纪念中国返回式卫星初次发射成功45周年 -

采访人：成都七中万达“未来科学家班”学生代

被采访人：李颐黎

采访人：

大家好。我是成都七中万达学校“未来科学家班”的学生代表，今天是中国返回式卫星首次发射成功纪念日，在这个大喜的日子里，我有幸书面采访航天专家李颐黎老师。李颐黎老师于2020年6月17日被我们成都七中万达学校和四川省宇航发展研究会聘请为成都七中万达学校“未来科学家班”专家顾问。

李老师1958年毕业于北京大学数学力学系力学专业，1963年到1964年在科学家钱学森的指导下进修星际航行技术，之后从事火箭、卫星和载人飞船系统的研究设计工作50年。1991年被航空航天部批准为“有突出贡献专家”，1992年起享受国务院颁发的政府特殊津贴，2004年荣获国家科学技术进步奖特等奖。

请问李老师：

中国返回式卫星是什么时候首次发射成功的？

中国是什么时候成为掌握卫星返回技术的国家？

李老师：

中国的返回式卫星的研制工作是1966年初正式开始的。中国的返回式卫星于1975年11月26日首次发射成功，卫星按预定计划飞行3天后，返回到祖国大地，获得了预定的遥感试验资料。1976年中国又成功地发射了一颗返回式卫星，这颗卫星在轨运行三天后，准确的返回到预定的四川回收区；返回制动、再入防热、开伞减速等方面均工作正常，使中国成为继美国和苏联之后世界上第三个掌握了卫星返回技术的国家。

采访人：李老师，请您详细些给我们介绍一下中国返回式卫星的发展概况吧。

李老师：

中国的返回式卫星是低轨道、三轴稳定、返回舱可以安全返回的卫星，可用作对地遥感卫星、微重力试验平台和科学技术试验卫星，到2003年已发射和回收了三种不同类型，总计是18颗卫星，分别在轨道上运行了3~18天。为了保障卫星安全返回地面，攻克了返回制动、再入防热、减速和回收等技术难关。

中国的返回式卫星和三种类型分别称为FSW-0、FSW-1及FSW-2，它们的构型请见图1。

中国返回式卫星外形示意图 （a）FSW-0、FSW-1卫星；（b）FSW-2卫星

FSW-0卫星是中国研制的第一种返回式卫星型号，为中国早期国土普查遥感卫星，FSW-0卫星是完全依靠我国自己的力量，突破了大型星载可见光摄影相机技术，三轴姿态控制稳定技术、返回技术（包括固体制动发动机技术、再入防热结构技术、回收着陆技术等）以及测控技术等一系列关键技术后才获得成功的。

FSW-0卫星的外形是由球缺（圆球被一平面截去的部分）加上一个半锥角为10度的截锥（圆锥被截去了锥头）组成（见图1），底部最大直径2.2米。总长度3.1米，起飞质量1800千克。卫星分为仪器舱和返回舱两个舱体，卫星在轨道上完成了对地摄影任务后，将拍摄好的胶片通过暗道输送到返回舱里的回收片盒内。

卫星由结构系统、温度控制系统、摄影系统、姿态控制系统、程序控制系统、遥测系统、遥控系统、跟踪系统、返回系统、天线系统和供配电系统，共11个系统组成，其中返回系统包括制动火箭发动机分系统和回收分系统，各个系统的设备安装在仪器舱或返回舱内。

仪器舱由仪器舱结构、地物相机、星空相机、姿态控制系统、程序控制系统、跟踪系统、天线系统、供配电系统等的设备组成。

返回舱由返回舱结构，起旋和消旋装置，制动火箭发动机，回收分系统的设备，跟踪遥测设备和暗道片盒等组成，如图2至图4所示。

图2 正在向卫星舱内吊装制动火箭发动机

图3 组装返回式卫星

返回式卫星是由长征二号运载火箭在酒泉卫星发射场发射的，如图5所示。

图5 运载返回式卫星的长征二号运载火箭在发射前竖立在酒泉卫星发射场

采访人：

李老师，请您介绍一下，1976年发射的中国返回式卫星是如何返回的？

李老师：

我国1976年发射的返回式卫星的返回过程可概述如下，为了使制动火箭发动机按预定的方向工作，卫星首先进行返回姿态调整，即将卫星从运行时的头部朝前方向姿态转到底部稍稍往前的姿态（转角100度），然后，返回舱与仪器舱分离，接着用起旋发动机使返回舱绕纵轴旋转，以稳定返回舱的姿态。随后，制动火箭发动机点火、工作，使返回舱从卫星运行轨道转到一条飞向地面的轨道。在进入大气层前，消旋发动机工作，使返回舱的自旋速度减小，以便返回舱再入大气层后能较快地转到头部朝前的姿态。返回舱在下降到离地面16千米左右的高度时抛掉制动火箭发动机壳体和底部防热罩。然后，装载返回舱内的降落伞系统的4顶降落伞依次打开。返回舱连同主降落伞最后以每秒14米的速度安全着陆，返回过程如图6所示。

图6 1976年发射的中国返回式卫星的返回过程

采访人：

李老师，您当时在中国返回式卫星的研制过程中主要从事什么工作？

李老师：

我在中国返回式卫星的研制过程中，有以下两段工作经历：

第一段工作是从1966年初至1968年初，我在第七工业部第八设计院卫星研究室参数工程组任组长，从事返回式卫星轨道的研究和设计。

第二段工作是从1973年12月至1978年6月，我在七机部508所从事返回式卫星回收技术研究和回收系统设计，1974年起任回收技术研究室系统组副工程组长，主持返回式卫星回收系统研制。

采访人：

我们都知道，万事开头难，尤其是1966年初至1968年初您从事返回式卫星轨道研究和设计时，正值我国卫星返回技术起步阶段，您当时在工作中遇到了哪些困难？您和您的团队是如何克服这些困难的？

李老师：

当时主要遇到了三个困难，一个是要推导出一套精确的返回轨道计算方法，二是寻找出卫星返回制动的最佳制动角，三是如何实现在有利和较平坦的回收区回收卫星，下面分别来说。

第一，推导出第一套精确的返回轨道计算方法。

当时探空火箭的轨道计算方法和地-地导弹的轨道计算方法已比较成熟，但是精确的卫星返回轨道计算方法国际上也没有公开发表的资料，而卫星返回轨道设计是卫星总体设计的重要的、顶层的设计，因此只能由我自己推导出一套精确的返回轨道计算方法，通过我潜心研究导弹的精确运动方程和返回式卫星返回舱的气动特性，创造性地找到了卫星返回轨道计算方法，推导出六自由度求解的精确的卫星返回轨道计算的运动方程式，为卫星返回轨道设计打下了良好的基础。由于这一套计算方法相当复杂，而七机部八院当时还没有电子计算机，只能由我和我的同事提出返回轨道计算任务书委托七机部二院的一个电子计算机室，由计算专业技术人员计算。为了校核计算结果是否正确，我当时买了儿童游玩的陀螺，观看陀螺在不同转速下受外力（地心引力）作用下产生的进动和章动的规律。经过我们七机部八院和二院相关计算人员的密切配合计算出我国返回式卫星的返回轨道。

第二，寻找出卫星返回制动的最佳返回制动角。

返回制动角是指返回制动发动机点火时刻，制动发动机的推力方向与当地水平平面的夹角。

返回制动速度是指返回制动发动机工作期间，由制动发动机推力所给予返回舱的速度增量。

同样的制动速度，但不同的返回制动角对于返回航程（指从返回制动发动机点火开始至返回舱着落为止的航程）影响很大，通过我针对我国返回式卫星的运行轨道参数，采用不同返回制动速度和返回制动角100多方案计算分析，找到了我国返回式卫星最佳返回制动角（105°），并用于工程设计，从而使返回式卫星为制动而消耗的推进剂最小且卫星返回舱着陆点的散布也最小，如图7所示。

图7 返回舱的返回航程随返回制动角的变化

第三，如何实现在有利的较平坦的回收区回收卫星。

经过结合返回式卫星运行轨道和返回轨道特点及我国测控条件的分析，在1967年9月11日召开的返回式卫星方案论证会议上，选定了四川盆地作为我国返回式卫星的回收区。

采访人：

听说返回式卫星的回收区的选择还进行了多方案的比较，地面测控系统还提出了很好的建议，具体情况怎么样？

李老师：

根据我国当时的航天器技术水平，我国20世纪70年代发射的返回式卫星不具备轨道控制能力，不具备海上回收和空中钩取回收的能力，不具备在国外建立测控站的条件，也不具备建造和布置海上测控船的能力，而只能在我国大陆陆地上回收卫星，而且由于返回式卫星要求轨道倾角必须在60度和70度之间，所以卫星飞经我国上空的测控弧段很短，给卫星的返回轨道设计和回收区的选择带来了很大的困难。

经过多方案的研究，七机部八院于1967年6月15日提出了《返回式卫星技术方案（初稿）》，该文稿中提出了两种可能的回收方案：

方案（1）：白天回收方案，即在卫星飞经我国的降段轨道（即卫星轨迹从西北向东南方向运动）时回收，返回舱着陆在云南、贵州一带。

方案（2）：黑夜回收方案，即在卫星飞经我国的升段轨道（即卫星轨迹从西南方向向东北方向运动）时回收，返回舱着陆在我国东北地区。

方案（1）的优点是：

（1）可利用酒泉发射场的安全系统；

（2）回收前一圈飞经我国，可以在这圈跟踪和测轨，提高下一圈捕获的概率；

（3）回收时间为白天，便于及时寻找着陆的返回舱和及时取回片盒。

缺点是：云南、贵州一带地形起伏较大，丛林较多，寻找和取回有一定困难，但可发动群众解决。

总的来说，方案（1）优点较多，建议采用方案（1），两种可能回收方案的星下点轨迹示意图如图8所示。

图8 返回式卫星的星下点轨迹示意图

1967年9月11日，国防科工委在北京召开了返回式卫星方案论证会议（代号“911会议”），七机部八院向会议提出了《返回式卫星总体方案论证报告》，我和陈中青向会议提出了《返回式卫星轨道、返回及其地面系统介绍提要》，后一个报告介绍了上述返回式卫星可能的两种回收方案及地面测控系统的方案。

在我和我的同事们参加的911会议中，我们大力协同，充分详细地介绍了返回式卫星的轨道设计和可能的回收方案，在分组讨论中，地面测控系统的与会代表提出同意回收方案（1），但建议将卫星的返回调姿点前移至国外，并设置地面前置站，从而使返回式卫星返回舱落在四川盆地。这是一个很好的建议，被911会议所采纳。从此，我国返回式卫星的回收区就一直设置在四川盆地，并取得了良好的回收卫星返回舱及其片盒的效果。

采访人：

1975年发射的FSW-0-1卫星虽然取得了基本的成功，但是存在再入大气层过程中返回舱裙部被烧坏及返回舱落点偏大两个问题，请问508所从事返回与回收系统研制人员是如何配合501部解决这两个问题，确保1976年发射的返回式卫星和1978年发射的返回式卫星取得圆满回收的？

李老师：

1974年4月1日，院领导吴鹏在508所主持召开返回式卫星方案问题研究会，我提出希望立即考虑再入舱设计的改进方案，增设消旋火箭或冷气装置，在制动发动机工作结束后及再入舱再入大气层前对返回舱实施消旋，以解决再入舱的防热问题。以后又多次提出。

1975年9月15日院领导召开用消旋方案解决返回舱再入大气层过程中外压过大问题的技术讨论会。为了准备消旋后回收控制方案的论证，国庆节前，我去501部朱仁璋家里取回他计算的消旋返回轨道的原始数据，回所后和组内的朱富林、黄元美、周培德等同志对消旋后返回舱轨道参数最大偏差量完成了计算。通过计算进一步得到的结果是：消旋方案不仅对解决返回舱防热有利，而且对于回收系统采用“过载-时间”控制方案也是很有利的。不消旋方案的返回舱再入大气层过程中的典型总攻角的值及其随时间的变化如图9所示，在高度为47.5千米时为45°。而若将返回舱在高度为100千米以上消旋至10转/分钟，则在高度为47.5千米时的总攻角只有17°左右。

图9 某不消旋的返回舱的总攻角η和飞行高度h随时间t的变化

针对1975年发射的返回式卫星返回舱裙部被烧坏及返回舱落点偏差大两个主要问题，五院有关单位认真进行了故障分析工作。1976年5月，五院确定了在1976年发射的返回式卫星上采取多项改进措施和方案。5月15日，在508所返回式卫星任务动员会上，我所王希季总工程师说：“去年返回式卫星最大的问题是返回问题，返回轨道偏差大，再入防热没有解决，今年，凡是返回方案上改进的我们所要积极支持”。

我所从事返回式卫星回收系统和消旋方案研制的同志们积极行动起来，在1975年对1975年发射的返回式卫星消旋方案分析的基础上，进一步分析了在1976年发射的返回式卫星上在制动发动机工作后，再入大气层前采用消旋方案下的回收控制方案；1976年发射的返回式卫星圆满回收成功的事实，证明了回收控制方案的正确。为了增发消旋信号回收系统修改了配电盒设计，并重新在529厂加工生产；第一批5只配电盒出现质量不够好的状况，有的配电盒有时出现短路故障，我们主张改进加工工艺重新投产，得到了所领导的支持。当时北京正遭受唐山大地震的影响期间，人们都住在防震棚中，楼一池、姜永宽和我到501部防震棚里找人取配电盒上的接插件，529厂老师傅加班加点，终于生产出优质配电盒，经交货试验合格，并在1976年和1978年发射的返回式卫星上使用，证明配电盒质量优良、工作正常。由于增加了消旋指令和再入舱充气指令，使钟表触点电流增大，在此情况会不会接触点烧坏导致信号不能发出呢？为了保证有充分的试验验证，我向501部借来了卫星上的为回收系统供电的第五组电池，向502所要来了充气电爆管，向我所四室要来点火器和引火头，我和楼一池同志一起做了模拟实际飞行状态的可靠性鉴定试验，并写出了试验报告。试验结果表明虽然在试验过程中钟表的触点被烧焦一部分，但仍可正常发出指令和信号。正是我们回收分系统坚持产品质量第一和充分地完成了各项地面试验，才使得1976年和1978年发射的返回式卫星取得了圆满回收的佳绩。

采访人：

李老师，您亲自参加了1976年发射的返回式卫星的飞行控制工作，请您讲讲这颗星的飞行控制，特别是返回飞行控制的情况。

李老师：

1976年12月7日12时许，1976年发射的返回式卫星发射成功，卫星准确入轨。在卫星进入轨道运行段后，我和林华宝等同志转场到渭南测控中心执行卫星运行段和返回段的飞行控制任务。我们卫星试验队和渭南卫星测控中心的测控人员连续战斗了三天三夜，为了监视卫星上的工作状况和讨论应对措施，三天里我俩每天只睡两、三个小时。现场指挥员集中了大家的正确意见，决定仍按运行3天后再回收的方案安排，并根据舱内压力调整两舱解锁指令发出的时刻，使返回舱落入回收区。12月10日，当卫星运行到第47圈时，遥控站发出姿态调整指令，卫星开始调整到返回姿态。调姿完成后，遥测大角度传感器给出的姿态角表明：返回姿态正常。接着，地面遥控站准时发出两舱解锁指令，卫星两舱顺利解锁，同时返回舱内的时间控制器启动；两台回收时间控制器依次发出起旋火箭点火、制动火箭点火、消旋火箭点火、回收信标机开机等指令，返回舱按预定返回轨道飞向地面。

渭南测控中心利用雷达测得的制动火箭熄火后的外测数据进行计算，根据508所制定的回收控制切换判别准则，发出遥控指令，把回收控制切换到“过载-时间”控制。返回舱再入地球大气层的过程中，当返回舱的轴向过载达到6.5g时，过载开关触点闭合，再次启动时间控制器，此后由时间控制器依次发出弹射防热罩及制动火箭壳体、弹引导伞、减速伞分离拉出主伞等信号。这几个信号均正常发出，相应动作均正常，返回舱乘主伞以14米/秒的速度在四川省预定回收区内安全着陆，卫星圆满回收

图11 FSW-0-2卫星返回舱着陆后壳体完整无损，可以看出壳体上突出的天线都烧掉了

1976年卫星圆满回收后 ，我和林华宝等同志非常重视对该星回收系统飞行试验的技术总体总结工作，我根据该颗卫星再入遥测缓变数据的分析和处理等资料，分析了FSW-0-2卫星实际的返回过程中防热罩与回收舱的分离状况和分离速度并编写了相应的分析报告。同时，对回收系统返回地面的回收控制钟表、过载开关、电路转换盒、降落伞等产品进行了回收后的测试或检查，对发现的问题在后续的卫星上提出了改进的建议。在此基础上1977年8月由我和林华宝编写了FSW-0-2卫星回收系统飞行试验技术总结，王希季总工程师批准了这一总结，如图12所示。

图12 FSW-0-2卫星回收系统飞行试验技术总结报告的封面（取自李颐黎著《航天技术先锋》第189页上的图5-18）

1976年中国返回式卫星的成功返回及圆满回收标志着中国已成为继美国和苏联之后，世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。

1978年1月26日，我国又成功发射了一颗返回式卫星，卫星在轨道上运行了三天后，完成了卫星遥感试验等任务，取得了大量遥感卫星，于1月29日按预定计划成功地返回，圆满地回收。

在1978年春召开的全国科学大会上，我国返回式卫星的多项科学技术成果受到了全国大会的表彰。1980年2月，由国防科技批准“返回式卫星回收系统”获得1978年至1979年国防尖端科研成果一等奖。这是508所全体从事返回式卫星回收系统研制人员的光荣，我为成为该团队的一员而感到欣慰。

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