员必须采取与返回式卫星相似的方法返回地面，只有掌握了卫星返回技术，才能为载人航天打下基础。因此，返回式卫星在世界各类航天器中占有重要地位。全世界只有美国、俄罗斯和中国掌握了卫星回收技术。

技术特点

研制返回式卫星，除了要解决一般卫星的结构、温度控制、姿态控制、电源和无线电测控等技术外，还必须解决卫星的返回技术，才能使其从太空轨道上安全返回地面。这也是返回式卫星的独特之处和困难所在。因此，研制返回式卫星就必须掌握如下技术：

姿态调整技术在卫星返回前，将其从在轨道的运行姿态准确地调整为返回姿态，并使卫星在此返回姿态下保持稳定，以确保制动推力方向的准确；

卫星制动技术为使卫星脱离原来的运行轨道，按预定程序进入返回轨道而重返地面，则要求卫星上的制动火箭能按时点火，可靠地、正常地工作，以便卫星借助火箭的制动推力准确地踏上返途；

防热技术在卫星高速返回途中，既要保证卫星不被其与空气强烈磨擦而产生的高热烧毁，又要确保卫星内的仪器能够正常工作；

软着陆技术就是采用可靠的降落伞与回收控制系统，使卫星在大气层较低高度范围用降落伞减速，以便达到低速着陆保证回收物完好无损之目的；

标位及寻找技术这也就是要有能确保实时准确地预报及测量卫星落点位置的技术手段，以便在预定的回收区内尽快发现返回卫星并进行回收工作。

返回式卫星在整个卫星家族中占有很大的比重，用途也很广泛，它能作为观测地球的空间平台，装载各种精密的遥感仪器设备，可获取大量的、图像清晰的、分辨率高的遥感资料，广泛地应用到科研和工农业生产的各个领域：国士普查、石油勘探、地图测绘、海洋海岸测绘、地质矿产调查、铁路选线、电站选址、地震预测、草原与林区普查以及历史文物考古等；在国防上也可用于军事侦察。这类卫星还可作为空间微重力试验平台，搭载多种微重力试验装置，能进行材料和生物等科学领域的各种试验。

各国卫星

1、美国：发现者13Corona、Lanyard、Gambit、Hexagon；

2、前苏联：Orlet；

3、中国：尖兵系列遥感卫星。

成就展望

研制历程

20世纪60年代，党中央就原则批准把返回式侦察卫星作为发展重点。在研制第一颗卫星的同时，就把侦察卫星所需的光学照相机、红外照相机、特种胶卷、姿态控制等关键技术，列入了预先研究计划。

1966年年初，在王希季等专家的带领下，中国第一颗返回式卫星的研制工作正式开始。

20世纪70年代初，中国第一颗返回式照相侦察卫星正式列入国家计划。

1975年11月26日，中国第一颗返回式卫星成功发射，卫星在轨运行3天后于11月29日成功返回。北京空间机电研究所是研制返回式卫星相机系统和回收系统的承担单位。作为光学遥感卫星，第一颗返回式卫星上的第一代胶片型航天光学遥感相机恰似它的眼睛，能清晰地分辨出公路、码头等目标，收获了中国第一批从太空拍摄的重要对地观测资料。

1996年10月20日下午3时20分，中国“长征二号丁”运载火箭，从沉寂了两年的酒泉卫星发射中心又托起第17颗返回式卫星成功地送上太空。卫星按预定轨道在绕地球飞行239圈，旅行15天后。在西安卫星测控中心的精确控制下，准确地于四川省的蜀中地区“下凡”。这颗卫星不仅创造了在太空邀游15天的新记录，而且共进行了17类搭载试验，这也是过去从未有过的。

中国返回式卫星是一种主要用于国土普查的遥感卫星，20世纪70年代来共研制了六种型号，进行了24次发射。返回式卫星为中国航天遥感事业首开先河，在传输式遥感卫星使用之前的二十多年里，中国国产的航天遥感资料都来自于返回式卫星。返回式卫星，应用于国土资源普查、大地测量以及河流海岸监测等方面，还进行了大量的搭载科学试验，取得了丰硕成果。卫星在城乡规划、水利建设、地质资源勘探、考古以及空间育种等众多领域发挥了重要作用，获得了明显的经济效益和社会效益。

迄今为止，返回式卫星共研制了6种型号：第一代返回式国土普查卫星、第一代返回式摄影测绘卫星、第二代返回式国土普查卫星、第二代返回式摄影测绘卫星、返回式国土详查卫星、实践八号育种卫星。分述如下：

① FSW-0：第一代返回式国土普查卫星，共进行了10次发射，9次发射并成功回收。取得了卫星制造、卫星发射、跟踪测控和卫星回收的技术发展。

② FSW-1：第一代返回式摄影测绘卫星，共进行 5次发射，4次成功回收。该型号在计算机控制技术、舱压控制等方面有比较大的进步，卫星飞行时间增加到8天。

③ FSW-2：第二代返回式国土普查卫星，共进行3次发射，3次成功回收。飞行时间15天。

④ FSW-3：第二代返回式摄影测绘卫星，共进行了3次发射，3次成功回收。飞行时间18天。

⑤ FSW-4：返回式国土详查卫星，共进行了2次发射，2次成功回收。飞行时间27天。

⑥ SJ-8：实践八号育种卫星，进行空间诱变育种和空间微重力科学实验。

技术指标

FSW-3、4和SJ-8卫星的主要技术指标

卫星重量：FSW-3：3.6t；FSW-4：3.9t；SJ-8：3.4t

外形尺寸：最大直径2200mm，最大高度5144mm

卫星工作寿命：FSW-3：18天；FSW-4：27天；SJ-8 ：15天

姿态控制精度：优于0.5°(三轴，3σ)；

姿态稳定度：0.005°/s(三轴，3σ)；

侧摆能力：FSW-4每轨道圈侧摆一次，每次≤23°；

星上时间精度：1ms/d，分辨率0.614ms；

遥测通道： 128个主帧

遥控指令： 129条

程控指令： 90条

运行范围：南北纬63°之间；

运载火箭：FSW-3：CZ-2D，不带整流罩发射；FSW-4：CZ-2C，带整流罩发射；SJ-8：CZ-2C，不带整流罩发射。

发射场：酒泉卫星发射中心。

完成情况

中国回收第22颗返回式卫星

⑴ 主任务完成情况

FSW-0：共成功发射9颗星，实现航天遥感零的突破。

FSW-1：共成功发射5颗星，实现航天测绘零的突破。

FSW-2：共成功发射3颗星，将遥感分辨率提高到一个新的水平。

FSW-4：获得中国当前最高分辨率的航天照片。

FSW-3：获得中国当前最高定位精度的航天测绘地理资料。

SJ-8：完成主载荷为302kg的飞行任务，同时进行12项搭载科学试验。

⑵ 搭载科学试验情况

FSW-0、1、2共完成4次空间生命科学试验，7次空间材料加工试验，3次微重力测量试验，1次 GPS自主定位试验，1次光盘信息存放试验，以及900多件植物种子、微生物、虫卵、100多件空间辐射剂量测量、20多件航天用器件的无源搭载试验。

FSW-3共完成空间池沸腾传热、气泡热毛细迁移、熔体表面和液固界面特性、空间细胞培养4空间科学试验。

SJ-8共完成13项搭载科学试验。其中有中国科学院的物质传质过程、热毛细对流、材料焖烧、导线着火特性、微重力池沸腾、高等植物生长、干细胞培养、星载加速度计、颗粒物质运动9项试验；航天五院铷钟搭载、推进剂剩余量测量2项试验；中科院紫金山天文台1项暗物质探测试验。

成果应用

⑴ 卫星的对地遥感成果

国土普查：用于土地的利用、地质矿产构造、地震地质构造等方面的调查。

摄影定位：用于提供城市规划、交通和水利建设数据，绘制国内边远地区地图。

⑵ 科学试验成果

经飞行试验的种子返回地面后，经选种培育，获得了小麦、水稻、西红柿、黄瓜、青椒、花卉等新的品种，为航天育种探索了一条新路。

返回式卫星科技进步

⑴ 通过第一颗返回式卫星的研制，突破了卫星的离轨、再入大气的气动外形和防热设计、返回程序控制、卫星软着陆、以及返回测控和返回轨道设计等再入返回关键技术。这些技术只有少数几个国家掌握。

⑵ 通过前四种型号研制，实现了卫星总体设计技术、三轴稳定姿态控制技术、再入烧蚀防热技术、返回技术、公用平台等卫星技术的新进展。

⑶ 通过第五、六种型号研制，获得了热控技术、对地遥感的技术、激光测距仪技术、卫星侧摆技术、高精度舱压控制、热门机构、锂电池、湿度控制、回收落点控制技术等新的技术成果。

试验进展

在太空充当了12天临时实验室的实践十号卫星

2016年4月18日下午，携带小鼠胚胎、蚕、果蝇、线虫、水稻、拟南芥等“乘客”成功降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域。中国航天科技集团五院实践十号卫星总设计师赵会光说，这不仅标志着中国返回式卫星迎来第二个春天，而且也成为中国首颗在四子王旗采用弹道式回收的返回式卫星。据悉，实践十号卫星共承载了19个实验项目，其中包括生物辐射盒、家蚕培养箱、植物培养箱、高等植物箱、胚胎培养箱在内的15台设备随着返回舱归来，而其他设备则留在太空中，继续开展3至5天的实验。实践十号卫星是中国第25颗返回式卫星，也是中国专门为“微重力科学和空间生命科学”实验研究量身定做的首颗“微重力”卫星，不仅利用中国成熟的返回式卫星技术，紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标，结合航天器防火等关键技术需求，在促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究方面取得了新突破，而且对于推动中国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。据悉，返回的11项实验载荷共计15台设备均状态良好，在经历了太空严酷的环境和返回之旅的考验之后，它们均保持了适宜的温度和相关环境。赵会光说：“本次卫星任务的圆满成功，验证了返回式卫星的一系列核心技术，为返回式卫星在空间科学领域的后续发展进一步拓宽了道路。”

近年来，返回式卫星在空间科学领域的作用得到了越来越大的发挥。据不完全统计，在实践十号之前，返回式卫星曾完成13项空间生命科学实验、7项空间材料加工实验、23次空间微重力科学实验、3次微重力测量实验，以及900多件植物种子、微生物、虫卵，100多件空间辐射剂量测量，20多件航天用器件的无源搭载实验。此外，还完成了熔体表面和液固界面特性、空间细胞培养等空间科学实验。

前景展望

返回式卫星中有许多关键技术到仍然是诀窍，例如再入防热技术、姿态控制、回收软着陆技术等，中国的载人航天技术也是在返回式卫星技术的基础上发展起来的。

通过改进电源系统、改进数据管理和数传系统、增加可回收载荷的重量、提高控制能力，继续发展返回式空间科学试验卫星和更高分辨率的返回式遥感卫星，为国民经济建设和科学技术进步作出新的贡献。

下一代返回式卫星将在能源、控制、数据管理、结构、热控等方面有比较大的改进。发展目标是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，以获得更多更好的科学实验成果。

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