基本介紹
- 中文名：返回式衛星
- 外文名：Return satellite
- 掌握的國家：美國，俄羅斯，中國
- 主要用途：觀測，微重力試驗，載人航天
- 型號舉例：尖兵系列遙感衛星
- 主要技術：姿態調整、衛星制動、防熱等
基本簡介,返回過程,主要用途,技術要點,各國舉例,成就與展望,發展概況,技術指標,完成情況,成果套用,進展,前景展望,
基本簡介
通常，衛星發射入軌之後，就在太空執行任務，並不需要返回地面。如通信、導航。氣象衛星都是如此。但是有的衛星卻需要回到地面，如偵察衛星獲得的情報。科學實驗衛星攜帶的實驗品等。這就是返回式衛星。研製返回式衛星是衛星發展史上的一個重要突破。
中國是繼美俄後，第三個掌握返回式衛星技術的國家，從1975年發射第一顆返回式衛星至今，中國已發射了超過14顆（截止到1992年）返回式衛星，搭載了數百個微重力科學實驗室，其試驗成果已經套用於新材料的研製生產、新藥品的製造以及農作物新品種的栽培等方面。在40餘年的發展歷程中，返回式衛星成為中國發射最多的衛星系列。在實踐十號之前，中國共研製了國土普查衛星、攝影測繪衛星、空間育種衛星等合計6種型號、24顆衛星，衛星平台經過了三代跨越。
返回過程
返回過程是衛星順利從太空返回需要解決一系列複雜的技術難題，這些問題主要包括衛星的調姿、制動、防熱、軟著陸、標位及尋找等等。
首先，衛星返回之前先要調整飛行狀態，即脫離原來的運行軌道。衛星脫離原有軌道的速度叫做再入速度。再入速度與地平線所形成的俯角稱為再入角。衛星重返大地對再入角的要求十分嚴格，一般須在3~ 5度。因為如果太大，衛星將會陡直地進入大氣層，會引起較大的空氣阻力和摩擦加熱；如果太小，則衛星將仍在原軌道上運行，再入速度與再入角都靠一支小型助推火箭來控制。火箭的點火時間、推力方向、推力大小與時間長短都會影響到再入速度和再入角的準確度。這就要求有靈敏而可靠的火箭制動（反椎）發動機。
其次，衛星在降落過程中，要摩擦生熱。尤其是當它降到離地面60-70千米時，與大氣層摩擦產生大量的熱能，使其表面發生燃燒。為此，必須採用適當的防熱設施，來保證回收艙在再入大氣層時能夠維持內部的正常溫度。這就需要有特殊的耐高溫材料。
再次，衛星返回地面需要很長的運行區間，必須不間斷地對衛星進行精確測量和全程跟蹤，並根據實測軌道參數對衛星的程式控制數據進行必要的控制和管理，為此就要建立更大範圍。更多功能的地面測控網。
最後，衛星降落到離地10~ 20千米時，儘管速度已經大大減小，但仍然有200米/秒左右。如果以這樣的速度撞擊地面，衛星必然粉身碎骨。因此，必須使用減速傘來再次降低速度。通常先要打開一頂較小的副傘，初步減速；當衛星降落到離地面只有5千米的高度時，再打開主傘，使衛星速度小於10米/秒。降落傘的打開必須非常準時，否則衛星就不能夠安全著陸。
主要用途
返回式衛星主要有三個用途。
一、作為觀測地球的空間平台。返回式衛星所獲取的各種對地觀測信息資料，可以帶回地面進行分析處理和詳細研究。
二、作為微重力試驗平台。利用微重力條件，進行宇宙醫學與生物試驗，製造地麵條件下不能製取或極難獲得的特種珍貴藥品，如電泳儀藥物產品等。通過失重、超重及空間環境適應試驗發展乘員保障技術，使乘員能在太空進行裝配、維修、救活失靈衛星等作業，這將帶來巨大的經濟效益。據國外研究表明，在軌組裝及從軌道上運送有效載荷與給養到高軌道甚至地球同步高度，比直接發射要經濟得多。蘇聯的乘員已經積累了在太空生活一年的經驗，完成了許多複雜任務，取得了很好的效益。
三、作為發展載人航天技術的先導。因為太空人必須採取與返回式衛星相似的方法返回地面，只有掌握了衛星返回技術，才能為載人航天打下基礎。因此，返回式衛星在世界各類太空飛行器中占有重要地位。目前，全世界只有美國、俄羅斯和中國掌握了衛星回收技術。
技術要點
研製返回式衛星，除了要解決一般衛星的結構、溫度控制、姿態控制、電源和無線電測控等技術外，還必須解決衛星的返回技術，才能使其從太空軌道上安全返回地面。這也是返回式衛星的獨特之處和困難所在。因此，研製返回式衛星就必須掌握如下技術：
返回式衛星
返回式衛星姿態調整技術在衛星返回前，將其從在軌道的運行姿態準確地調整為返回姿態，並使衛星在此返回姿態下保持穩定，以確保制動推力方向的準確；
衛星制動技術為使衛星脫離原來的運行軌道，按預定程式進入返回軌道而重返地面，則要求衛星上的制動火箭能按時點火，可靠地、正常地工作，以便衛星藉助火箭的制動推力準確地踏上返途；
防熱技術在衛星高速返回途中，既要保證衛星不被其與空氣強烈磨擦而產生的高熱燒毀，又要確保衛星內的儀器能夠正常工作；
軟著陸技術就是採用可靠的降落傘與回收控制系統，使衛星在大氣層較低高度範圍用降落傘減速，以便達到低速著陸保證回收物完好無損之目的；
標位及尋找技術這也就是要有能確保實時準確地預報及測量衛星落點位置的技術手段，以便在預定的回收區內儘快發現返回衛星並進行回收工作。
返回式衛星在整個衛星家族中占有很大的比重，用途也很廣泛，它能作為觀測地球的空間平台，裝載各種精密的遙感儀器設備，可獲取大量的、圖像清晰的、解析度高的遙感資料，廣泛地套用到科研和工農業生產的各個領域：國士普查、石油勘探、地圖測繪、海洋海岸測繪、地質礦產調查、鐵路選線、電站選址、地震預測、草原與林區普查以及歷史文物考古等；在國防上也可用於軍事偵察。這類衛星還可作為空間微重力試驗平台，搭載多種微重力試驗裝置，能進行材料和生物等科學領域的各種試驗。
各國舉例
1、美國
發現者13Corona
Lanyard
Gambit
Hexagon
2、前蘇聯
Orlet
3、中國
尖兵系列遙感衛星
成就與展望
發展概況
1975年11月26日，我國第一顆返回式衛星成功發射，衛星在軌運行3天后於11月29日成功返回。北京空間機電研究所是研製返回式衛星相機系統和回收系統的承擔單位。作為光學遙感衛星，第一顆返回式衛星上的第一代膠片型航天光學遙感相機恰似它的眼睛，能清晰地分辨出公路、碼頭等目標，收穫了我國第一批從太空拍攝的重要對地觀測資料。
中國返回式衛星是一種主要用於國土普查的遙感衛星，20世紀70年代來共研製了六種型號，進行了24次發射。返回式衛星為中國航天遙感事業首開先河，在傳輸式遙感衛星使用之前的二十多年裡，我國國產的航天遙感資料都來自於返回式衛星。返回式衛星，套用於國土資源普查、大地測量以及河流海岸監測等方面，還進行了大量的搭載科學試驗，取得了豐碩成果。衛星在城鄉規劃、水利建設、地質資源勘探、考古以及空間育種等眾多領域發揮了重要作用，獲得了明顯的經濟效益和社會效益。
中國第一顆返回式衛星
中國第一顆返回式衛星迄今為止，返回式衛星共研製了6種型號：第一代返回式國土普查衛星、第一代返回式攝影測繪衛星、第二代返回式國土普查衛星、第二代返回式攝影測繪衛星、返回式國土詳查衛星、實踐八號育種衛星。分述如下：
① FSW-0：第一代返回式國土普查衛星，共進行了10次發射，9次發射並成功回收。取得了衛星製造、衛星發射、跟蹤測控和衛星回收的技術發展。
② FSW-1：第一代返回式攝影測繪衛星，共進行 5次發射，4次成功回收。該型號在計算機控制技術、艙壓控制等方面有比較大的進步，衛星飛行時間增加到8天。
③ FSW-2：第二代返回式國土普查衛星，共進行3次發射，3次成功回收。飛行時間15天。
④ FSW-3：第二代返回式攝影測繪衛星，共進行了3次發射，3次成功回收。飛行時間18天。
⑤ FSW-4：返回式國土詳查衛星，共進行了2次發射，2次成功回收。飛行時間27天。
⑥ SJ-8：實踐八號育種衛星，進行空間誘變育種和空間微重力科學實驗。
技術指標
FSW-3、4和SJ-8衛星的主要技術指標
衛星重量：FSW-3：3.6t；FSW-4：3.9t；SJ-8：3.4t
外形尺寸：最大直徑2200mm，最大高度5144mm
衛星工作壽命：FSW-3：18天；FSW-4：27天；SJ-8 ：15天
姿態控制精度：優於0.5°(三軸，3σ)；
姿態穩定度：0.005°/s(三軸，3σ)；
側擺能力：FSW-4每軌道圈側擺一次，每次≤23°；
星上時間精度：1ms/d，解析度0.614ms；
遙測通道： 128個主幀
遙控指令： 129條
程控指令： 90條
運行範圍：南北緯63°之間；
運載火箭：FSW-3：CZ-2D，不帶整流罩發射；FSW-4：CZ-2C，帶整流罩發射；SJ-8：CZ-2C，不帶整流罩發射。
發射場：酒泉衛星發射中心。
完成情況
中國回收第22顆返回式衛星
⑴ 主任務完成情況
FSW-0：共成功發射9顆星，實現航天遙感零的突破。
FSW-1：共成功發射5顆星，實現航天測繪零的突破。
FSW-2：共成功發射3顆星，將遙感解析度提高到一個新的水平。
FSW-4：獲得中國當前最高解析度的航天照片。
FSW-3：獲得中國當前最高定位精度的航天測繪地理資料。
SJ-8：完成主載荷為302kg的飛行任務，同時進行12項搭載科學試驗。
⑵ 搭載科學試驗情況
FSW-0、1、2共完成4次空間生命科學試驗，7次空間材料加工試驗，3次微重力測量試驗，1次 GPS自主定位試驗，1次光碟信息存放試驗，以及900多件植物種子、微生物、蟲卵、100多件空間輻射劑量測量、20多件航天用器件的無源搭載試驗。
FSW-3共完成空間池沸騰傳熱、氣泡熱毛細遷移、熔體表面和液固界面特性、 空間細胞培養4空間科學試驗。
SJ-8共完成13項搭載科學試驗。其中有中國科學院的物質傳質過程、 熱毛細對流、材料燜燒、 導線著火特性、 微重力池沸騰、高等植物生長、幹細胞培養、星載加速度計、顆粒物質運動9項試驗；航天五院銣鐘搭載、推進劑剩餘量測量2項試驗；中科院紫金山天文台1項暗物質探測試驗。
成果套用
⑴ 衛星的對地遙感成果
國土普查：用於土地的利用、地質礦產構造、地震地質構造等方面的調查。
攝影定位：用於提供城市規劃、交通和水利建設數據， 繪製國內邊遠地區地圖。
⑵ 科學試驗成果
經飛行試驗的種子返回地面後，經選種培育，獲得了小麥、水稻、西紅柿、黃瓜、青椒、花卉等新的品種，為航天育種探索了一條新路。
返回式衛星科技進步
⑴ 通過第一顆返回式衛星的研製，突破了衛星的離軌、再入大氣的氣動外形和防熱設計、返回程式控制、衛星軟著陸、以及返回測控和返回軌道設計等再入返回關鍵技術。這些技術目前只有少數幾個國家掌握。
⑵ 通過前四種型號研製，實現了衛星總體設計技術、三軸穩定姿態控制技術、再入燒蝕防熱技術、返回技術、公用平台等衛星技術的新進展。
⑶ 通過第五、六種型號研製，獲得了熱控技術、對地遙感的技術、雷射測距儀技術、衛星側擺技術、高精度艙壓控制、熱門機構、鋰電池、濕度控制、回收落點控制技術等新的技術成果。
進展
在太空充當了12天臨時實驗室的實踐十號衛星
2016年4月18日下午，攜帶小鼠胚胎、蠶、果蠅、線蟲、水稻、擬南芥等“乘客”成功降落在內蒙古四子王旗預定著陸區域。中國航天科技集團五院實踐十號衛星總設計師趙會光說，這不僅標誌著中國返回式衛星迎來第二個春天，而且也成為中國首顆在四子王旗採用彈道式回收的返回式衛星。據悉，實踐十號衛星共承載了19個實驗項目，其中包括生物輻射盒、家蠶培養箱、植物培養箱、高等植物箱、胚胎培養箱在內的15台設備隨著返回艙歸來，而其他設備則留在太空中，繼續開展3至5天的實驗。實踐十號衛星是中國第25顆返回式衛星，也是中國專門為“微重力科學和空間生命科學”實驗研究量身定做的首顆“微重力”衛星，不僅利用中國成熟的返回式衛星技術，緊密圍繞有關能源、農業和健康等領域國家科技戰略目標，結合太空飛行器防火等關鍵技術需求，在促進地面生物工程、新材料等高技術發展和生命科學等基礎研究方面取得了新突破，而且對於推動中國空間微重力科學和空間生命科學發展具有重要意義。據悉，返回的11項實驗載荷總計15台設備均狀態良好，在經歷了太空嚴酷的環境和返回之旅的考驗之後，它們均保持了適宜的溫度和相關環境。趙會光說：“本次衛星任務的圓滿成功，驗證了返回式衛星的一系列核心技術，為返回式衛星在空間科學領域的後續發展進一步拓寬了道路。”
實踐十號衛星返回
實踐十號衛星返回近年來，返回式衛星在空間科學領域的作用得到了越來越大的發揮。據不完全統計，在實踐十號之前，返回式衛星曾完成13項空間生命科學實驗、7項空間材料加工實驗、23次空間微重力科學實驗、3次微重力測量實驗，以及900多件植物種子、微生物、蟲卵，100多件空間輻射劑量測量，20多件航天用器件的無源搭載實驗。此外，還完成了熔體表面和液固界面特性、空間細胞培養等空間科學實驗。
前景展望
返回式衛星中有許多關鍵技術到目前仍然是訣竅，例如再入防熱技術、姿態控制、回收軟著陸技術等，中國的載人航天技術也是在返回式衛星技術的基礎上發展起來的。
下一代返回式衛星將在能源、控制、數據管理、結構、熱控等方面有比較大的改進。發展目標是安裝更多的有效載荷，創造更好的微重力環境，飛行更長的時間，以獲得更多更好的科學實驗成果。
