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一星拓开新纪元——纪念“东方红一号”卫星成功发射50周年 精选

已有 5190 次阅读 2020-4-24 08:18 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 东方红一号, 卫星, 50周年, 航天

按:此文为“中科院之声”公众号所写,同步发布。为纪念我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射成功50周年而作,同时庆祝第5个“中国航天日”。公众号内容,略有删节,这里是完整版。有关“东方红一号”卫星公开的史料,包括近年出版的相关科技工作者的传记、回忆录,已经浩如烟海,笔者短时间内无法照顾周全,不当之处,敬请方家指正。

一星拓开新纪元

——纪念“东方红一号”卫星发射成功50周年

 

1970年4月25日下午6点,新华社向全世界宣布:

1970年4月24日,中国成功发射了第一颗人造地球卫星。卫星运行轨道的近地点高度439公里,远地点高度2384公里,轨道平面与地球赤道平面夹角68.5度,绕地球一圈114分钟。卫星重173公斤,用20.009兆周的频率播放《东方红》乐曲。

这颗人造卫星,便是“东方红一号”。它的成功发射,拓开了中国航天史的新纪元,从此我国成了继苏联、美国、法国、日本之后第五个完全依靠自己力量成功发射人造卫星的国家。

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图1 观看“东方红一号”卫星

图1是1970年4月25日晚上,北京针织总厂的工人在争相观看经过天安门上空的“东方红一号”卫星,兴奋、喜悦洋溢在她们脸上。手中的“红宝书”和胸前的毛主席像章是那个年代特有的标志。

中华民族能送卫星上天的日子一晃已经整整50年了。

 

一、任务:从“581”到“651”

 

1957年10月4日,苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克一号”(俄语“伴侣一号”)。就在当月,中科院副院长竺可桢、力学所所长钱学森、地球物理所所长赵九章建议开展我国的卫星研制工作。与此同时,应苏联科学院要求,中国科学院在北京、上海等地筹建了一些对该卫星的观测台站。

苏联人造卫星上天,对正处于冷战格局的东西方阵营产生了影响。1957年11月,毛泽东第二次访问苏联,在对留苏学生的讲话中他以苏联发射的两颗人造卫星(11月3日,苏联成功发射了“伴侣二号”)为例谈到国际形势,认为是“东风压倒西风”。1958年5月17日,毛泽东在党的八大二次全会上表态:“苏联人造卫星上天,我们也要搞人造卫星!”这样我国的人造卫星事业正式提上日程。

很快主管科技工作的副总理聂荣臻(1958年10月兼任国防科委主任)召集了中科院和国防部五院有关专家拟定人造卫星规划方案。7月,规划方案和分工拟定完成:(1)卫星研制分三步走,第一步发射探空火箭,第二步发射小卫星,第三步发射大卫星。(2)分工上,运载火箭以国防部五院为主,探空头、卫星头和观测工作以科学院为主。

1958年8月,中科院把卫星研制作为头等重要任务,故以代号“581”称之。同时成立了“581”任务领导小组,组长钱学森,副组长赵九章、卫一清(时任地球物理所党委书记)。为了推进“581”任务,中科院成立了三个设计院:第一设计院负责卫星总体设计与运载火箭的研制,郭永怀、杨南生任正副院长,原设在力学所,11月迁往上海,对外称“中科院上海机电设计院”;第二设计院负责控制系统的研制,设在自动化所,陆元九等为技术领导;第三设计院负责探空仪器与空间物理研究,设在地球物理所,赵九章、钱骥为技术负责人。那时“大跃进”思潮如火如荼,“581”任务确立的目标是:“苦战三年(1958-1960),实现上天”。

当年10月16日,中科院派出了以赵九章为团长的“高空大气物理访苏代表团”赴苏联考察(图2),为期73天。考察的目的主要是就卫星技术向苏联老大哥学习,没想到中苏关系已经紧张,技术合作、援助无从谈起,但是通过对苏联工业技术的考察以及两国国情对比,代表团认识到就当时我国的国力而言,发射人造卫星为时尚早,建议将力量转移到探空火箭上来。加上当时国家财政面临的困难局面,1959年1月,邓小平给出了明确指示:“卫星明后年不放,与国力不相称。卫星还要搞,但是要推后一点”。


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图2 访苏代表团(右一赵九章、右二钱骥、右三卫一清、左一杨嘉墀)

探空火箭的研制任务由“上海机电设计院”实施,由之前任上海交通大学工程力学系副主任的王希季(图3)担任总工程师,刚上任时只有37岁。新的目标方案是研制一枚直径0.45米、长10.3米、飞行高度60公里左右的探空火箭,代号为“T-7”。为了试验,先要研制一枚较小的模型火箭“T-7M”,直径0.25米、长5.4米、飞行高度8-10公里。这是一种由液体燃料主火箭和固体燃料助推器串连起来的两级无控制火箭。在没有现成资料的情况下,王希季带着一群平均年龄不到24岁的年轻人在几个月时间内完成了任务,困难可想而知。发射场选在了上海南汇县老港镇临近东海的一块平坦海滩上,条件异常简陋:发电站用芦席围成,上面盖一块油布篷;用自行车打气筒作加注推进剂的压力源;用手转动天线跟踪火箭等。



图3 就读西南联合大学时的王希季(摄于清华大学校史馆)

1960年2月19日下午4点47分,“T-7M”火箭沿着发射导轨腾空而起、直冲云天,飞行高度达4-5公里。现在看来这不起眼的一小步,却是我国航天运载火箭史上的一大步。5月28日,当毛泽东在上海新技术展览会上看到“T-7M”火箭时(图4),问这种火箭能飞多高,当得到“8公里”的回答后,他鼓励说:“8公里那也了不起,应该8公里、20公里、200公里地搞上去!”

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图4 毛泽东参观我国第一枚探空火箭“T-7M”

1964年6月29日,我国自主研制的射程达1000公里的第一枚中近程地对地导弹“东风二号”发射成功。10月24日,赵九章、钱骥等受邀赴酒泉参观同批次最后一枚“东风二号”发射试验,深受鼓舞,感到我国发射人造卫星的基本条件已经具备。12月27日,赵九章在参加全国人大三届一次会议期间,当面向周恩来总理呈送了一份关于尽快规划人造卫星的建议书。1965年1月6日,赵九章与中科院自动化所所长吕强联名向中科院提交了一份报告,建议尽快开展人造卫星的研制工作。巧合的是,隔了一天——1月8日,钱学森向国防科委提交了一份报告,建议国防科委尽早制订人造卫星的研制计划。

两份建议报告很快汇合,1965年4月29日,国防科委经过统筹,形成了《关于研制发射人造卫星的方案报告》,正式上报中央,其中任务分工为:卫星本体由中科院负责研制;运载火箭由七机部负责研制;地面观测、跟踪、遥控系统以四机部为主,中科院配合。预期目标是在1970-1971年发射我国第一颗人造卫星。5月,报告已中央批准,卫星研制任务正式启动,为了保密需要,以周恩来总理批示赵九章建议书上的时间——1965年1月取名,称为“651”任务。

 

二、从“42天会议”到空间技术研究院

 

1965年7月1日,中科院向中央呈报了《关于发展我国人造卫星工作的规划方案建议》。8月,中央原则上批准了此方案。当月,中科院成立了卫星工程的领导小组、总体设计组和办公室,其中总体设计组11人,赵九章任组长、郭永怀、王大珩为副组长,并决定由总体组草拟卫星的总体设计方案。

1965年10月20日-11月30日,中科院受国防科委的委托,在北京友谊宾馆召开了我国第一颗人造卫星总体方案论证会,与会人员有来自国防科委、国防工办、国家科委、总参、一机部、四机部、七机部、中科院及相关院所等单位的120人。这次会议时间之长,与会者令终生难忘,时任总体设计组成员的潘厚任后来回忆说:“一开始没想到会开那么长,也没定结束时间,白天开会,晚上计算、论证,一直开了42天,这是我开过的最长的一次会议。”

经过细致论证,会议拟定了卫星总体方案、本体方案、运载工具方案和地面观测系统方案4份文件初稿以及27个专题论证材料,共计15万字。这些材料经进一步完善、修订后,成了我国第一颗人造卫星技术方案的基础。

正是在这次会议上,与会人员采纳了总体组何正年的建议,将我国第一颗人造卫星命名为“东方红一号”,同时在太空播放“东方红”乐曲。为什么要选这首曲子?首先因为这首曲子极富中国特色(现在看来主要是时代特征);其次苏联的“斯普特尼克一号”内置两台无线电发报机,不断向地球发回“滴-滴-滴”这样的间断信号。如果卫星播放“东方红”这样的连续乐曲,显然是“技高一筹”。

如果要概括这次会议就“东方红一号”发射的总目标,就是“上得去、抓得住、看得到、听得见”。“上得去”是指火箭能顺利升空并进入预定轨道;“抓得住”是说地面跟踪、测量系统能随时掌握卫星的运行状况;“看得到”是指地面上可以肉眼观测到;“听得见”是说地面能接收到卫星发射的无线电信号。这四项目标中,前两项属于常规要求,后两项可以算是政治任务,这对科研人员提出了极大挑战,后面我们会再谈到。

1966年1月,中科院卫星设计院正式成立,代号“651设计院”,赵九章、钱骥分别为正副院长。设计院不但要完成研制卫星本体的任务,还要组织、协调分系统的设计、研制工作。按照42天会议的部署,卫星地面观测系统以四机部为主、中科院参加。1966年3月,国防科委基于中科院电子学研究所陈芳允(图5)提交的一份关于卫星地面观测系统方案及分工建议的报告,改由中科院负责卫星地面观测系统的规划、设计、建设和管理工作。为此,中科院在当年5月成立了701工程处,陈芳允为技术负责人。


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图5 青年时期的陈芳允 

1966年5月,史无前例的“文革大革命”横扫神州,科研单位也未能幸免。尽管从1966年底开始,周恩来、聂荣臻为了保证“651”任务按计划进行,对“651设计院”及有关所、厂实行军管,但一些悲剧还是出现了,其中最令人痛心的是作为我国第一颗人造卫星头等功臣的赵九章,不但被扣上了“反动学术权威”的帽子,还因为他是国民党元老戴季陶的外甥被打成“特务”,受尽凌辱,在1968年10月的一个夜晚,服安眠药自杀离世。

在这样极其困难的政治环境下,中科院“651设计院”与全国各协作单位通力合作,到1968年初已基本完成“东方红一号”初样星的研制,地面观测系统的建设也初具规模,并培养、锻炼了一批相关人才队伍。

1967年9月,聂荣臻向中央呈报了《关于国防科研体制调整改组方案》。10月毛泽东批示同意。这样,1968年2月,中科院“651设计院”及其余卫星相关研制单位全部移交国防科委,并入新成立的“空间技术研究院”,人员、仪器和建筑总体占后者的3/4。

 

三、卫星上天

 

1968年2月20日,空间技术研究院正式成立,钱学森任首任院长。在空间技术研究院筹备期间,钱学森已经向聂荣臻推荐了孙家栋(图6),由他负责卫星的总体设计。孙家栋那时不到40岁,之前担任七机部一院导弹总体设计室的主任。钱学森是其老领导,这次找到孙家栋算是知人善任,这样孙家栋便从导弹设计转到了卫星研制。

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图6 孙家栋

孙家栋上任后的第一件事是到七机部“选人”,根据卫星发射需要,他从不同技术领域挑选了18位优秀的年轻人,后来他们被称为“航天十八勇士”,其中就有后来担任神舟飞船首任总设计师的戚发轫。

根据当时发射卫星的计划部署,要在1970年发射。那时,日本的第一颗人造卫星也在紧锣密鼓地研制中。孙家栋组织人员讨论、论证,要如期完成“上得去、抓得住、看得到、听得见”的任务,必须对既有的总体设计方案进行调整、简化,去掉原来准备搭载的一些科学仪器,同时不刻意追求高难技术,用他自己的话说,就相当于“把一辆汽车改成了平板车”。

在修订方案的过程中,“看得到”与“听得见”值得一说,因为这两项任务实质是扩大卫星发射影响,很大程度上是一种“政治载荷”,但又不能去掉,科研人员为此费了不少心思。

先说“看得到”。“东方红一号”(图7)为一直径1米的类球形对称72面体,外表面为处理过的铝合金材料。经过计算,在近地点的视亮度仅相当于七等星,而人类肉眼观测的极限星等为六等,显然无法满足要求。设计人员群策群力,终于找到了办法,就是在未级火箭上加装一个用特殊材料制成的“观测裙”。在发射阶段,“观测裙”固定在末级火箭的下部,待卫星入轨后,末级火箭与卫星分离,但两者以同一速度运行且相隔不远,“观测裙”利用火箭自身旋转产生的离心力,会自动伸展为一个直径4米的球,由于其表面具有很好的反射性能,能很好地反射太阳光,从视亮度上相当于一颗2-3等星,很容易用肉眼观测到。因此,对普通肉眼观测者而言,看到的往往不是卫星本身,而是相距不远处由“观测裙”伸展而成的“反射球”。除非事先知道这种安排,才能注意到亮点前方一个微弱的亮点——卫星本身。


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图7 星(左)、箭对接试验

再说“听得见”,前面提到苏联的“斯普特尼克一号”向地球传输的是无线电信号,如果“东方红一号”选择播放《东方红》乐曲,采用直播卫星的方式,经过推算,需要在卫星装上发射机,卫星总重将超过1吨,这显然行不通——因为当时火箭运载能力达不到。最终采用的办法是利用地面转播系统,也就是通过中央人民广播电台接受后再转播出去,这样全世界用普通的收音机都可以听到卫星发送的《东方红》乐曲了。卫星乐音装置是由中科院自动化所刘承熙小组(后划归空间技术研究院)完成的,接受任务时刘承熙只有32岁,他们小组在重庆289厂苦战3个月,完成了音源振荡器。令人无比痛心的是,就在卫星发射前不久,他接到通知,被下放到河南驻马店参加劳动。

1969年9月,“长征一号”运载火箭三级试车试验全部成功通过。所谓试车,是指火箭在试车台上模拟发射,发动机真实点火,除了不让火箭真正飞起来之外,其余程序与真实发射无异。也在当月,“东方红一号”的第一颗正样星(一共生产了5颗)作为检验星,通过了全部环境模拟实验。

1970年4月1日,载有两颗“东方红一号”卫星和“长征一号”火箭的专列秘密抵达酒泉卫星发射基地。9日,星、箭完成对接,发射场准备就绪。4月23日,周恩来发来消息,希望24日或25日发射。气象部门预报显示可以发射。当晚,钱学森在发射任务书上郑重地签上了名字。

4月24日中午过后,火箭一、二级加注推进剂(三级为固体推进剂)完成。下午3点半,周恩来致电国防科委副主任罗舜初,告知毛主席已经批准了这次发射。消息传到基地,全场沸腾,大家信心百倍,万事俱备,只待“点火”。

21点35分,指挥员下达点火命令。伴随着巨大的轰鸣声,“长征一号”喷射出橘红色的火焰,直冲云霄。21点47分,湘西观测站率先传来消息“星箭分离,卫星入轨!”21点50分,国家广播事业局报告,已经收到卫星“播出”的《东方红》乐曲。

4月25日下午6点,新华社向全世界通报了这一消息。晚上8点29分,“东方红一号”卫星通过北京上空,天安门广场成了欢乐的海洋,在探照灯的指引下,人们仰望星空,用目光紧紧追随者卫星的轨迹。本文开头的照片便是现场的一幕。

卫星发射期间,孙家栋并未前往发射基地,而是留在北京国防科委的指挥所。25日卫星飞过北京上空时,他看到了卫星和更亮一点的“反射球”,禁不住热泪盈眶。1957年,当毛泽东访问苏联接见留学生时,孙家栋还是留学生中的一员。谁能想到,最终是他和同事亲手把我国的第一颗卫星送上了天。



图8 中华航天博物馆收藏的“东方红一号”(备用星)

四、余音

 

“东方红一号”卫星的发射,必将永载史册,尽管也许留下了一些遗憾,比如在与日本的竞赛中,我们晚了两个多月。但是日本第一颗卫星的运载火箭使用了美国的惯性器件,并且发射成功前有几次失败,而“东方红一号”完全是我们自力更生搞出来的,并且一次发射成功。就技术水平而言,其播放信号形式、跟踪手段和温控水平都处于当时世界先进水平。还有它173公斤的重量超过了苏联、美国、法国、日本第一颗人造卫星重量的总和。尽管重了不一定都是最好,但至少表明了火箭的威力大,这本质上是一种震慑力,诚如邓小平后来所说:

如果六十年代以来中国没有原子弹、氢弹,没有发射卫星,中国就不可能叫有重要影响的大国,就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力,也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。

“东方红一号”卫星的发射,奠定了我国航天事业的基础,拓开了我国航天事业的新纪元,标志着我国进入了太空时代。

五十年来,我国航天事业取得了举世瞩目的成就。2003年“神州五号”载人飞船成功发射,使我国成为继苏联(俄罗斯)、美国之后第三个将人类送入太空的国家。2019年1月3日,“嫦娥四号”成功降落月球背面,成为人类第一个在月球背面软着陆的探测器。越是在凯歌猛进的时候,越需要回望披荆斩棘的峥嵘岁月。这正是:

风帆正举意未歇,致敬前贤励来哲,

挥手自兹五秩去,犹忆天上落弦歌。

 

参考文献:

[1]科学时报社,《请历史记住他们——中国科学家与“两弹一星”》,暨南大学出版社,1999年

[2]樊洪业,《中国科学院编年史:1949-1999》,上海科技教育出版社,1999年

[3]张劲夫,《我国第一颗人造卫星是怎样上天的》,《人民日报》2006年10月17日

[4]杨昭德、熊延岭,《钱学森-中国星》,上海交通大学出版社,2012年

[5]李成智,《中国航天技术发展史稿》,山东教育出版社,2006年

[6]李培才,《太空追踪:中国航天测控纪实》,中共中央党校出版社,2005年

[7]孙家栋,让天际奏响东方红,《百年潮》2006年第3期

[8]陈士祥,“东方红一号”卫星结构研制、总装、测试关键技术的突破,《航天器环境工程》2015年第2期

[9]戚发轫,“东方红一号”卫星研制始末及对后来航天工作者的启示,《航天器环境工程》2015年第2期

[10]闵桂荣,光辉的中国第一星,《航天工业管理》2005年第5期

[11]赵洋,“东方红一号”卫星科学技术与社会因素的互动,中国科学院研究生院博士学位论文,2006年

[12]周彧,东方红一号:开启中国航天时代,《科学新闻》2018年第9期

[13]夏光,光荣与理想:东方红1号卫星工程的12年——访王希季院士,《国际太空》2010年第4期

[14]柳志卿,潘厚任回忆东方红1号研制历程,《国际太空》,2010年第4期



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