返回式卫星（Returnable Satellite），是指在轨道上完成任务后，有部分结构会返回地面的人造卫星。

1960年8月10日，美国发射了“发现者”13号卫星，属于“发现者”号系列返回式侦察卫星，之后继续研制了“锁眼”1号到9号系列。苏联于1962年4月开始发射返回式侦察卫星，包括“天顶”和“琥珀”两个系列，并同时研制了用于微重力试验的“光子”号卫星等。1965年，中国科学院提出人造卫星规划建议，同年，周恩来总理批准该建议，以应用卫星为主，特别是返回式遥感卫星。1970年，周恩来总理宣布返回式遥感卫星为国家重点工程。1974年，首颗返回式遥感卫星完成测试，但首次发射因技术故障失败。经质量提升运动后，1975年第二次发射成功，虽回收时偏离航线，但仍成功回收，成为中国太空里程碑。截至2016年，中国已成功研制并发射实施了25颗返回式卫星。

返回式卫星具有多重功能：它作为观测地球的平台，获取对地观测信息供地面研究；作为微重力试验平台，支持空间科学实验与特种材料制造；利用空间条件进行植物育种等应用；同时为载人航天和空间探测器技术提供经验积累。

1960年8月10日，美国发射了返回式侦察卫星“发现者”号卫星系列的“发现者”13号卫星，随后又研制了“锁眼”号卫星系列的“锁眼”1号到9号返回式侦察卫星。

苏联于1962年4月开始发射返回式侦察卫星，部署了“天顶”号卫星和“琥珀”号卫星两个返回式侦察卫星系列。苏联还同时研制了“光子”号卫星等用于微重力试验的返回式卫星。

1965年7月，中国科学院提出了《关于发展我国人造卫星工作的规划建议》，计划十年内发射20颗卫星及飞船，其中包括6颗代号为“解放”的返回式卫星。同年8月，周恩来总理主持中央专委会议，讨论并原则批准了人造卫星规划建议，明确以应用卫星为主，特别是返回式遥感卫星。

1966年10月27日，中国成功进行了导弹核弹试验，实现了核爆炸，标志着中国拥有了可用于实战的核导弹。随后，钱学森提出加速返回式遥感卫星研制以适应国际形势的需求。1967年，中央军委决定集中科技力量，加速空间技术发展，并于1968年成立空间技术研究院，由钱学森兼任院长。研究院在研制东方红一号和实践一号卫星的同时，也在返回式遥感卫星研制上取得进展。1970年6月5日，周恩来总理听取了钱学森等人关于返回式遥感卫星研制情况的汇报，宣布其为国家重点工程项目。

返回式遥感卫星的研制工作由空间技术研究院牵头，涉及全国16个省市自治区的81个单位。然而，受“文化大革命”干扰和技术难题影响，研制进度多次受阻，直至1974年才具备发射条件。1974年6月，首颗返回式遥感卫星完成总装测试，同年11月5日，CZ-2发射可回收地球卫星的首次尝试因陀螺仪到控制系统的导线断裂而失败，引发巨大火球爆炸。随后展开为期一年的质量提升运动，改进后的火箭命名为CZ-2C。1975年11月26日，第二次发射成功，第一颗返回式卫星从酒泉市升空，经多级点火与分离，最终将卫星送入轨道。然而，因气体定向系统压力下降，卫星回收时偏离航线，返回舱严重烧灼，但仍成功回收，成为中国的太空里程碑。

从2003年1月至2005年8月，中国酒泉卫星发射中心成功完成了FSW-3和FSW-4系列共5颗卫星的发射任务。FSW-3系列的FSW-3(01)在2003年11月3日15:20:04发射，并于11月21日回收；FSW-3(02)于2004年9月27日16:00:04发射，10月15日回收；FSW-3(03)则在2005年8月29日16:45:04发射，9月16日回收。FSW-4系列中，FSW-4(01)于2004年8月29日15:50:05发射，9月25日回收；FSW-4(02)在2005年8月2日15:30:03发射，8月29日回收。

2006年9月9日，中国将"实践八号"育种卫星送入预定轨道，这是中国首颗专门用于航天育种研究的返回式技术试验卫星，搭载了粮、棉、蔬菜、花卉等9大类2000余份约215千克农作物种子材料，用于进行空间环境下的诱变飞行试验。2016年4月6日，“实践十号”微重力科学实验卫星在酒泉市由“长征二号丁”火箭成功发射，该卫星利用太空中的微重力环境完成了涉及多个科学领域的实验。4月18日，“实践十号”返回式科学实验卫星成功回收。

中国返回式卫星胶片回收方案有三种，其中返回舱制动回收因技术简单、风险小、成本低而被选为最佳方案。该方案将卫星分为返回舱和仪器舱，完成摄影任务后，携带胶片片盒的返回舱以弹道式再入方式返回地面，并用降落伞回收，仪器舱则留在轨道上。这种方案既实现了有效载荷集中布置，又解决了返回环境适应问题。此外，中国返回式卫星一般运行在低轨道，为了短时间内完成拍摄任务，采用了易于实现的棱镜扫描式全景相机，它具有摄影覆盖面积大、成像速度快等优点，成为发展航天相机的突破口。

中国成功发射了多颗返回式卫星，这些卫星在低地球轨道上运行，采用三轴稳定方式控制姿态，主要用于国土普查。它们搭载了可见光地物相机和恒星相机，分别用于对地摄影和对天空摄影，以获取地球遥感资料和确定摄影时刻的姿态。完成任务后，携带有地物相机和恒星相机胶片的片盒随返回舱一同在预定地区回收。

美国返回式卫星具备光电式和胶片式两种成像模式，分别用于普查和详查最高分辨率0.3米。普查相机图像传输回地面，经判读发现有价值目标，再利用详查胶片相机拍摄，定期返回地面回收。星上配有4~6个胶片回收舱。

苏联返回式卫星采用相同的返回和服务模块。返回舱是一个直径2.3米的球形，内装有摄像系统、飞行动力、导航航标、降落伞和防振系统，质量约为2400千克。服务模块包括电池、汽车传感器、定位系统和液体燃料火箭发动机。侦察任务完成后，卫星制动减速，返回舱分离后再入，利用大气阻力进一步减速，接近地面时打开降落伞着陆。卫星在轨总长度约为5米，总质量在4600千克至6300千克之间。卫星返回舱带有胶卷和照相机，并将它们保持在温度受控的加压环境中，虽然增加了卫星的质量，但是简化了照相系统的设计和建造，具有相机可以重复使用的优点。

返回式卫星具备多重重要用途。首先，它作为观测地球的空间平台，能够获取丰富的对地观测信息资料，并带回地面进行深入的分析处理和研究。其次，它作为微重力试验平台，充分利用微重力条件，开展空间生命科学、空间物理科学实验研究，并制造地面条件下难以制取或获取的特种特效药品和高性能材料。此外，返回式卫星还利用空间独特的微重力和辐照条件，进行植物育种及微生物工程等空间应用。最后，它也为载人航天和空间探测器的进入、下降和着陆技术积累了丰富的技术经验。

返回式卫星的任务是卫星完成在轨观测和科学试验后，准确、安全、快速地获得试验成果。因此确定了卫星返回的目标要素就是：精确调姿、准时离轨、正常再入、可靠减速、准确标位、安全着陆、及时发现、快速回收。

精确调整返回姿态是卫星返回的首要环节，它涵盖了起始姿态和制动角的设定。中国返回式卫星在运行阶段采用三轴稳定姿态，即X轴指向飞行方向，Z轴指向地心，Y轴则指向前进的右侧，这种姿态的指向精度通常保持在0.5°以内。

要使具有第一宇宙速度环绕地球旋转的卫星脱离运行轨道并进入返回轨道，制动减速是关键步骤。这一步骤依赖于卫星上的制动火箭发动机推力来实现，其中包括FG-23、FG-23A、FG-23B三种固体燃料发动机，它们分别适配于不同型号的卫星制动需求。在历次返回过程中，制动火箭均表现正常，成功使卫星回收舱达到预期的离轨速度，并按照预定的返回轨道顺利返回至卫星回收区。

卫星再入舱一旦离开运行轨道并进入返回轨道，便在地球引力的作用下加速飞行，进入大气层。由于飞行速度极高，气动热和气动力成为显著问题。因此，再入舱的结构设计除了需要满足力学和热环境的要求外，还必须具备足够的稳定储备，以确保卫星以小头朝下的姿态再入大气层。例如，FSW-0的第二颗星在再入过程中裙部遭受了烧损，这除了与裙部的防热设计有关外，卫星未能有效消除旋转、以大攻角再入也是原因之一。因此，确保稳定的再入姿态成为卫星安全返回的又一关键环节。

回收舱进入大气层后，虽然能够依靠其气动力外形有效减速，但稳定飞行速度仍高达约300m/s，需要进一步减速至安全着陆速度。受限于卫星设备及结构的受力能力，减速制动过载也受到一定制约。因此，利用降落伞进行分级可靠减速成为卫星安全着陆的关键环节。从离轨到着陆的短短时间内，如何实现返回控制、利用火工装置完成预定工作程序至关重要。这包括起旋、制动、消旋、解锁分离、抛制动舱、信标机开机、开阻力伞和主伞等一系列操作。从离轨到着陆若不减速一般仅需7分钟左右，据不完全统计，短短400秒内需要控制多达28只火工装置点火，任何一个环节的失败都可能导致回收着陆的失败。中国返回式卫星的火工装置及控制装置均为国产，具有高可靠性和安全性，在飞行过程中从未出现问题。

在卫星落点确定的情况下，精确标位虽不影响其安全着陆大局，却是实现及时回收的关键。中国通过回收应答机、信标机等方式，确保卫星在返回大气层及减速过程中发出位置信息，为回收提供依据。返回式卫星再入时，落点精度受多种轨道偏差因素影响，包括调姿角、制动火箭总冲及其推力偏斜等。在飞行试验中，主要控制星下点轨迹横向偏差和控制指令发送时间引起的纵向偏差，通过精确调整轨道和“制动火箭点火”指令，确保回收舱在预定时间落地，从而实现卫星的安全及时回收。

卫星以第一宇宙速度从太空进入大气层，产生剧烈的摩擦，如果没有恰当的防护技术，返回舱和里面所携带的胶卷以及科学实验设备，会全都化为灰烬。为此，返回舱采用了一种叫做烧蚀材料的技术，就是在卫星表面铺上厚厚的特殊材料，在高温环境之下，一边燃烧一边带走热量，有效保护卫星本体和里面的载荷。

在超音速条件下，传统降落伞无法承受猛烈气流，因此需使用特殊设计的稀疏大网式超音速伞，通过几根布带子起到减速作用。当速度降至音速以下，再切换至常见的彩色降落伞。返回式卫星使用的降落伞色彩斑斓，便于地面回收人员快速识别。

随着科技的进步，传统的对地遥感和大地测量学任务中的返回式卫星正逐渐被无线遥感传输手段所取代。然而，返回式卫星的未来发展趋势在于利用其太空中的微重力环境，开展微重力科学研究实验，如空间生命科学和空间物理实验等。相较于地面难以实现的微重力环境，返回式卫星能够提供长期、稳定和连续的微重力条件。此外，在性价比方面，返回式卫星相较于空间站、航天飞机和飞船具有显著优势，因此在微重力科研领域展现出广阔的前景。