唐伯昶 （中國(guó)空間技術(shù)研究院）

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“實(shí)踐”中的創(chuàng)新

唐伯昶 （中國(guó)空間技術(shù)研究院）

1 引言

2016年4月6日，長(zhǎng)征-2D運(yùn)載火箭穿云破霧，將我國(guó)第25顆返回式衛(wèi)星送入傾角為43°的近圓軌道，進(jìn)行中國(guó)空間科學(xué)新的實(shí)踐，衛(wèi)星名稱為實(shí)踐-10。

中國(guó)返回式衛(wèi)星有著悠久的衛(wèi)星工程歷史，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制發(fā)射，到實(shí)踐-10，這是第25顆、第7種型號(hào)的返回式衛(wèi)星了。其中，1974年發(fā)射的第1顆返回式衛(wèi)星因?yàn)檫\(yùn)載火箭失利，沒(méi)能進(jìn)入預(yù)定軌道；1993年我國(guó)的第15顆返回式衛(wèi)星，因衛(wèi)星自身故障，回收艙沒(méi)有返回地球。從整個(gè)衛(wèi)星工程來(lái)說(shuō)，我國(guó)返回式衛(wèi)星成功率達(dá)到92%，無(wú)論是運(yùn)載火箭還是衛(wèi)星，在世界上這都是值得稱道的成績(jī)！

實(shí)踐-10衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)

2 技術(shù)創(chuàng)新

這次，實(shí)踐-10裝載了比以前衛(wèi)星要多得多的實(shí)驗(yàn)有效載荷，是由中國(guó)科學(xué)院和一些大學(xué)提出的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，其中需要回收的有11項(xiàng)，不需回收的有8項(xiàng)。實(shí)踐-10繼承了原返回式衛(wèi)星平臺(tái)的成熟技術(shù)，在繼承技術(shù)的同時(shí)，也進(jìn)行了不少技術(shù)創(chuàng)新。

需要回收的11個(gè)實(shí)驗(yàn)載荷裝在回收艙。回收艙因?yàn)橐祷氐厍?，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上最外層為很薄的熱控涂層，再里層為燒蝕材料，以適應(yīng)再入的氣動(dòng)加熱，這種材料的熱傳導(dǎo)性能差，也就是說(shuō)內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱不易散到艙外。過(guò)去的返回式衛(wèi)星回收艙發(fā)熱量為幾十瓦的量級(jí)，而本次為300多瓦，高出1個(gè)量級(jí)。要把這些熱散出艙外，用原來(lái)返回式衛(wèi)星儀器艙裝風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)流換熱的辦法解決不了問(wèn)題，需要在熱控措施上作技術(shù)創(chuàng)新。改進(jìn)的辦法有幾種，包括熱管、流體回路等，總體權(quán)衡各種因素后，決定用流體回路的熱控措施。

何謂流體回路？就是將發(fā)熱的儀器設(shè)備裝在一塊冷板上，冷板里有液體流過(guò)，由泵使液體循環(huán)到衛(wèi)星艙外朝向冷空間一邊的輻射器，使熱散出，之后液體再流回冷板，形成一種循環(huán)。這和電冰箱將熱傳到箱外大致相似，只不過(guò)電冰箱是壓縮工質(zhì)，截流膨脹，而衛(wèi)星是利用背陰的輻射器將熱散到太空。這是一種很有效的主動(dòng)熱控技術(shù)，在飛船上使用過(guò)。這次將流體回路技術(shù)用到返回式衛(wèi)星上，要解決幾方面的問(wèn)題。

3 技術(shù)難點(diǎn)

首先要解決冷板設(shè)計(jì)制造的難題。飛船上使用過(guò)的冷板是一小塊一小塊串接起來(lái)的，但返回式衛(wèi)星上的回收艙設(shè)備多，所以需要將設(shè)備裝在一塊大的冷板上?？梢哉f(shuō)，這次實(shí)踐-10上的冷板是目前為止中國(guó)航天器上最大的一塊冷板，解決了工藝上的諸多難題才制造成功。

其次是要解決流體回路管路系統(tǒng)的艙段分離問(wèn)題。因?yàn)樾l(wèi)星有2個(gè)艙段分離面，返回過(guò)程中要隨著一次分離和二次分離一起，使管路分開(kāi)而不造成對(duì)星體的不利影響。例如，一次分離不能對(duì)返回艙造成姿態(tài)干擾。因?yàn)樾l(wèi)星一次分離后，緊接著是制動(dòng)火箭點(diǎn)火，使衛(wèi)星脫離運(yùn)行軌道再入地球大氣層。這個(gè)制動(dòng)方向是分離前由姿態(tài)控制確定的，如果流體回路在分離時(shí)對(duì)返回艙姿態(tài)產(chǎn)生干擾，可以說(shuō)“差之毫厘，失之千里”，制動(dòng)火箭的推力方向就偏了，回收艙就不能準(zhǔn)確地落到預(yù)定的回收區(qū)。解決的辦法是通過(guò)火工裝置解鎖機(jī)構(gòu)，在艙段分離前使流體回路管路斷接器提前解鎖，到艙段正式分離時(shí)，就不會(huì)對(duì)返回艙制動(dòng)前的姿態(tài)產(chǎn)生干擾了。至于第二次分離，因?yàn)橹苿?dòng)火箭點(diǎn)火結(jié)束以后，飛行彈道已確定，對(duì)回收艙產(chǎn)生的干擾只對(duì)大氣阻力系數(shù)、靜穩(wěn)定性過(guò)程等造成影響，彈道可以看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的飛行彈道。針對(duì)此分析，二次分離時(shí)采用壓緊彈簧使之分開(kāi)的機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠。

第三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是供電問(wèn)題。所有中國(guó)返回式衛(wèi)星都是用的蓄電池。早期全部是鋅銀電池，從2003年發(fā)射的返回式衛(wèi)星開(kāi)始，使用了比能量比鋅銀電池更高的鋰亞硫酰氯電池（亦簡(jiǎn)稱鋰電池，是一種與鋰離子電池不同的電池）。當(dāng)時(shí)4年發(fā)射的6顆返回式衛(wèi)星只有熱控分系統(tǒng)用鋰亞硫酰氯電池，平臺(tái)測(cè)控、控制及有效載荷等分系統(tǒng)仍然使用鋅銀電池。這次實(shí)踐-10由于載荷的能源需求大，衛(wèi)星除返回相關(guān)的是4塊鋅銀電池外，其他全部是鋰亞硫酰氯電池。采取鋰電池兩條28V母線儀器艙和回收艙統(tǒng)一供電的體制，以便最有效地使用鋰電池的電量。飛行試驗(yàn)說(shuō)明，大規(guī)模地使用高比能量的鋰電池在返回式衛(wèi)星上獲得成功。

返回式衛(wèi)星不用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，是因?yàn)榭臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)飛行時(shí)間一般要求短，加之用蓄電池?zé)o太陽(yáng)電池翼控制時(shí)產(chǎn)生的干擾力，可使星上微重力保持比較高的水平，對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有利。

第四個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是有效載荷的射前安裝問(wèn)題。19臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷中，有8臺(tái)需要在發(fā)射前裝在回收艙里，緊接著發(fā)射入軌開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在過(guò)去返回式衛(wèi)星的搭載試驗(yàn)中也安裝過(guò)生命類載荷，也是發(fā)射前在塔上安裝，但沒(méi)有實(shí)踐-10搭載得多。因此，就需要射前打開(kāi)回收艙的頭殼，拉起儀器盤，才能裝入回收艙。發(fā)射塔頂端有一臺(tái)起吊運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的大吊車，過(guò)去用這臺(tái)大吊車起吊過(guò)衛(wèi)星的回收艙，這樣做必須射前將發(fā)射塔密封間頂蓋吊起，再吊衛(wèi)星回收艙頭殼和儀器盤。起吊就要花費(fèi)2h以上。這次載荷多，這樣在起吊安裝時(shí)間上已不允許。對(duì)此，工程總體組織衛(wèi)星和發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)以及負(fù)責(zé)塔架維護(hù)改造的工程設(shè)計(jì)所，進(jìn)行了射前吊裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)。在塔上衛(wèi)星密封間內(nèi)新增一臺(tái)小型起吊設(shè)備，可以在密封間內(nèi)方便地操作。從而免去使用大吊車的動(dòng)作，使射前安裝工作可以按時(shí)完成。

對(duì)生命載荷射前的準(zhǔn)備和安裝，衛(wèi)星和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了周密策劃和操作演練。為了適應(yīng)射前方便安裝，將回收艙內(nèi)底儀器盤向上抬高500mm，用3根支桿固定。此操作也離不開(kāi)塔上密封間的起吊設(shè)備，另外還要考慮電纜和流體回路管路的拉伸余量。對(duì)于有效載荷生物樣品，射前許多天就要開(kāi)始細(xì)胞培養(yǎng)和植物育芽準(zhǔn)備等工作，到塔上最后安裝完畢進(jìn)入發(fā)射倒計(jì)時(shí)，按時(shí)按刻地開(kāi)展工作，做到了有條不紊，無(wú)一差錯(cuò)，為生命科學(xué)載荷的在軌實(shí)驗(yàn)打下了良好基礎(chǔ)。

第五個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是有效載荷中生物樣品的溫度維持。一般細(xì)胞和植物，都對(duì)溫度環(huán)境有比較嚴(yán)格的要求，大致和人體體溫差不多的37℃左右，控制方法是將環(huán)境溫度控制在20多度，由各設(shè)備自行加溫到37℃；若艙內(nèi)溫度太高，各設(shè)備則需用半導(dǎo)體降溫的方法降溫到37℃左右。在星上，由熱控分系統(tǒng)通過(guò)流體回路把溫度控制好。這次飛行試驗(yàn)，回收艙生物設(shè)備的環(huán)境溫度基本維持在20～21℃左右。除了星上溫度控制外，還要考慮回收艙再入氣動(dòng)加熱和地面的溫度控制。要求在回收艙落地后盡快將實(shí)驗(yàn)樣品交給用戶，時(shí)間不要超過(guò)3h。通過(guò)回收區(qū)搜尋、現(xiàn)場(chǎng)處置、吊運(yùn)到回收艙各個(gè)環(huán)節(jié)的周密策劃，實(shí)現(xiàn)了這一難以控制的目標(biāo)，因?yàn)榛厥张搹穆涞氐脚擉w拆分，有很多未知的因素難以控制。這次實(shí)踐-10回收后的過(guò)程控制得很好，從四子王旗落地到直升機(jī)運(yùn)到朱日和鎮(zhèn)大約2.5h，這樣就保證了不因地面處置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使生物樣品的溫度超出要求的范圍，落地后的環(huán)境控制和處置時(shí)間控制完全符合實(shí)驗(yàn)樣品的要求。

4 對(duì)成熟技術(shù)的繼承及需要注意的問(wèn)題

實(shí)踐-10在人們心目中是繼承返回式衛(wèi)星的成熟技術(shù)，輕車熟路、按部就班就可以完成任務(wù)。實(shí)際上并非如此簡(jiǎn)單。除測(cè)控、結(jié)構(gòu)、回收等分系統(tǒng)外，包括數(shù)管、控制、推進(jìn)等，都與2003-2006年發(fā)射的返回式衛(wèi)星有很大的改進(jìn)。如原來(lái)有遙測(cè)、遙控、程控分系統(tǒng)，這顆衛(wèi)星綜合到一起，改為數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)。雖然數(shù)管分系統(tǒng)在“資源”衛(wèi)星上是成熟技術(shù)，但用到返回式衛(wèi)星上就有很多問(wèn)題需要考慮。

控制分系統(tǒng)有比較多的模塊是“遙感”等其他航天器型號(hào)的，推進(jìn)包括姿控和軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，原來(lái)是氮?dú)庾髯丝貓?zhí)行機(jī)構(gòu)工質(zhì)，軌控用20N單組元發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在姿控也改成1N的單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。由原來(lái)的“冷氣”加“熱氣”，改為全部用“熱氣”。如前所述，熱控的流體回路雖然在飛船等型號(hào)上部件是成熟技術(shù)，但這次在返回式衛(wèi)星上就不是簡(jiǎn)單地借用了。

以上這些繼承其他航天器型號(hào)的成熟技術(shù)，要特別注意返回式衛(wèi)星使用與其他型號(hào)的差別。比如數(shù)管，傳輸遙感型號(hào)一般沒(méi)有艙段分離環(huán)節(jié)，要考慮整星構(gòu)成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與各艙段各自形成系統(tǒng)的差別。這次實(shí)踐-10主要借鑒飛船和月球探測(cè)器的系統(tǒng)構(gòu)成，儀器艙設(shè)中控采編單元，返回艙設(shè)回收艙管理單元，與數(shù)管的中心處理單元、遠(yuǎn)置單元一起，既可以組成整星互為備份的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，又可以在艙段分離后各自形成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。組成靈活，冗余設(shè)計(jì)，提高了可靠性。

5 航天器的可重復(fù)使用成果

航天器的重復(fù)使用，當(dāng)前在世界航天領(lǐng)域是個(gè)熱點(diǎn)。在中國(guó)航天界，重復(fù)使用的返回式航天器大有前途，包括返回式衛(wèi)星和飛船。過(guò)去，我們開(kāi)展過(guò)遙控、雷達(dá)應(yīng)答機(jī)一類返回式衛(wèi)星經(jīng)飛行返回地面產(chǎn)品的重復(fù)使用，這次我們開(kāi)展了比較大規(guī)模的重復(fù)使用嘗試。利用過(guò)去返回式衛(wèi)星和飛船回收的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品保證的考核試驗(yàn)，再一次用到實(shí)踐-10上，取得了彌足珍貴的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于空間飛行條件要求不高、飛行時(shí)間不長(zhǎng)的航天器，一臺(tái)設(shè)備可以多次上天使用，這在工程上是很大的創(chuàng)新。

衛(wèi)星設(shè)備重復(fù)使用的大規(guī)模試驗(yàn)

實(shí)踐-10的另一大技術(shù)進(jìn)步是航天器的可重復(fù)使用成果，實(shí)踐-10這次進(jìn)行了衛(wèi)星設(shè)備重復(fù)使用的大規(guī)模試驗(yàn)。

首先，在結(jié)構(gòu)上，返回部分許多結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，過(guò)去我們進(jìn)行過(guò)回收艙井字梁的重復(fù)使用，這次將原返回式衛(wèi)星收回來(lái)的穩(wěn)定裙球底進(jìn)行了重復(fù)使用。具體做法是將原舊球底的外表進(jìn)行清洗處理，經(jīng)相關(guān)的材料和結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)合格，確認(rèn)該設(shè)備可以用于本次飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該球底完全滿足使用要求，估計(jì)還可以用于后續(xù)相同型號(hào)的回收艙。

其次，這次還較大規(guī)模地進(jìn)行了電子設(shè)備的重復(fù)使用。其中有過(guò)去返回式衛(wèi)星返回地面的C頻段應(yīng)答機(jī)（雷達(dá)應(yīng)答機(jī)），在實(shí)驗(yàn)室存放10多年后，按質(zhì)量保證條件進(jìn)行相關(guān)的檢查和試驗(yàn)，確認(rèn)可以重復(fù)上星使用。這次上星使用后，很好地完成了回收艙返回軌道的跟蹤測(cè)角測(cè)距，為返回落地點(diǎn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)起了重要作用。

除返回式衛(wèi)星使用過(guò)的外，這次使用得較多的是原飛船回收的設(shè)備或飛船做過(guò)試驗(yàn)的設(shè)備。比如，回收243信標(biāo)機(jī)、遙控解調(diào)器、中控采編單元、數(shù)管CTU、RTU等，這些設(shè)備在別的航天器上沒(méi)有重復(fù)使用過(guò)。總體單位和設(shè)備研制單位共同協(xié)商，制定了產(chǎn)品的質(zhì)量保證要求文件。按要求進(jìn)行了相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)，最后參加整星的AIT和發(fā)射場(chǎng)測(cè)試，飛行試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，這些設(shè)備工作可靠，很好地完成了在軌試驗(yàn)和回收任務(wù)。

對(duì)航天器重復(fù)使用的全面認(rèn)識(shí)

經(jīng)返回式衛(wèi)星，特別是實(shí)踐-10的實(shí)踐，我們對(duì)航天器重復(fù)使用有了較全面的認(rèn)識(shí)。

一方面，經(jīng)過(guò)飛行返回地面的產(chǎn)品，一般在軌時(shí)間都不是很長(zhǎng)，如返回式衛(wèi)星，中國(guó)最長(zhǎng)的是1個(gè)月左右，國(guó)外也不過(guò)1～2個(gè)月，與產(chǎn)品的壽命期還差得比較多，經(jīng)過(guò)幾次使用，也不會(huì)超過(guò)遙感衛(wèi)星的3～4年，更達(dá)不到通信衛(wèi)星的8年壽命，因此可以大膽地使用。從這方面說(shuō)，重復(fù)使用是降低成本、縮短研制周期的一個(gè)重要手段，大有可為。

另一方面，產(chǎn)品的重復(fù)使用是有限度的。拿返回式衛(wèi)星作例子，它分為儀器艙和返回艙兩大部分。返回艙又分為回收艙和制動(dòng)艙，最后軟著陸可安全回收的是回收艙，質(zhì)量不到整顆衛(wèi)星的50%（實(shí)踐-10不到30%），初步估算經(jīng)濟(jì)價(jià)值也到不了50%。儀器艙的結(jié)構(gòu)、控制、能源等大的分系統(tǒng)設(shè)備不能回收，最后都在再入大氣時(shí)燒毀；制動(dòng)艙結(jié)構(gòu)和制動(dòng)火箭及其他設(shè)備也是再入大氣后燒毀。只有回收艙的金屬結(jié)構(gòu)、大的直屬件和電子設(shè)備可以在回收后重復(fù)使用。估計(jì)飛船能重復(fù)使用的也大致如此。

總之，航天器的重復(fù)使用是節(jié)約成本、縮短研制周期的手段，不是目的，不要為了重復(fù)使用而使用回收的產(chǎn)品。如果返回的產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和試驗(yàn)的費(fèi)用還不如進(jìn)行一次批量生產(chǎn)合算，那就不要重復(fù)使用了。

他山之石，可以攻玉。實(shí)踐-10是集他山之瑰玉，形成技術(shù)創(chuàng)新的新機(jī)體?？梢哉f(shuō)實(shí)踐-10不是原返回式衛(wèi)星的老叟，而是集創(chuàng)新于一體的青年。研制隊(duì)伍中許多人都說(shuō)，想要研發(fā)新一代可重復(fù)使用的返回式衛(wèi)星，后面我們要怎樣做？完成實(shí)踐-10飛行任務(wù)后我們心里就有底了。

吊運(yùn)實(shí)踐-10準(zhǔn)備試驗(yàn)

6 未來(lái)設(shè)想

作為下一代返回式衛(wèi)星，我們正在考慮重復(fù)使用的問(wèn)題?？梢钥紤]從以下幾個(gè)方面盡可能多地重復(fù)使用返回的設(shè)備：一是結(jié)構(gòu)?；厥张摶厥蘸?，其頭殼和穩(wěn)定裙可以將外層燒蝕損壞的部分去掉，將金屬殼體處理干凈，再纏繞燒蝕材料；球底可以處理干凈外層非金屬材料，然后再進(jìn)行防熱涂敷，作為下一次使用；回收艙內(nèi)部的儀器盤和二平臺(tái)及其他支架直屬件原則上都可以重復(fù)使用。二是分系統(tǒng)在艙內(nèi)的布局設(shè)計(jì)改進(jìn)。可以考慮將原裝在儀器艙的控制分系統(tǒng)的貴重設(shè)備裝在回收艙，如陀螺、控制計(jì)算機(jī)等。其他數(shù)管、測(cè)控等分系統(tǒng)，可以都裝到回收艙里。三是進(jìn)行重復(fù)使用的研究。原則上回收艙的電器設(shè)備，經(jīng)產(chǎn)品保證后都可重復(fù)使用；降落傘一類設(shè)備，爭(zhēng)取像航空降落傘那樣重復(fù)使用。四是有效載荷。可以做成重復(fù)使用機(jī)箱的，按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，如需要溫度控制的生物類實(shí)驗(yàn)設(shè)備就可以做成重復(fù)使用的產(chǎn)品。五是進(jìn)行通用產(chǎn)品與其他航天器型號(hào)的重復(fù)借用。像這次實(shí)踐-10一樣，飛船返回的產(chǎn)品在返回式衛(wèi)星上也可重復(fù)使用。

我國(guó)返回式衛(wèi)星功不可沒(méi)，返回式衛(wèi)星技術(shù)仍然具有旺盛的生命力和廣闊的使用前景。讓我們?cè)趯?shí)踐中不斷創(chuàng)新，使返回式衛(wèi)星技術(shù)更好地為科學(xué)實(shí)驗(yàn)及其他領(lǐng)域服務(wù)。

Innovation in SJ-10 Satellite