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可重复使用返回式卫星

可多次往返天地的“卫星班车”揭秘国际首个可重复使用返回式卫星

张兰兰  本报记者 付毅飞

不久后,可重复使用航天器领域将有一位来自中国的新成员加入。

    记者4日从中国航天科技集团公司五院了解到,该院总体部首创设计的“可重复使用返回式空间环境利用卫星”在2016珠海航展亮相,其将填补国际无人多次使用返回技术的空白。

    如果说火箭是卫星、飞船的运载工具,返回式卫星则是运送有效载荷的“班车”。五院总体部向记者介绍了这辆“卫星班车”的特别之处。

    往返天地15次,“车况”依然良好

    五院总体部设计师刘欣介绍,科研人员以最大化无损回收理念为核心,对“卫星班车”系统的分布配置、材料器件寿命、着陆方式等进行了巧妙设计。一方面确保“乘客”毫发无损;同时确保“班车”能在往返天地15次后,“车况”依然良好,仍处于可运行状态。

    着陆方式是“卫星班车”设计的重中之重,科研人员采用了“降落伞+气囊”的精妙设计。降落伞相当于“刹车”,气囊则会在着陆时起到缓冲和防“刮蹭”作用。如此设计下,该卫星着陆速度仅为传统返回式卫星的二十分之一,着陆冲击力相当于飞机落地时的力度,极大地提升了“乘客”的舒适性,确保了“卫星班车”的无损回收和重复使用。

    值得一提的是,可重复使用的并非整个卫星。考虑技术难度及经济性,科研人员从设计上确保回收舱可返回并重复使用15次。不过回收舱是“卫星班车”最核心、最昂贵的部分,占据全部功能的80%。当“卫星班车”完成一次任务,只需安装一台“发动机”、加上“油”,就能开展下一次工作。

    专门对付“不可能完成的实验”

    随着空间科学及新技术不断发展,更精确数据的获取、新研究方法的采用等需求,对空间实验环境和条件的要求越来越高。例如,如果微重力水平难以达到,一些材料类科学实验、流体类物理实验就会受到限制。再加上实验本身的危险性、需要返回的及时性等影响因素,诸多实验无法在空间站开展。

    对这些曾经“不可能完成”的空间实验任务,“卫星班车”将成为理想的空间实验室。

    为提升微重力水平,科研人员首次采用“整星停控”的自由飞行模式,取消了活动部件,使卫星能在太空自由漂浮,没有丝毫扰动。即使在卫星姿态需要调整时,也能用小推力器一点点微调,保证扰动降到最低。该卫星与国内最新回收的实践十号返回式卫星相比,微重力水平提高了一个量级,足以匹配当前空间科学实验对微重力水平的最高要求。

    除了提供“室内”实验,“卫星班车”还具备国内首个“太空开放式实验台”,按指令开启后,就能让有关设备与太空环境“亲密接触”。

    与空间站相比,“卫星班车”还有一大特点——无人。由此,诸如燃烧类、微生物类、活体动物类等可能危及航天员生命的实验项目,将拥有安全的实验场所。

    适用性更广、承载力更强

    “实践十号”的承载能力为220公斤,一度被誉为国内返回式卫星中的“大力士”。但这个称号已经易主。“卫星班车”的承载能力能达到600公斤,并能携带500公斤的搭载设备返回。

    同时,“卫星班车”颠覆了传统卫星的搭载设备接口设计,采用标准化的机械安装接口、通用化的以太网信息接口设计,为需要搭载的实验设备提供了通用化平台,支持“随时安装,入网即通”。

    按照五院总体部计划,可重复使用返回式卫星将从2018年左右开始每年两次的常态化运营,为国内外空间科学实验、新技术试验、空间技术应用等领域提供服务。(科技日报北京11月4日电)  


  可重复的新一代空间实验平台“太空工场”。该项目是指打造运营成本更低、使用更便捷、保障更优越、可重复使用的新一代空间实验平台,为国内外空间科学实验、新技术试验、空间制造、生物医药等领域提供服务,建设空间科学与应用产业发展实验基地,为构建良性发展的空间环境应用产业生态圈奠定基础。



新华网北京4月18日电(记者喻菲 王小鹏 程卓)在太空充当了12天临时实验室的实践十号卫星18日下午携带小鼠胚胎、蚕、果蝇、线虫、水稻、拟南芥等“乘客”成功降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域。

  中国航天科技集团五院实践十号卫星总设计师赵会光说,这不仅标志着中国返回式卫星迎来第二个春天,而且也成为中国首颗在四子王旗采用弹道式回收的返回式卫星。

  卫星通过太空和返回之旅严酷考验

  据悉,实践十号卫星共承载了19个实验项目,其中包括生物辐射盒、家蚕培养箱、植物培养箱、高等植物箱、胚胎培养箱在内的15台设备随着返回舱归来,而其他设备则留在太空中,继续开展3至5天的实验。

  实践十号卫星是中国第25颗返回式卫星,也是中国专门为“微重力科学和空间生命科学”实验研究量身定做的首颗“微重力”卫星,不仅利用中国成熟的返回式卫星技术,紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标,结合航天器防火等关键技术需求,在促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究方面取得了新突破,而且对于推动中国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。

  据悉,返回的11项实验载荷共计15台设备均状态良好,在经历了太空严酷的环境和返回之旅的考验之后,它们均保持了适宜的温度和相关环境。

  赵会光说:“本次卫星任务的圆满成功,验证了返回式卫星的一系列核心技术,为返回式卫星在空间科学领域的后续发展进一步拓宽了道路。”

  将研制新一代返回式卫星

  中国航天科技集团五院实践十号卫星工程总设计师唐伯昶说:“实践十号卫星的承载能力、微重力水平、实验载荷服务支持能力等均进一步提升,将成为中国新一代安全可回收、适应中长期在轨实验、应用灵活和成本低廉的空间科学实验平台。”

  “为了满足科学实验的需要,我们还要研制新一代返回式卫星。下一代返回式卫星将在能源、控制、数据管理、结构、热控等方面有比较大的改进。”一直从事返回式卫星研制工作的唐伯昶说:“我们的发展目标是安装更多的有效载荷,创造更好的微重力环境,飞行更长的时间,以获得更多更好的科学实验成果。”

  以前,中国返回式卫星落区选择在四川遂宁,而此次实践十号卫星回收场选在了内蒙古四子王旗,这是经过专家精心挑选的。

  中国航天科技集团五院实践十号卫星总指挥邱家稳介绍,经过几十年的发展,特别是改革开放以来,中国腹地四川中部的山区人员密度增大,新建房屋林立,卫星在此回收会给老百姓的人身和财产安全带来很大的威胁。此外,那里的山丘密林以及江河峡谷会给卫星寻找带来困难。针对这种情况,利用中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。

  航天器返回技术仍有诀窍

  中国是第三个突破航天器返回技术的国家。在40余年的发展历程中,返回式卫星成为中国发射最多的卫星系列。在实践十号之前,中国共研制了国土普查卫星、摄影测绘卫星、空间育种卫星等合计6种型号、24颗卫星,卫星平台经过了三代跨越。

  “返回式卫星中有许多关键技术到目前仍然是诀窍,例如再入防热技术、姿态控制、回收软着陆技术等,中国的载人航天技术也是在返回式卫星技术的基础上发展起来的。”唐伯昶说。

  赵会光说,返回式卫星作为空间科学实验平台具有独特的优势,主要体现在无人值守,具有更好微重力水平,适应载荷射前操作和适时返回支持能力强,系统规模适度,工程实施代价低等。

  近年来,返回式卫星在空间科学领域的作用得到了越来越大的发挥。据不完全统计,在实践十号之前,返回式卫星曾完成13项空间生命科学实验、7项空间材料加工实验、23次空间微重力科学实验、3次微重力测量实验,以及900多件植物种子、微生物、虫卵,100多件空间辐射剂量测量,20多件航天用器件的无源搭载实验。此外,还完成了熔体表面和液固界面特性、空间细胞培养等空间科学实验。


【航天要闻】为返回式卫星“量身定制”回收系统

2016-04-18 

我国返回式卫星回收与神舟飞船回收、嫦娥探测器回收的区别

       航天器回收着陆系统是利用降落伞等气动减速装置或缓冲气囊、软着陆支架等着陆缓冲装置,通过特定的控制手段,使需要返回或着陆的航天器按预定的程序和目的减速到规定的速度并安全着陆于地球或其他星球表面。

       返回式航天器包括载人运输飞船、深空探测返回器、返回式卫星,以及航天飞机、空天飞机等,目前可重复使用运载火箭也正在研制,也可以认为属于返回式航天器。目前,我国的返回式航天器主要有神舟飞船、嫦娥月球取样返回器以及返回式卫星。今年4月,我国首颗微重力科学试验卫星――实践十号将要发射,这也意味着我国返回式卫星沉寂十年之后再次从天外归来。那么,返回式卫星与神舟飞船、嫦娥月球取样返回器的回收有什么区别呢?

返回式卫星属于弹道式再入航天器,“装货效率”最高

       返回式航天器在返回地球的过程中要再入稠密大气层,在大气层里运动会受到空气动力的作用,而空气动力可分解为气动升力和气动阻力,升力和阻力的比值称为升阻比。根据升阻比的大小以及对升力是否控制,返回式航天器可分为弹道式、半弹道式和升力式再入航天器3种类型。航天飞机、空天飞机等属于升力式再入航天器,我国的神舟飞船以及嫦娥月球取样返回器均属于半弹道式再入航天器,而我国的返回式卫星则属于弹道式再入航天器。

      返回式卫星返回舱在大气层里运动,在其上只产生阻力而不产生升力或者产生不大的升力,而且对升力的方向不加导航控制,返回舱靠自旋转速来减小落点散布,其主要缺点就在于落点偏差大、再入制动过载较高。但是,返回式卫星亦有其突出的优点,由于再入过程在大气层里经历的时间短,气动加热总量相对小一些,防热结构相对简单,再入过程的控制也相对简单一些,因此卫星的成本相比也能更为降低。此外,返回式卫星返回舱的体积与表面积之比最大,在给定有效载荷下的结构重量最轻,也就是说在航天器相同重量的情况下返回式卫星可以装载的载荷重量是最大的,即“装货效率”最高。

返回式卫星回收系统采用“过载-时间”控制方案,组成简单高可靠

       对于回收着陆系统而言,我国返回式卫星、神舟飞船、嫦娥月球取样返回器都是采用多级降落伞装置实现气动减速,但是降落伞的开伞控制方案有较大的区别。神舟飞船、嫦娥月球取样返回器根据半弹道返回的特点,采用了压力高度控制器作为高度判断的依据,据此启动相应的回收控制程序,发出降落伞开伞以及其他装置工作的一系列指令。神舟飞船还设置了多套回收控制程序,根据返回实际情况可自动选择相应的程序。返回式卫星的开伞采取了“过载-时间”控制方案。“过载”是指物体运动的加速度与重力加速度的比值,它有方向性,与物体的加速度方向相反。研究人员发现,弹道式再入航天器的不同返回轨道其最大轴向制动过载都发生在接近的高度,因此可选择合适的过载值,启动时间控制程序打开降落伞,可以适应不同的返回轨道偏差情况。也就是说,卫星返回时只要判断达到了某个特定的过载范围,即可认为卫星下降到了对应的高度范围,并继而可以按照设定的时间序列启动一级降落伞开伞、二级降落伞开伞等程序。此种控制方案组成简单,可靠性高,适应性强,非常匹配弹道式返回的需要。

返回式卫星的降落伞“会游泳”:便于搜索打捞

        作为回收着陆系统的主要装置――降落伞,返回式卫星与神舟飞船、嫦娥月球取样返回器也有很大的一处不同。神舟飞船返回舱、嫦娥月球取样返回器可以自主漂浮,而综合多方面因素,我国返回式卫星的返回舱未设置自主漂浮功能。为了适应一旦降落在水中的漂浮标位需要,研究人员在返回式卫星的主降落伞顶部还安装了一个浮囊。利用降落伞展开时的气流,可以对浮囊进行充气。卫星一旦落入水中,只要深度不超过卫星及降落伞展开状态的全部长度(约20米),浮囊就能够确保漂浮在水面,方便地面人员的搜索和打捞。

       总之,我国返回式卫星的回收系统与神舟飞船、嫦娥球取样返回器的回收系统既有技术上的共性相通之处,又有其自身的特点,是科研人员经过大力协同、奋勇攻关,全面考虑了技术、经济、进度的可行性与合理性,根据弹道式返回的特点而“量身定制”的。508所一室  黄伟 


       航天科技集团第五研究院卫星系统总师赵会光说“十三五”期间有计划开展新一代返回式科学卫星的相关工作,延续、拓展实践十号的科学目标,目前欧空局等机构已表示希望能在新一代返回式科学实验卫星上搭载自己的项目。

     随着空间信息技术的发展,天地之间拉起了电话线、建起了信息高速路,返回式卫星的任务越来越少。除了搭乘航天员的神舟飞船,卫星一般只买“单程票”,无需通过返回来获取信息了。然而,以空间科学探测为牵引和支撑,拉动基础创新、原始创新、技术革命以及新产业发展的太空经济时代已经来临,返回式卫星又迎来新的使命。

    返回式卫星有着独特的优势,不少生物实验、生命科学实验和科学搭载实验,在轨实验后都需要返回地面进行资料分析。此外,一些短期实验样本在太空停留时间不能太长,因而相比空间站,此类实验借助返回式卫星开展更为合适。


航天专家:将继续发展返回式空间科学实验卫星

2016年04月06日 12:53 来源:中国新闻网

  中新社甘肃酒泉4月6日电 (张素 郭兆炜)继2006年发射“实践八号”后,时隔10年,2016年4月6日中国再度发射返回式卫星“实践十号”。记者采访了来自中国航天科技集团公司第五研究院的卫星系统及卫星平台研制者。

  自中国启动返回式卫星研制计划以来,五院在40年间研制了7个型号三代返回式卫星,应用在城乡规划、水利建设、地质资源勘探、地图修测、考古等领域。随着空间信息技术的发展,中国在天地间建起了“信息高速路”,返回式卫星的任务减少。

  五院“实践十号”卫星总设计师赵会光表示,在中国航天器研制史上,返回式卫星起步早、实施次数多、成功概率高。2006年,返回式卫星被赋予空间育种的新使命。“返回式卫星有着独特优势,比如生物实验、生命科学实验和科学搭载实验,在轨实验后都需要返回地面进行直接分析。”他说。

  2012年,随着实践十号返回式科学实验卫星项目正式批复立项,返回式卫星也“重出江湖”。

  赵会光介绍,针对“实践十号”完全聚焦于空间科学领域的特色,研制人员在热控、微重力、供电能力、回收保温等方面进行升级。比如对控制系统和推进系统进行“换血”,使用一体化红外地球敏感器、一体化太阳敏感器等。再如为舱体制备了防摩擦和耐热的特殊材料。

  “新产品在性能和可靠性上有了大幅提高,提升了卫星整体操控性和安全性,而且通过高集成度设计方式,在体积和重量上大幅下降,留出更为充裕的搭载空间。”五院“实践十号”控制系统主任设计师战毅对中新社记者说。

  赵会光表示,美国通过发射返回式卫星,为推进“阿波罗计划”、发展航天飞机积累了丰富的再入返回经验,“现在继续支持民企积累相关技术”。

  五院院长张洪太对中新社记者说,中国航天工作者研制空间微重力卫星平台的相关技术已达到世界先进水平,可适用于不同用户的需求。“下一步,我们将大力发展航天器产品低成本技术和可重复使用技术,继续发展返回式空间科学实验卫星和更高分辨率的返回式遥感卫星。”他说。(完)


可重复使用:火箭可以,卫星行不行 

赵会光 唐伯昶  日期 : 20160130

        核心提示

        当可重复使用火箭的成与败被媒体炒得如火如荼之际,人们不禁要问,曾经辉煌的返回式卫星,是否也能走上可重复使用之路……


        图为在中国人民革命军事博物馆展出的我国返回式卫星


        图为美国KH-7返回式侦查卫星


        图为俄罗斯“光子”M4返回式生物科学卫星

        “前浪”并未被拍死沙滩上

        返回式卫星是人类航天史上起步较早、研制与发射较多的一类航天器,其突出特点是具有返回功能,在完成一定时间在轨运行后,能够利用卫星的回收舱携带部分设备安全返回地面。

        也许大家有所了解,传统意义上的返回式卫星特指在近地轨道运行的无人返回型航天器。美国、苏联、中国、日本等国家均曾成功或部分成功地研制了返回式卫星,其中美国、苏联和中国是世界上公认的最先且比较充分地掌握卫星返回技术的国家。

        多年来,返回式航天器技术发生了极为深刻的转变,典型代表有美国的阿波罗飞船、俄罗斯的联盟号飞船、日本隼鸟返回器和中国的神舟号飞船等。再入返回方式由简单可靠的弹道式再入发展至弹道升力式返回,及至支持水平定点着陆的升力式返回。当然,其他相应技术也都取得了显著进步。

        仅以中国为例,已是“不惑”之年的返回式卫星为我国国民经济建设以及百姓生活立下了赫赫战功。该类卫星以胶片回收型遥感方式完成了大量国土普查与详查、地形测绘等飞行任务,获得了大批有价值的遥感资料。在特定历史时期,返回式卫星取得了显著的经济效益和社会效益。

        随着航天技术的进步和航天任务的多样化,原来用于对地遥感、大地测量的返回式卫星逐渐被无线遥感传输手段所替代。

        不过这种“长江后浪推前浪”的发展趋势并没有让返回式卫星这位“业界前辈”太焦虑,因为即便是传统的返回式卫星仍然凭借其系统简单可靠、成本低、应用便捷等优势成为一种有效的空间服务手段,并广泛应用于空间微重力实验、空间生命科学实验、新技术试验等领域。

        目前,空间科学先导专项支持的我国首颗返回式微重力科学试验卫星正处于研制阶段。

        当然,返回式卫星的这种“自信”并不盲目,因为它作为空间科学试验平台具有独特的优势,主要体现在无人值守、具有更好的微重力水平、适应载荷射前操作和适时返回支持能力强、系统规模适度及工程实施代价低等方面。

        当前,返回式卫星仍然保持着多舱构型、无整流罩发射、部分返回、弹道式再入的技术状态。随着具有返回需求的空间任务需求日益旺盛,返回式卫星面临着更低成本、更强返回能力、更好在轨服务能力的发展要求。

        “业界大佬”的第二春

        如今,一度门庭冷清的返回式卫星或将迎来自己的“第二春”。恰逢此时,可重复使用的概念为返回式卫星带来了新机遇。

        近年来,可重复使用火箭得到了国内外航天领域的广泛关注,其发展的核心意图在于降低成本、增强效用。随着防热、控制、回收、热控、减隔振等技术的发展,返回式卫星迈向可重复使用的技术基础也日渐成熟。

        和可重复使用火箭相比,返回式卫星可重复使用的起步要晚一些,也“低调”一些。

        据相关科研工作者介绍,未来,可重复使用卫星将采用可维护防热结构、可复用产品、弹道升力式再入、大回收舱与小留轨舱构型、近无损回收等技术,打造可重复使用卫星平台,规范载荷适配接口及优化研制模式,适应快速研制和发射实施,以较低的经费代价,具备1次研制投入适应10次~20次飞行的可重复使用能力,这不仅能够极大促进空间科学等应用领域持续发展,也是拓展各国返回式卫星商业应用的必由之路。

        重复使用要跨几座“山”

        对于卫星“可重复使用”这个目标来说,返回式卫星是具有先天优势的。

        返回式卫星不仅能够满足空间科学实验项目的返回需求,也使得卫星平台能够在完成轨道飞行任务后重返地面。而从执行一次或多次任务后重复使用角度来说,返回式卫星内在具有“重复使用”的先决条件,可以通过系统合理设计铸造返回式卫星的重复使用能力,有望成为降低这类航天器单次任务成本的重要手段。

        然而,发展可重复使用的返回式卫星,其本质就是要建立起成本上的竞争力。如果不能节约单次任务成本,返回式卫星向可重复使用方向发展也就没有意义了。那么,如何营造具有成本竞争力的可重复使用返回式卫星呢?

        从整体上来说,要建立发射、回收、测控及卫星研制全成本模型,以评估返回式卫星可重复使用的能力定位,如重复使用次数、有效载荷的返回承载能力。

        从卫星研制模式来看,要研究科学、高效、成本匹配的可重复使用返回式卫星研制模式。在元器件选用及质保规范、单机研制及鉴定规范等方面进行针对性定制,剔除不必要的研制验证环节。

        另外,返回式卫星拥有可重复使用能力的关键是要实现近乎完美的无损回收和防热结构可维护。其次是防热结构的可维护性,其主要目的是适应一次再入后损伤性防热结构的更换与维护问题。

        此外,可重复使用返回式卫星的潜在应用范围可能很广,所以这种卫星的平台安装操作、供电、温控等服务能力要满足规范性、可扩展性、应用便捷性、技术先进、运行可靠等要求。

        对于返回式卫星来说,可重复使用让它们再次“闻”到了春天的气息。


院成功举办可重复使用返回式卫星发展研讨

来源:CAST  更新时间:2016年01月11日

         近日,可重复使用返回式卫星发展研讨会在白石桥中礼堂成功召开,本次研讨会由五院主办,总体部承办,李明副院长主持。

        应邀出席大会的有王希季院士、胡文瑞院士、李仲平院士,科技部高新司、科技部遥感中心等上级机关,农业部、林业局、航天员科研训练中心等单位的领导和专家,80余名专家学者济济一堂,畅所欲言。

       本次会议正值我国首颗返回式卫星成功40周年之际,李明副院长回顾了返回式卫星的发展历程,并介绍了大会的基本情况。随后,6位专家先后以《中国返回式卫星成功四十年等为题,做了精彩的特邀报告,令大家受益颇深。

        在会议专题报告环节,与会专家针对空间技术试验规划,空间微重力环境对材料、动植物、微生物的影响,载人航天生命保障、空间生物医学、航天育种等对返回式卫星的需求,可重复使用返回式卫星平台关键技术,回收技术等相关领域,进行了广泛而深入的研讨。

         本次研讨会回顾了返回式卫星的发展历程,总结了返回式卫星取得的重要成就,深入研讨了我国可重复使用返回式卫星的发展途径。会议的成功举办,搭建了主管机关、研制单位、用户、高校院所之间的交流平台,对推动可重复使用返回式卫星技术的发展意义重大。


可重复使用返回式卫星参数——Reusabl Fanhui Shi Weixing (FSW)

重量:约3吨;

有效载荷:500kg,500W;

在轨时间:15天~6个月; 

重复使用次数:20;

重复使用率: 80%; 

维护时长:3个月;

轨道高度:500公里

着陆速度:小于 5米/秒

         The satellite consists of two cabins, namely, the recovery capsule and the power & propulsion module.

         The recovery capsule is the main part ofthe satellite and the major part of the electronic equipment and all payloads areinstalled in the recovery capsule. 

        The small power & propulsion module is installed in the rear end of the recovery capsule and it integrates the functions of both thepropulsion subsystemand thepower subsystem. 

       Overall weight of the satellite is 3000kg, with the propulsion module amounting to 700kg, the recovery  capsule amounting to 2300kg, and the recovery payloadsamounting to 500kg.

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