返回式卫星

返回式卫星（Returnable Satellite），是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 。

1960年8月10日， 美国 发射了“发现者”13号卫星，属于“发现者”号系列返回式侦察卫星，之后继续研制了“锁眼”1号到9号系列。 苏联 于1962年4月开始发射返回式侦察卫星，包括“天顶”和“ 琥珀 ”两个系列，并同时研制了用于微重力试验的“光子”号卫星等。 1965年， 中国科学院 提出人造卫星规划建议，同年，周恩来总理批准该建议，以应用卫星为主，特别是返回式遥感卫星。1970年，周恩来总理宣布返回式遥感卫星为国家重点工程。 1974年，首颗返回式 遥感 卫星完成测试，但首次发射因技术故障失败。经质量提升运动后，1975年第二次发射成功，虽回收时偏离航线，但仍成功回收，成为中国太空里程碑。 截至2016年，中国已成功研制并发射实施了25颗返回式卫星。

返回式卫星具有多重功能：它作为观测 地球 的平台，获取对地观测信息供地面研究；作为 微重力 试验平台，支持空间科学实验与特种材料制造；利用空间条件进行植物育种等应用；同时为 载人航天 和 空间探测器 技术提供经验积累。

历史沿革

国际

美国

1960年8月10日，美国发射了返回式侦察卫星“发现者”号卫星系列的“发现者”13号卫星，随后又研制了“锁眼”号卫星系列的“锁眼”1号到9号返回式侦察卫星。

苏联

苏联于1962年4月开始发射返回式侦察卫星，部署了“天顶”号卫星和“琥珀”号卫星两个返回式侦察卫星系列。苏联还同时研制了“光子”号卫星等用于 微重力 试验的返回式卫星。

中国

1965年7月， 中国科学院 提出了《关于发展我国人造卫星工作的规划建议》，计划十年内发射20颗卫星及飞船，其中包括6颗代号为“解放”的返回式卫星。同年8月，周恩来总理主持中央专委会议，讨论并原则批准了 人造卫星 规划建议，明确以应用卫星为主，特别是返回式遥感卫星。

1966年10月27日，中国成功进行了 导弹 核弹 试验，实现了 核爆炸 ，标志着中国拥有了可用于实战的 核导弹 。随后，钱学森提出加速返回式遥感卫星研制以适应国际形势的需求。1967年，中央军委决定集中科技力量，加速空间技术发展，并于1968年成立空间技术研究院，由钱学森兼任院长。研究院在研制 东方红一号 和 实践一号卫星 的同时，也在返回式 遥感 卫星研制上取得进展。1970年6月5日，周恩来总理听取了钱学森等人关于返回式遥感卫星研制情况的汇报，宣布其为国家重点工程项目。

返回式遥感 卫星 的研制工作由空间技术研究院牵头，涉及全国16个省市自治区的81个单位。然而，受“文化大革命”干扰和技术难题影响，研制进度多次受阻，直至1974年才具备发射条件。1974年6月，首颗返回式遥感卫星完成总装测试， 同年11月5日，CZ-2发射可回收 地球卫星 的首次尝试因陀螺仪到控制系统的 导线 断裂而失败，引发巨大火球爆炸。随后展开为期一年的质量提升运动，改进后的火箭命名为CZ-2C。1975年11月26日，第二次发射成功，第一颗返回式 卫星 从 酒泉市 升空，经多级点火与分离，最终将卫星送入轨道。然而，因气体定向系统压力下降， 卫星 回收时偏离航线， 返回舱 严重烧灼，但仍成功回收，成为中国的太空里程碑。

从2003年1月至2005年8月，中国 酒泉卫星发射中心 成功完成了FSW-3和FSW-4系列共5颗卫星的发射任务。FSW-3系列的FSW-3(01)在2003年11月3日15:20:04发射，并于11月21日回收；FSW-3(02)于2004年9月27日16:00:04发射，10月15日回收；FSW-3(03)则在2005年8月29日16:45:04发射，9月16日回收。FSW-4系列中，FSW-4(01)于2004年8月29日15:50:05发射，9月25日回收；FSW-4(02)在2005年8月2日15:30:03发射，8月29日回收。

2006年9月9日，中国将"实践八号"育种卫星送入预定轨道，这是中国首颗专门用于航天育种研究的返回式技术试验卫星，搭载了粮、棉、蔬菜、花卉等9大类2000余份约215 千克 农作物种子材料，用于进行空间环境下的诱变飞行试验。 2016年4月6日，“实践十号” 微重力 科学实验卫星在 酒泉市 由“长征二号丁”火箭成功发射，该卫星利用太空中的微重力环境完成了涉及多个科学领域的实验。 4月18日，“实践十号”返回式科学实验卫星成功回收。

技术方案

中国

中国返回式卫星胶片回收方案有三种，其中 返回舱 制动回收因技术简单、风险小、成本低而被选为最佳方案。该方案将 卫星 分为 返回舱 和仪器舱，完成摄影任务后，携带胶片片盒的返回舱以弹道式 再入 方式返回地面，并用降落伞回收，仪器舱则留在轨道上。这种方案既实现了有效载荷集中布置，又解决了返回环境适应问题。此外，中国返回式卫星一般运行在低轨道，为了短时间内完成拍摄任务，采用了易于实现的 棱镜 扫描式全景相机，它具有摄影覆盖面积大、成像速度快等优点，成为发展 航天相机 的突破口。

中国成功发射了多颗返回式 卫星 ，这些卫星在低 地球轨道 上运行，采用三轴稳定方式控制姿态，主要用于国土普查。它们搭载了 可见光 地物相机和 恒星 相机，分别用于对地摄影和对天空摄影，以获取 地球 遥感 资料和确定摄影时刻的姿态。完成任务后，携带有地物相机和恒星相机胶片的片盒随 返回舱 一同在预定地区回收。

美国

美国返回式卫星具备光电式和胶片式两种成像模式，分别用于普查和详查最高分辨率0.3米。普查相机图像传输回地面，经判读发现有价值目标，再利用详查 胶片相机 拍摄，定期返回地面回收。星上配有4~6个胶片回收舱。

苏联

苏联返回式卫星采用相同的返回和服务模块。返回舱是一个直径2.3米的球形，内装有摄像系统、飞行动力、导航 航标 、降落伞和防振系统，质量约为2400 千克 。服务模块包括电池、 电子设备 、定位系统和液体燃料 火箭发动机 。侦察任务完成后， 卫星 制动减速， 返回舱 分离后 再入 ，利用大气阻力进一步减速，接近地面时打开降落伞着陆。卫星在轨总长度约为5米，总质量在4600千克至6300千克之间。卫星返回舱带有胶卷和 照相机 ，并将它们保持在温度受控的加压环境中，虽然增加了卫星的质量，但是简化了照相系统的设计和建造，具有相机可以重复使用的优点。

主要用途

返回式卫星具备多重重要用途。首先，它作为观测 地球 的空间平台，能够获取丰富的对地观测信息资料，并带回地面进行深入的分析处理和研究。其次，它作为 微重力 试验平台，充分利用微重力条件，开展空间生命科学、空间物理科学实验研究，并制造地面条件下难以制取或获取的特种特效药品和高性能材料。此外，返回式卫星还利用空间独特的微重力和辐照条件，进行植物育种及微生物工程等空间应用。最后，它也为 载人航天 和 空间探测器 的进入、下降和着陆技术积累了丰富的技术经验。

关键技术

返回式 卫星 的任务是卫星完成在轨观测和科学试验后，准确、安全、快速地获得试验成果。因此确定了卫星返回的目标要素就是：精确调姿、准时离轨、正常 再入 、可靠减速、准确标位、安全着陆、及时发现、快速回收。

精确调姿

精确调整返回姿态是 卫星 返回的首要环节，它涵盖了起始姿态和制动角的设定。中国返回式卫星在运行阶段采用三轴稳定姿态，即X轴指向飞行方向，Z轴指向地心，Y轴则指向前进的右侧，这种姿态的指向精度通常保持在0.5°以内。

准时离轨

要使具有 第一宇宙速度 环绕地球旋转的 卫星 脱离运行轨道并进入 返回轨道 ，制动减速是关键步骤。这一步骤依赖于卫星上的制动火箭 发动机 推力 来实现，其中包括FG-23、FG-23A、FG-23B三种 固体酒精 发动机，它们分别适配于不同型号的卫星制动需求。在历次返回过程中，制动火箭均表现正常，成功使 卫星 回收舱达到预期的离轨速度，并按照预定的返回轨道顺利返回至卫星回收区。

正常再入

卫星再入舱一旦离开运行轨道并进入返回轨道，便在 地球引力 的作用下加速飞行，进入大气层。由于飞行速度极高， 气动 热和气动力成为显著问题。因此，再入舱的结构设计除了需要满足力学和热环境的要求外，还必须具备足够的稳定储备，以确保 卫星 以小头朝下的姿态再入大气层。例如，FSW-0的第二颗星在再入过程中裙部遭受了烧损，这除了与裙部的防热设计有关外， 卫星 未能有效消除旋转、以大攻角再入也是原因之一。因此，确保稳定的 再入 姿态成为卫星安全返回的又一关键环节。

可靠减速

回收舱进入大气层后，虽然能够依靠其气动力外形有效减速，但稳定飞行速度仍高达约300m/s，需要进一步减速至安全着陆速度。受限于卫星设备及结构的受力能力，减速制动过载也受到一定制约。因此，利用降落伞进行分级可靠减速成为卫星安全着陆的关键环节。从离轨到着陆的短短时间内，如何实现返回控制、利用火工装置完成预定工作程序至关重要。这包括起旋、制动、消旋、解锁分离、抛制动舱、信标机开机、开 减速伞 和主伞等一系列操作。从离轨到着陆若不减速一般仅需7分钟左右，据不完全统计，短短400秒内需要控制多达28只火工装置点火，任何一个环节的失败都可能导致回收着陆的失败。中国返回式卫星的火工装置及控制装置均为国产，具有高可靠性和安全性，在飞行过程中从未出现问题。

及时精确标位

在 卫星 落点确定的情况下，精确标位虽不影响其安全着陆大局，却是实现及时回收的关键。中国通过回收 应答机 、信标机等方式，确保 卫星 在 返回大气层 及减速过程中发出位置信息，为回收提供依据。返回式卫星 再入 时，落点精度受多种轨道偏差因素影响，包括调姿角、制动火箭总冲及其 推力 偏斜等。在飞行试验中，主要控制星下点轨迹横向偏差和控制指令发送时间引起的纵向偏差，通过精确调整轨道和“制动火箭点火”指令，确保回收舱在预定时间落地，从而实现 卫星 的安全及时回收。

热防护

卫星以 第一宇宙速度 从太空进入大气层，产生剧烈的摩擦，如果没有恰当的防护技术， 返回舱 和里面所携带的胶卷以及科学实验设备，会全都化为灰烬。为此，返回舱采用了一种叫做 烧蚀 材料的技术，就是在卫星表面铺上厚厚的特殊材料，在高温环境之下，一边燃烧一边带走热量，有效保护卫星本体和里面的载荷。

降落

在 超音速 条件下，传统降落伞无法承受猛烈 气流 ，因此需使用特殊设计的稀疏大网式超音速伞，通过几根布带子起到减速作用。当速度降至 音速 以下，再切换至常见的彩色降落伞。返回式卫星使用的降落伞色彩斑斓，便于地面回收人员快速识别。

发展趋势

随着科技的进步，传统的对地 遥感 和 大地测量学 任务中的返回式卫星正逐渐被无线遥感传输手段所取代。然而，返回式卫星的未来发展趋势在于利用其太空中的 微重力 环境，开展微重力科学研究实验，如空间生命科学和空间物理实验等。相较于地面难以实现的微重力环境，返回式卫星能够提供长期、稳定和连续的微重力条件。此外，在 性价比 方面，返回式卫星相较于 空间站 、 航天飞机 和飞船具有显著优势，因此在微重力科研领域展现出广阔的前景。