中国返回式卫星成功四十年(上)

航天 · 2016-11-22 23:54:00

一、历史的回顾　　上世纪60年代中期，中国开始开展返回式卫星的研制工作。目前，中国已研制了24颗返回式卫星，取得了22颗成功发射并回收的成就。已研制完成的返回式卫星有6种型号：①第一代返回式国土普查卫星FSW-O，②第一代返回式摄影测绘卫星FSW一1，③第二代返回式国土普查卫星FSW一2，④第二代返回式摄影测绘卫星FSW一3，⑤返回式国土详查卫星FSW一4，⑥实践八号卫星SJ-8。　　40多年来，中国利用返回式卫星主要开展了国土资源普查、地形测绘和河流海岸监测等方面的工作。我国将获得的大批有价值的遥感资料广泛应用于城乡规划、水利建设、地质资源勘探、地图修测以及考古等不同的领域，在国民经济和国防建设等领域发挥了重要作用，获得了明显的经济效益和社会效益。　　二、中国返回式卫星主任务概况　　1．FSW-O主任务试验情况　　在成功发射并回收的前22颗返回式卫星中，大部分主任务是对地遥感，完成国土资源普查勘测和摄影测绘的任务。FSW-O作为国土普查卫星，上面安装有普查型遥感相机。从技术进步方面来说，FSW-O是我国空间对地遥感卫星的开创性型号，1975～1987年共完成了9次成功发射与回收，获得了大批有价值的胶片遥感资料。这是中国卫星对地遥感的开端，使我国具备对全部国土和地球上任何地方的航天遥感能力。　　FSW一0是中国在卫星研制之初发射最多的卫星，突破了一大批卫星关键技术，包括卫星总体设计、遥感相机设计、卫星结构设计、热设计、姿态控制、再入气动防热设计、回收软着陆等。该星的科技成果曾荣获国家科技进步奖特等奖。　　特别值得一提的是，作为中国卫星的开创性型号，返回式卫星当时是白手起家。万事开头难，当时可以说少有资料参考，亦无经验借鉴。许多关键技术都是凭着全国大协作，靠技术人员艰苦奋斗干出来的。另外，当时条件也很艰苦，大家靠两弹一星精神，打开了中国卫星研制的新局面。　　2．FSW-1主任务试验情况　　我国初期研制的摄影测绘卫星为FSW一1，上面安装有摄影测量相机。该卫星是我国卫星对地测绘的开创型号，也是我国空间测绘领域的一个巨大飞跃。我国过去确定地理位置的技术手段是人工一个点、一个点地测相对位置，人们过去在乡间看到的一个又一个测绘标杆，就是人工测绘在不同地点的测绘标志。后来，技术发展到了航空摄影测绘，即飞机带上胶片相机，对地面一个航次又一个航次地照相，经测绘数据处理后，得到地面不同点的相对位置。这在技术上是个很大的进步，又快又省人力。但是航空摄影测绘有它的局限性，难于一次进行整个国土的普查。有了卫星测绘手段后，我国的大地测绘又有了巨大的飞跃，通过l～2颗测绘卫星，我们就可以对全部国土进行摄影定位。FSW一1型号就是这样一种卫星。该型号卫星分别于1987年、1988年、1990年、1992年4次发射并成功回收，获取了一大批可用于地面目标定位和地图修测的胶片遥感资料。该星科技成果也曾获得国家科技进步奖特等奖。　　3．FSW-2主任务试验情况　　FSW一2是在FSW一0的基础上发展起来的第二代国土普查卫星，三颗星分别于1992年、1994年和1996年发射。飞行试验结果说明，卫星在三个方面迈上了新台阶。　　(1)卫星各项技术指标显著进步。　　1)卫星提供的遥感照片信息量大幅度提高。和第一代遥感卫星FSW-0布g比，地面分辨率有很大的提高，遥感信息量的获得成平方关系增长。此外，FSW一2采取提高单张照片的利用率，根据气象条件修改摄影区从而降低照片的云盖率，增加照片的装片量，以及增加卫星的飞行时间等措施，遥感信息量比FSW一0有一个量级以上的提高。使我国卫星遥感能力上了一个新台阶。　　2)卫星控制技术极大提高。首次在中国卫星上采用三冗余计算机控制，采用了3个80C86优选型16e微型计算机组成的三机热备份，采用三取二方式容错。无论在计算速度、存储容量、软件开发能力还是在容错技术和可靠性方面，都是FSW一0的模拟量体制不能相比拟的，属国内首创。　　另外，利用红外地球敏感器，既能输出姿态信息，又能输出弦宽和地中信息。信息处理接口装置中，实现了以并行口为主，辅之以串行口为备份的新设计。还增加了全姿态捕获功能，大幅度提高了系统的抗干扰能力和可靠性。　　3)卫星具有有限的变轨能力。首次在返回式卫星上设有单组元轨控系统，可以在一定程度上补偿大气阻力造成的轨道周期衰减，改变卫星运行的轨道参数，以调整返回时回收舱的落点位置；同时，在小范围内还可以改善星下点排列均匀性，使之接近设计的标称轨道，保证遥感区域的横向覆盖。　　4)卫星结构重新设计，增加一个舱段，增加一次分离。这使卫星试验载荷无论是可回收的还是不可回收的，都比前两个型号返回式卫星有很大的提高，发射质量达到近3t，回收质量由630kg增加N850kg。　　此外，程控指令的条数和指令修改能力，遥控指令容量和保密性能的提高，跟踪增加超短波测距信道，遥测容量的增加和数据记录方式的改进，飞行时间增长带来热控难度的增加等方面，都显示FSW 2卫星技术提高到了一个新的水平。　　(2)充分利用成熟技术，缩短研制周期，加强技术管理。　　星上的一些分系统或设备尽可能采用成熟技术。这对缩短研制周期，提高可靠性起到了重要作用。例如天线分系统，在继承成熟技术的基础上改进天线设计，使天线分系统既能保证进度，又质量稳定地完成了三颗星的任务。1988年FSW一2总体方案确定，1990年2月底与用户签定研制合同，合同规定卫星要在28个月内出厂，这是在当时我国大型卫星型号研制中从未有过的。在这样短的时间内完成初样和正样两个阶段，我们在计划调度和科研管理上采取了一系列有效措施。质量管理部门严把产品质量关，严格按照质量管理条例进行质量管理。从元器件筛选，环境试验，到各种大型试验，都坚持各阶段的质量控制。做到一丝不苟，严格把关，以确保卫星的研制质量。　　(3)卫星的经济效益和社会效益显著提高。　　根据国际上同类胶片价格估算，每颗星照片的经济价值在80亿元左右(平均一颗研制发射费8000万元左右)，而且这样高分辩率的照片，是有钱也买不到的。其社会效益体现在卫星可以为国家的经济建设服务。例如作为国土普查卫星，能够提供比FSW-O更多的信息量，这样可以更好地为我国的社会主义现代化建设服务。　　卫星总体设计了各种搭载试验，搭载的质量比原来的型号有明显的增加。尤其是第三颗星，搭载项目多，质量比过去都大，搭载试验所取得的丰硕成果充分体现了“一星多用，多方收效”的总体设计思想。第三颗星搭载的有效载荷质量为260kg，与主任务有效载荷的质量相当，相当于多发射了一颗试验技术卫星。所获得的经济效益和社会效益是非常显著的。该星的科技成果获得国家科技进步奖一等奖。　　4．FSW一3主任务试验情况　　FSW一3三颗星分别于2003年、2004年和2005年发射并成功回收。各在轨飞行18天，按计划完成了规定的摄影测量任务。三颗星均拍摄到所需要的地物照片和恒星照片，获得了比我国第一代摄影定位卫星FSW一1精度更高的地理资料。在对地摄影面积、卫星星下摄影的地面覆盖、纵向和横向要求的像片重叠率、卫星姿态控制精度和姿态稳定度、对地面目标高程修正、时间指令控制精度、返回落点精度等方面，都满足任务书的指标要求。　　三颗星回收后遥感资料经用户处理加工，分辨率满足指标要求，影像清晰，地面分辨率优于设计指标。目标定位精度都大大优于研制总要求的指标。摄影重叠率满足设计指标要求该星获取的遥感资料，可以测制不同比例尺的地形图和专题图，其成果具有很高的经济效益和社会效益。该任务科技成果获得国防科学技术奖一等奖和国家科技进步奖二等奖。　　5．FSW-4主任务试验情况　　FSW一4两颗星分别于2004年和2005年发射，准确入轨，各在轨飞行27天，按计划完成了规定的详查遥感任务。照片的摄影地面分辨率满足指标要求，获得了我国当时最高分辨率的对地遥感照片。在观测面积、要求的像片重叠率、卫星工作寿命、姿态控制精度和姿态稳定度、卫星侧摆能力、地面目标对准精度、时间指令控制精度、返回落点精度等方面，都满足任务书的指标要求。　　FSW一4两颗星的任务完成后，根据用户判读和分析情况，摄影质量总体情况良好，照片影像清晰，曝光控制准确；卫星运行轨道控制和侧摆控制精确到位，目标对准精度高，时间记录和开关机控制精确，很好地实现了对详查遥感目标区的覆盖，使用户获得了一大批重要的遥感资料。其科技成果获得国防科技进步奖二等奖。　　6．FSW-3年13FSW-4卫星技术的进步　　FSW-3$口FSW一4利用相同卫星平台一个批次同时研N5颗卫星。在卫星总体设计、高精度热控、姿态轨道控制、舱内压力控制以及有效载荷研制方面，相对原来的返回式卫星都有巨大的技术突破，取得了一系列的科学技术成果，主要有以下方面：　　(1)热环境控制技术　　FSW一3、FSW一4在原有返回式卫星被动热控和主动加热控制手段的基础上，增加了舱内对流换热、局部隔间热控、卫星窗口热门以及热控挡板等措施，使密封舱温度范围控制在合适的范围，温度均匀性最好达到0．2℃的水平，满足有效载荷对环境温度的要求。为了达到温度控制目标，热控、结构机构、有效载荷各个分系统都做了较大的技术改进，包括热控涂层、多层隔热材料、隔热泡沫材料、热管、OSR散热片、局部热控隔间技术、舱内对流换热技术、局部对流风道技术、局部等温化设计、窗口热门的热设计、星外多层抑制外热流影响技术、热控挡板抑制外热流影响技术、窗口热门机构技术等热控措施的综合采用，使卫星热控提高到一个新的水平。　　(2)星上能源技术　　到目前为止，返回式卫星都是采用蓄电池供电。FSW一3、FSW-4之前的星上能源用的都是锌银蓄电池。随着卫星飞行天数的增加，必须增加电池的供电能力。解决的途径是采用能量比锌银电池高的锂亚硫酰氯电池，合理安排星上电池用户的组合与使用。700Ah大容量锂亚硫酰氯电池较大规模地在FSW一3、FSW一4卫星上使用，在中国航天器史上是首次。锂电池上星除了要解决制造工艺上的一系列难题外，还必须确保电池的使用安全，任何滥用都可能引起电池的爆炸。研制单位攻克了锂电池的研制、试验和上星安全使用的技术难题，进行了有效的安全性设计和试验。锂电池的使用使相同容量电池在体积上减少1／3，质量减少近I／2。　　(3)控制技术的提升　　在国内首次实现了卫星平台快速、高精度、大角度的侧摆控制，侧摆角达NIJ23。，扩大了摄影遥感区域，为更多的目标遥感创造了条件，提高了卫星的使用效能。在国内首次实现了卫星平台同时两轴高精度机动控制。即进行高精度侧摆的同时，精确计算该侧摆角度下的偏流角及其变化率，并按照偏流角和角速度进行控制。　　(4)激光测距仪测高技术　　首次在FSW-3卫星上采用激光测距仪，将测距信息保存在测量相机照片上，经地面处理，解决了在轨飞行时测量相机焦距的变化引起高程测量的误差问题，大幅提高了卫星的高程精度。　　(5)回收落点控制技术　　通过提高返回前卫星的轨道控制精度，使卫星的横向偏离回收落区中心偏差最小；通过制动火箭总冲、指令发送时间精确控制，来控制回收舱的纵向偏差。5颗星第一颗回收舱偏离稍大一些，其后4颗落点都比较准确，最好的达到12．7kin。返回航程超2000km，弹道式再入的回收舱的回收落点能达到这样的精度，在技术上是个很大的提高。　　(6)射前地面调温技术　　作为有效载荷的遥感相机，对热控的要求比以往返回式卫星相机都要高，除了星上采取热控措施外，两个型号还对卫星发射前的初始温度控制提出了很高的要求。通过对发射塔上的卫星温度控制间的设计与实施，使卫星发射前的起始温度满足相机入轨后的照相要求，获得了良好的热控效果。　　(7)卫星型号研制的管理创新　　技术管理上的创新包括计划和质量管理的到位、物资经费统筹、对外合作等方面的管理进步。优化了卫星制造、试验和发射场实施等阶段的流程，缩短了型号研制周期，加快了航天型号的研制步伐。发射场工作周期从过去的两个月左右减少到现在的40天以下。　　7．实践八号卫星主任务试验情况　　实践八号育种卫星是我国第一个以空间育种为主要任务的返回式科学技术试验卫星。除实施空间育种任务外，卫星还利用剩余承载能力搭载了中科院9项空间微重力科学实验项目、五院控制推进剂剩余量测量、铷钟搭载和中科院紫台暗物质探测等试验项目。　　(1)卫星总体概况　　卫星质量3600kg(返回有效载荷260kg，不返回的搭载试验有效载荷300kg)。卫星运行于63。倾角、近地点180km、远地点350km的近地倾斜椭圆轨道。星上微重力水平达10～10。g量级，平台提供2Mbps数传能力。2006年9月9日在酒泉卫星发射中心用长征2C运载火箭成功发射。9月24曰，卫星成功回收。完成总质量为260kg主任务有效载荷的飞行试验。回收后交付的种子样品完整无缺，按要求完成了空间背景参数的测量，供用户进行机理分析。飞行试验取得了圆满成功。　　(2)实践八号的研制管理进步　　1)利用成熟技术完成卫星研制的典范实践八号育种星2003年5月立项，2005年下半年正式开展研制，到2006年7月卫星出厂，花了一年左右的时间完成设计、制造、大型试验和飞行试验。而且是在2005年FSW-3、FSW-4执行飞行任务的同时，由一支研制队伍完成的。作为一个新的型号，能这样快、好、省地完成任务，与利用成熟技术和成熟管理经验是分不开的。　　2)研制技术流程的创新合理优化技术流程，成熟的系统和设备可直接进入正样研制，新增的系统和设备视情况经初样到正样。省去在原FSW-3、FSW-4基础上可以不做的大型试验，如热真空试验、初样的力学环境试验、星箭间的匹配试验等。增加育种星要考虑的试验，如回收舱落水试验、载荷支架的力学环境试验、由于搭载引起的桌面联试和常压热试验等。　　3)优化星上产品的备份手段按航天飞行试验惯例，一颗星发射前应有重要设备的备份，以备射前出现故障时更换。该星只有一套上星产品，如何解决设备备份的风险措施，做到有备无患，是一件很重要的事情。育种星采用原有产品备份、典试产品加严试验、回收产品使用等不同的方式，将要考虑的设备故障风险都考虑到了，达到了既省钱，又有备无患的目的。(待续）　　上文选自《中国航天》，如有需要请查阅该期刊。

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