解析实践十号科学卫星如何从太空返回地球

51fly

“实践十号”返回式卫星回收成功

实践十号返回现场

4月18日，实践十号卫星在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，我国首颗微重力科学和空间生命科学实验卫星任务圆满成功，不仅标志着我国返回式卫星迎来第二个春天，而且实践十号也成为我国首颗在四子王旗采用弹道式回收的返回式卫星。

回首实践十号卫星的“回家”旅程，遇到哪些难关，克服哪些困难，具备什么条件，拥有什么特点……一连串的问题亟待一一解密。

航天科技集团五院实践十号总设计师赵会光介绍说，返回式卫星回收技术十分复杂，必须突破姿态控制与轨道控制技术、卫星再入防热技术和卫星回收技术。这四大技术在50年前航天技术刚刚起步的时候无疑是一道世界性难题，美国曾经为此经历了12次发射失败的惨痛代价，才突破了卫星回收技术，苏联也同样在交了13颗卫星失败的高昂学费才实现了返回式卫星的成功回收。随着航天技术的发展，到目前为止，我国共发射25颗返回式卫星，神舟飞船、嫦娥三号、探月三期再入返回飞行试验器等任务也相继发射成功，这些都为“空间实验室”成功返回地球家园奠定了良好基础。可以说，实践十号是“站在了巨人的肩膀”上，但是它依然面临着许多技术难题需要一一攻克，“空间实验室“顺利“回家”需要过五关斩六将。



实践十号返回地面现场。来源：军报记者

难题一：实践十号卫星怎样返回地面？

要了解这个问题，让我们先来了解一下什么是航天器的返回轨道。

人们通常把航天器从脱离运行轨道到降落到地面这一段的飞行轨迹叫返回轨道。根据航天器在返回轨道上所受到的升力和阻力的情况采用不同方式回收，目前，返回式航天器在返回地面的过程中，一般采用弹道式、半弹道式和滑翔式（升力式）三种轨道。

弹道式返回轨道。这种轨道的特点是，航天器在进入返回轨道，再入大气层的时候，只受阻力作用而不产生升力，因而，下降的速度快，空气动力过载大，落点无法调整和控制，可能产生较大的落点偏差。苏联和美国早期的飞船和我国的返回式卫星均采用这种返回轨道。

半弹道式返回轨道。这种轨道的特点是，航天器在再入大气层后，除了阻力外，还会产生部分升力。只要适当控制它们的滚动角，就可以控制升力方向，小范围地改变飞行路径，适当调整落点范围，使落点比较准确，空气动力过载也比较小。苏联“联盟”号飞船、美国“双子星座”号飞船、我国的神舟飞船、探月三期再入返回飞行试验器都是采用这种返回轨道。

滑翔式返回轨道。这种轨道的特点是，航天器在再入大气层后，会产生很大的升力，因而可以调节纵向和横向的距离，准确地降落在跑道上，空气动力过载也很小。美国的航天飞机和空天飞机就采用这种轨道。

实践十号卫星就属于弹道式回收，它开创了我国航天器在四子王旗弹道式回收的先河。

提到卫星回收，人们可能会想到把整个卫星都回收回来，其实不是这样的。返回式卫星在设计的时候一般由回收舱和仪器舱两部分组成，实践十号也不例外。在结构布局上，它充分继承了以往返回式卫星的结构特点，一眼看上去就像一个放大的“子弹头”，内部是由四个舱段构成的仪器舱和返回舱组成，回收是指将返回舱收回来。

卫星的回收是一个极其复杂的过程，这是因为卫星在轨道上高速飞行，当完成任务后需要它返回的时候，超高的速度冲向地球大气层，再入大气层的时候会与空气产生强烈的摩擦，卫星的表面会产生很高的温度，这就要求实践十号卫星在设计上充分考虑如何控制返回姿态，如何可靠地对付再入大气层时产生的极高温等难题，否则，不仅卫星不会准确地回到地面，还会在返回大气层的时候被烧毁，即使返回舱不被烧毁，由于舱内温度过高，试验样品也将受到破坏，整个“空间实验室”的研究成果将毁于一旦。



实践十号返回地面现场。来源：军报记者

难题二：实践十号返回地球家园应具备什么条件？

既然回收技术作为航天技术中一项举世公认的难题，那么，实践十号返回地球家园应该具备什么条件呢？

据航天科技集团公司五院总体部返回卫星与空间安全总体研究室高振良介绍说，首先，实践十号卫星的控制系统要能够准确地调整卫星姿态，使它能够从在轨道上飞行的姿态变成返回姿态；其次，卫星舱段必须能够可靠分离，卫星还需自带动力系统，确保顺利脱离原运行轨道，进入返回轨道；再次，卫星要有良好的防热性能和隔热性能，确保返回舱不被烧毁，并且保证返回舱内部温度不能过高；同时，返回舱上要有良好的减速和缓冲设备，确保安全降落到地面而不被摔坏；最后，返回舱上还要装备标位装置，确保返回落地后能及时发出信号，以便回收人员及时识别位置和成功回收。



实践十号返回地面现场。来源：军报记者

难题三：实践十号卫星“回家”需突破三大关键技术

据航天科技集团五院实践十号卫星副总师李春华介绍，要想确保“空间实验室”顺利“回家”至少要突破三大关键技术。

一是卫星姿态及轨道控制技术。当卫星进入预定轨道后，星上姿态控制必须保持三轴稳定。卫星完成任务后，按地面指令调整姿态，在返回舱和仪器舱分离后，按照预先计算好的角度和方向点火工作，返回舱脱离原先的运行轨道转入返回轨道，返回地面。在这期间，如果角度计算的不正确就可能把卫星推向宇宙深处，造成卫星不知去向的严重后果。实践十号卫星返回舱在卫星飞行204圈时升轨返回，其返回飞行时序设计主要继承了以往返回卫星的设计成果，针对星上状态变化、保障条件变化等进行适应性调整，除了要保证卫星能够正常返回外，还要考虑异常情况下，最大限度为地面提供处理和决策的机会。此外，实践十号卫星配置了4个陀螺，这些陀螺的健康状况对于姿态安全具有关键作用，一旦有陀螺发生故障就无法用平衡方程进行定位。为此，控制系统设计了自主对陀螺进行简化快速诊断，一旦发现陀螺故障即可自主进行一次切换，从而确保始终有三个陀螺正常工作，保证卫星定姿正常。

二是卫星再入防热技术。返回舱进入大气层后，由于速度快，舱体的头部与大气层进行剧烈摩擦，产生大量热量，这种热量可达几千度，如果没有过硬的防热措施，返回舱将被熔化掉。为了确保结构和防热设计能够满足回收要求，实践十号研制人员对再入过程的力、热环境分别进行了反复计算。通过与落区更改前和原返回式卫星的气动力、热环境比较，最终确定出在四子王旗着陆相应的返回过程力、热环境与原返回式卫星相当。

三是卫星回收技术。当实践十号在太空飞行12天14.5小时后，卫星开始进入“回家”旅程。回收分系统将采用“时间—过载—时间”的控制方式，使用时间控制器、加速度开关和回收配电器联合工作。回收舱返回时，以“两舱一次分离”作为返回零时间，由时间控制器依次按发出“起旋火箭点火、制动火箭点火、消旋火箭点火、制动舱解锁、加速度开关加电”等一系列指令。而返回过程的所有关键动作都由星上指令进行控制，对于影响成败的关键指令，研制人员必须充分考虑其安全性和可靠性设计。此外，针对回收时各种“意外情况”，比如回收舱提前或延后着陆、回收落点偏差大、主伞未能正常打开、风大条件下回收舱被拖拽、夜间搜寻回收舱、回收舱落入水中、回收遇雨、雪等各种非正常模式，实践十号研制人员还制定了非正常处置预案，确保各种模式下都能够顺利回收。

实践十号返回地面现场。来源：军报记者

难题四：“回家”地点怎么选择？

卫星成功返回，回收着陆区域选择非常重要。为了便于及时发现和寻找返回地面的卫星返回舱，美国选择了在海面作为返回式卫星的回收场，用庞大的舰队和直升飞机群在空中或海上进行回收。俄罗斯选择在一片浩瀚的沙漠作为回收场，这种回收场地地域广阔，地面平坦，视野开阔。上世纪70年代，我国返回式卫星落区则选择在四川遂宁。而此次实践十号卫星回收场则选在了内蒙古四子王旗，这是经过精心挑选的。

据航天科技集团五院实践十号卫星总指挥邱家稳介绍，选择在四子王旗回收，一是经过几十年的发展，特别是改革开放以来，我国发生了天翻地覆的变化，我国腹地四川中部的山区发生了变化，人员密度增大，新建房屋林立，卫星在此回收将给老百姓的人身和财产安全带来很大的威胁。二是那里山丘密林，江河峡谷，将给卫星寻找带来困难，针对这种情况，利用我国在内蒙古中部地区建成并回收多艘神舟飞船的载人航天回收场，进行实践十号回收，无疑是一个理想的选择。

通过以上叙述可以看出，实践十号卫星成功返回可以说是过五关斩六将。（庞丹）

·END·

打造中国领先的太空资讯站

搜索公众账号“ 腾讯太空 ”或“ qqtaikong ”获取最新资讯

点击“阅读原文”查看腾讯太空首页（space.qq.com）