返回式衛星（Returnable Satellite），是指在軌道上完成任務后，有部分結構會返回地面的人造衛星。
1960年8月10日，美國發射了“發現者”13號衛星，屬于“發現者”號系列返回式偵察衛星，之后繼續研制了“鎖眼”1號到9號系列。蘇聯于1962年4月開始發射返回式偵察衛星，包括“天頂”和“琥珀”兩個系列，并同時研制了用于微重力試驗的“光子”號衛星等。1965年，中國科學院提出人造衛星規劃建議，同年，周恩來總理批準該建議，以應用衛星為主，特別是返回式遙感衛星。1970年，周恩來總理宣布返回式遙感衛星為國家重點工程。1974年，首顆返回式遙感衛星完成測試，但首次發射因技術故障失敗。經質量提升運動后，1975年第二次發射成功，雖回收時偏離航線，但仍成功回收，成為中國太空里程碑。截至2016年，中國已成功研制并發射實施了25顆返回式衛星。
返回式衛星具有多重功能：它作為觀測地球的平臺，獲取對地觀測信息供地面研究；作為微重力試驗平臺，支持空間科學實驗與特種材料制造；利用空間條件進行植物育種等應用；同時為載人航天和空間探測器技術提供經驗積累。
歷史沿革
國際
美國
1960年8月10日，美國發射了返回式偵察衛星“發現者”號衛星系列的“發現者”13號衛星，隨后又研制了“鎖眼”號衛星系列的“鎖眼”1號到9號返回式偵察衛星。
蘇聯
蘇聯于1962年4月開始發射返回式偵察衛星，部署了“天頂”號衛星和“琥珀”號衛星兩個返回式偵察衛星系列。蘇聯還同時研制了“光子”號衛星等用于微重力試驗的返回式衛星。
中國
1965年7月，中國科學院提出了《關于發展我國人造衛星工作的規劃建議》，計劃十年內發射20顆衛星及飛船，其中包括6顆代號為“解放”的返回式衛星。同年8月，周恩來總理主持中央專委會議，討論并原則批準了人造衛星規劃建議，明確以應用衛星為主，特別是返回式遙感衛星。
1966年10月27日，中國成功進行了導彈核彈試驗，實現了核爆炸，標志著中國擁有了可用于實戰的核導彈。隨后，錢學森提出加速返回式遙感衛星研制以適應國際形勢的需求。1967年，中央軍委決定集中科技力量，加速空間技術發展，并于1968年成立空間技術研究院，由錢學森兼任院長。研究院在研制東方紅一號和實踐一號衛星的同時，也在返回式遙感衛星研制上取得進展。1970年6月5日，周恩來總理聽取了錢學森等人關于返回式遙感衛星研制情況的匯報，宣布其為國家重點工程項目。
返回式遙感衛星的研制工作由空間技術研究院牽頭，涉及全國16個省市自治區的81個單位。然而，受“文化大革命”干擾和技術難題影響，研制進度多次受阻，直至1974年才具備發射條件。1974年6月，首顆返回式遙感衛星完成總裝測試，同年11月5日，CZ-2發射可回收地球衛星的首次嘗試因陀螺儀到控制系統的導線斷裂而失敗，引發巨大火球爆炸。隨后展開為期一年的質量提升運動，改進后的火箭命名為CZ-2C。1975年11月26日，第二次發射成功，第一顆返回式衛星從酒泉市升空，經多級點火與分離，最終將衛星送入軌道。然而，因氣體定向系統壓力下降，衛星回收時偏離航線，返回艙嚴重燒灼，但仍成功回收，成為中國的太空里程碑。
從2003年1月至2005年8月，中國酒泉衛星發射中心成功完成了FSW-3和FSW-4系列共5顆衛星的發射任務。FSW-3系列的FSW-3(01)在2003年11月3日15:20:04發射，并于11月21日回收；FSW-3(02)于2004年9月27日16:00:04發射，10月15日回收；FSW-3(03)則在2005年8月29日16:45:04發射，9月16日回收。FSW-4系列中，FSW-4(01)于2004年8月29日15:50:05發射，9月25日回收；FSW-4(02)在2005年8月2日15:30:03發射，8月29日回收。
2006年9月9日，中國將"實踐八號"育種衛星送入預定軌道，這是中國首顆專門用于航天育種研究的返回式技術試驗衛星，搭載了糧、棉、蔬菜、花卉等9大類2000余份約215千克農作物種子材料，用于進行空間環境下的誘變飛行試驗。2016年4月6日，“實踐十號”微重力科學實驗衛星在酒泉市由“長征二號丁”火箭成功發射，該衛星利用太空中的微重力環境完成了涉及多個科學領域的實驗。4月18日，“實踐十號”返回式科學實驗衛星成功回收。
技術方案
中國
中國返回式衛星膠片回收方案有三種，其中返回艙制動回收因技術簡單、風險小、成本低而被選為最佳方案。該方案將衛星分為返回艙和儀器艙，完成攝影任務后，攜帶膠片片盒的返回艙以彈道式再入方式返回地面，并用降落傘回收，儀器艙則留在軌道上。這種方案既實現了有效載荷集中布置，又解決了返回環境適應問題。此外，中國返回式衛星一般運行在低軌道，為了短時間內完成拍攝任務，采用了易于實現的棱鏡掃描式全景相機，它具有攝影覆蓋面積大、成像速度快等優點，成為發展航天相機的突破口。
中國成功發射了多顆返回式衛星，這些衛星在低地球軌道上運行，采用三軸穩定方式控制姿態，主要用于國土普查。它們搭載了可見光地物相機和恒星相機，分別用于對地攝影和對天空攝影，以獲取地球遙感資料和確定攝影時刻的姿態。完成任務后，攜帶有地物相機和恒星相機膠片的片盒隨返回艙一同在預定地區回收。
美國
美國返回式衛星具備光電式和膠片式兩種成像模式，分別用于普查和詳查最高分辨率0.3米。普查相機圖像傳輸回地面，經判讀發現有價值目標，再利用詳查膠片相機拍攝，定期返回地面回收。星上配有4~6個膠片回收艙。
蘇聯
蘇聯返回式衛星采用相同的返回和服務模塊。返回艙是一個直徑2.3米的球形，內裝有攝像系統、飛行動力、導航航標、降落傘和防振系統，質量約為2400千克。服務模塊包括電池、電子設備、定位系統和液體燃料火箭發動機。偵察任務完成后，衛星制動減速，返回艙分離后再入，利用大氣阻力進一步減速，接近地面時打開降落傘著陸。衛星在軌總長度約為5米，總質量在4600千克至6300千克之間。衛星返回艙帶有膠卷和照相機，并將它們保持在溫度受控的加壓環境中，雖然增加了衛星的質量，但是簡化了照相系統的設計和建造，具有相機可以重復使用的優點。
主要用途
返回式衛星具備多重重要用途。首先，它作為觀測地球的空間平臺，能夠獲取豐富的對地觀測信息資料，并帶回地面進行深入的分析處理和研究。其次，它作為微重力試驗平臺，充分利用微重力條件，開展空間生命科學、空間物理科學實驗研究，并制造地面條件下難以制取或獲取的特種特效藥品和高性能材料。此外，返回式衛星還利用空間獨特的微重力和輻照條件，進行植物育種及微生物工程等空間應用。最后，它也為載人航天和空間探測器的進入、下降和著陸技術積累了豐富的技術經驗。
關鍵技術
返回式衛星的任務是衛星完成在軌觀測和科學試驗后，準確、安全、快速地獲得試驗成果。因此確定了衛星返回的目標要素就是：精確調姿、準時離軌、正常再入、可靠減速、準確標位、安全著陸、及時發現、快速回收。
精確調姿
精確調整返回姿態是衛星返回的首要環節，它涵蓋了起始姿態和制動角的設定。中國返回式衛星在運行階段采用三軸穩定姿態，即X軸指向飛行方向，Z軸指向地心，Y軸則指向前進的右側，這種姿態的指向精度通常保持在0.5°以內。
準時離軌
要使具有第一宇宙速度環繞地球旋轉的衛星脫離運行軌道并進入返回軌道，制動減速是關鍵步驟。這一步驟依賴于衛星上的制動火箭發動機推力來實現，其中包括FG-23、FG-23A、FG-23B三種固體酒精發動機，它們分別適配于不同型號的衛星制動需求。在歷次返回過程中，制動火箭均表現正常，成功使衛星回收艙達到預期的離軌速度，并按照預定的返回軌道順利返回至衛星回收區。
正常再入
衛星再入艙一旦離開運行軌道并進入返回軌道，便在地球引力的作用下加速飛行，進入大氣層。由于飛行速度極高，氣動熱和氣動力成為顯著問題。因此，再入艙的結構設計除了需要滿足力學和熱環境的要求外，還必須具備足夠的穩定儲備，以確保衛星以小頭朝下的姿態再入大氣層。例如，FSW-0的第二顆星在再入過程中裙部遭受了燒損，這除了與裙部的防熱設計有關外，衛星未能有效消除旋轉、以大攻角再入也是原因之一。因此，確保穩定的再入姿態成為衛星安全返回的又一關鍵環節。
可靠減速
回收艙進入大氣層后，雖然能夠依靠其氣動力外形有效減速，但穩定飛行速度仍高達約300m/s，需要進一步減速至安全著陸速度。受限于衛星設備及結構的受力能力，減速制動過載也受到一定制約。因此，利用降落傘進行分級可靠減速成為衛星安全著陸的關鍵環節。從離軌到著陸的短短時間內，如何實現返回控制、利用火工裝置完成預定工作程序至關重要。這包括起旋、制動、消旋、解鎖分離、拋制動艙、信標機開機、開減速傘和主傘等一系列操作。從離軌到著陸若不減速一般僅需7分鐘左右，據不完全統計，短短400秒內需要控制多達28只火工裝置點火，任何一個環節的失敗都可能導致回收著陸的失敗。中國返回式衛星的火工裝置及控制裝置均為國產，具有高可靠性和安全性，在飛行過程中從未出現問題。
及時精確標位
在衛星落點確定的情況下，精確標位雖不影響其安全著陸大局，卻是實現及時回收的關鍵。中國通過回收應答機、信標機等方式，確保衛星在返回大氣層及減速過程中發出位置信息，為回收提供依據。返回式衛星再入時，落點精度受多種軌道偏差因素影響，包括調姿角、制動火箭總沖及其推力偏斜等。在飛行試驗中，主要控制星下點軌跡橫向偏差和控制指令發送時間引起的縱向偏差，通過精確調整軌道和“制動火箭點火”指令，確保回收艙在預定時間落地，從而實現衛星的安全及時回收。
熱防護
衛星以第一宇宙速度從太空進入大氣層，產生劇烈的摩擦，如果沒有恰當的防護技術，返回艙和里面所攜帶的膠卷以及科學實驗設備，會全都化為灰燼。為此，返回艙采用了一種叫做燒蝕材料的技術，就是在衛星表面鋪上厚厚的特殊材料，在高溫環境之下，一邊燃燒一邊帶走熱量，有效保護衛星本體和里面的載荷。
降落
在超音速條件下，傳統降落傘無法承受猛烈氣流，因此需使用特殊設計的稀疏大網式超音速傘，通過幾根布帶子起到減速作用。當速度降至音速以下，再切換至常見的彩色降落傘。返回式衛星使用的降落傘色彩斑斕，便于地面回收人員快速識別。
發展趨勢
隨著科技的進步，傳統的對地遙感和大地測量學任務中的返回式衛星正逐漸被無線遙感傳輸手段所取代。然而，返回式衛星的未來發展趨勢在于利用其太空中的微重力環境，開展微重力科學研究實驗，如空間生命科學和空間物理實驗等。相較于地面難以實現的微重力環境，返回式衛星能夠提供長期、穩定和連續的微重力條件。此外，在性價比方面，返回式衛星相較于空間站、航天飛機和飛船具有顯著優勢，因此在微重力科研領域展現出廣闊的前景。
參考資料 >
返回式衛星.中國大百科全書.2024-05-16
可反復用15次！新一代可重復使用返回式衛星明年發射.百家號.2024-06-05
返回式衛星家族十年“回歸”帶來哪些新變化？——工程師解析“實踐十號”新特點.中國政府網.2024-06-05
媒體報道---實踐十號科學實驗衛星.中國科學院.2024-06-11
“鎖眼”號衛星.中國大百科全書.2024-05-29
天頂”號衛星.中國大百科全書.2024-05-29
返回式衛星:科學實驗的尖兵.西安科普網.2024-05-16