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揭秘“东方红一号”背后的故事

高端解读 2020-07-17 11:34:46 李牧鸣/文 总第426期 放大 缩小

1969年,国际天文联合会把月背的一座环形山(1959年苏联发射的“月球三号”卫星,发回了月背70%的图像)命名为“万户”,这是月球上数座以中国人名字命名的环形山中最大的一座。

工业社会后,第一个准备跨进太空的,是德国。一战后,因为大炮研制受到《凡尔赛和约》限制,“火箭”这一没人关注的新事物成为当时德国钻空子的利器。火箭是卫星的兄弟,没有能够摆脱地心引力的火箭,卫星如无本之木。

二战后期,德国的很多先进武器,严重刺激了盟国。德国战败后,美国率先抢到了他们的火箭专家,也是后来被誉为现代火箭之父的冯·布劳恩。1945年7月,被派往德国执行这个“回行针”计划的科学家中,就有未来的“中国航天之父”钱学森。

苏联迟到一步,可他们从古拉格召回了蹉跎十年的科罗廖夫,科罗廖夫正是世界公认的航天学、火箭理论先驱齐奥尔科夫斯基的传人。

其间各种惊心动魄按下不表,记者在不同场合听不同专家学者讲述过背后的故事,不亚于精彩大片,俄罗斯前几年拍摄的电影《天际行者》和《搏击太空》就参考了刚刚解密的苏联航天档案。

1957年10月4日晚,距离莫斯科两千多公里的秘密基地,一枚R-7火箭在探照灯发出的耀眼光芒中升空,世界上第一颗人造地球卫星Sputnik1发射成功,90分钟后,它携带发报机清脆的“嘀嘀”声响彻了整个世界。航天时代的序幕彻底拉开了。

此时,一向喜欢打桥牌的美国总统艾森豪威尔正在和几位同僚玩牌,接到秘书递来的电文,手中的牌哗啦啦撒落一地。他更没想到的是,仅仅一个月不到,11月3日,苏联第二颗人造卫星又发射了,还带着一只叫莱卡的小狗。

其实在冯·布劳恩的科研班子降美后,对发射第一颗人造卫星早有设想,并一直进行研究。但美国海军先提出了人造卫星计划,国防部把此重任交给了海军。

苏联两次成功发射给艾森豪威尔的压力,马上传递到海军。1957年12月6日,海军发射人员点燃了仓促上马的火箭,不出意外,发射失败。

正是这一系列事件,促生了至今众所周知的NASA,以整合资源。

冯·布劳恩临危受命。1958年1月30日清晨,载着“探险者一号”的丘比特C火箭在一片紧张的气氛中点火升空。8分钟后,卫星传回声音——发射成功。

中国的航天梦与卫星梦

1958年5月,中共八大二次会议上,有代表在发言中提到了中国的人造卫星问题,并展开了热烈讨论。最后,毛泽东沉默良久后大声说出了那句众所周知的“我们也要搞人造卫星!”

其实,科技强国的种子,早已种下。1939年5月,延安成立了自然科学研究院,首任院长是李富春。一年后,又成立了陕甘宁边区自然科学研究院。抗战胜利前后,在周恩来的关心下,重庆还成立了中国科学工作者协会。北平和平解放后不久,钱三强带团赴欧洲参加世界和平理事会,他申请五万美元,为未来的中国科研事业购买仪器和书籍。尽管当时中央人民政府尚未成立,党中央还在西柏坡,财政上也相当困难,还是得到了周恩来的批准。

新中国成立后第二个月,就正式建立了中国科学院。周恩来先后写过几百封信,呼吁留学海外的仁人志士回国。几年内中科院迅速由刚成立时的几百人,发展到了九千多人,研究机构由四十多个发展到了三百八十多个。

1956年,中国第一个导弹研究机构——国防部第五研究院正式成立,1955年辗转回国的钱学森任院长。可当中国还在为研制导弹苦苦跋涉时,苏联的人造卫星一夜间已经飞天,探索目标转向了太空……

苏联人造卫星上天后,天文学家张钰哲和他的助手们很快建立了人造卫星运动理论研究室,在多地建立观测站。他们利用观测数据计算做出的轨道预报,比当时苏联提供的还要精准。与此同时,钱学森、赵九章等学者也纷纷发表文章谈人造卫星的意义。

早在1935年,只有24岁的钱学森在题为《火箭》的论文中就写下过这样的激扬文字:“你在一个晴朗的夏夜,望着繁密的闪闪群星,有一种可望而不可即的失望吧。我们真的如此可怜吗?不,绝不!我们必须征服宇宙。”

当毛泽东发出“我们也要搞人造卫星”的号令后,全国沸腾了。中科院将此列为1958年的第一项任务,“581”小组成立。然而,后来由于种种原因,几经波折与搁置。其间,加加林第一次从太空俯视了地球,短短108分钟的飞行,再次震撼世界。

不过,确立中国大国地位的“两弹一星”整体工程,依然在时代的洪流中稳步前行。1964年10月16日,中国第一颗原子弹爆炸成功,10月下旬,赵九章提交了一份几千字的建议书,再次说到中国的人造卫星计划。1965年5月,中央正式批准,这个迟到了7年的计划代号“651”。

中国科学院当年9月组建了赵九章任院长的卫星设计院,对外称科学仪器设计院,专门负责人造地球卫星的研制。

相关的技术论证会议从1965年10月20日起,整整开了42天,很多与会专家后来回忆说,这是他们有生以来开得最长的会。

会议还没结束,11月26日,法国发射了一颗卫星。日本也在准备了(于1970年2月11日成功发射)。

会议最后确定,第一颗人造卫星命名为“东方红一号”,直径为1米,重量约100千克(最后实际达173千克,比前四个国家发射卫星的总重还多),而且要做到“上得去,抓得住,看得见,听得到” 。

12个字里的大门道

1966年开始的“文革”,打乱了很多进度。

在聂荣臻的努力和争取下,1968年2月20日,中国空间技术研究院正式成立,钱学森兼任院长,列入军队编制,七机部一院的孙家栋以及“18勇士”就是在这一时期被抽调到空间技术研究院的。“18勇士”中的戚发轫后来接受采访时说:“‘航天18勇士’,实际上就是18个相关专业的人。”

孙家栋,“东方红一号”总负责人,毕业于苏联茹可夫斯基空军工程学院飞机设计专业,1958年回国后,并没有从事飞机设计工作,而是服从分配,转入导弹研制。就在孙家栋毕业前夕,苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。不管是不是命运的安排,那个年代,临危受命、白手起家是知识分子最普遍的担当。

距离预定的发射时间只有两年,而之前由于“文革”的干扰,研制工作进展不大。孙家栋决定精简计划,把一些科学探测项目先拿下来,放在第二颗星上。保证第一颗能上天,达到掌握航天技术的目的,把队伍培养起来。不过精简计划,并没有精简技术,甚至给团队提出了更高要求。

比如原定的发射倾角是42度,这是为了利用地球自转,降低运载火箭的难度。但这个倾角发射的卫星观测范围只能是南北纬42度之间,这就造成卫星的巨大浪费,后续的应用卫星,都需要观察更大的范围,42度倾角显然不可持续。这个倾角一旦确定,地面站都要照此部署,会造成很大浪费,最后定下来70度左右比较适合。倾角改变后,运载火箭难度加大,但卫星质量已经确定在100公斤以上。“上得去”是卫星发射最基本的要求,要靠大量精确的计算来保证。那个年代,比较先进的计算设备是自动计算器,多数是半自动手摇计算器。任务急的时候,连算盘都用上了。

时任七机部某研究院卫星轨道组组长李颐黎回忆,算一条轨道,三班倒整整算了一年,而且一个数据必须两人对着算,互相校验。

在最早上天的几颗卫星中,温控也是一个技术难点。孙家栋介绍,上天后飞到太阳照到的那面,温度达到一百七八十摄氏度,在太阳背面温度又很低,温差二百多摄氏度。法国、日本卫星虽然都在中国之前发射,但由于温控技术不过关,上天不久就失灵了,法国的卫星“冻死”了,日本卫星只转了6圈,不耐高温烧掉了。

东方红正常运行28天,没因温度问题造成故障,这项技术在当时就达到了世界先进水平。

卫星所有零件都要在地面做外太空环境模拟实验,这样才能确保上天后正常工作。振动实验、离心力实验、低温实验,一样都不能少。戚发轫回忆,没有低温实验室,就找到解放军海军后勤部的一个冷库,里面还存放着肉和鱼。夏天进去实验,就披件棉大衣,脚下穿着当年那种塑料鞋,出来都冻裂了。

“看得见”和“听得到”同时让很多人绞尽脑汁。

“东方红一号”直径只有1米,是非常接近球体的72面体,因为它是自旋方式运行,转起来会有72个面反光。这样设计主要原因之一就是让卫星在轨时能产生一闪一闪的效果。比较容易观测。

然而,即使这样,进入太空后,亮度可能只相当于六等星。天文学上的星等,数字越大,亮度越低。六等星,是天气好时视力极好的人肉眼可见最低限。

为此,科研人员集思广益,最后想出一个办法——给它穿裙子。其实,具体而言并不是给卫星穿裙子,是给末级火箭(最后和卫星分离,会紧跟其后)上加装观测裙,使其提高到二等或三等星的亮度。二等星亮度相当于北极星,就很容易观测到了。观测裙是用特殊材料的布做成的一个大气球,把三级火箭包上,等到火箭进入太空后撑开,直径达到3米,观测裙外表全镀上铝,可以更好地反射太阳光。这样,人们在地球上就可以此作为参照物,方便找到“东方红一号”。在末级火箭坠毁后,因“东方红一号”的闪光设计,高于预计的六等星,有经验的人很容易找到。

而几代人都耳熟能详,传回《东方红》旋律的音乐盒,实际上是“东方红一号”卫星遥测系统的一部分。遥测系统负责将卫星的工作状态和高空物理数据传回地面。没有遥测数据,卫星就是一个飞着的铁疙瘩。但加入音乐,数据传输的规模增加了很多倍,有几十K,今天看来简直微乎其微,而当时通道的带宽只有3K。既然如此,为什么还要自找麻烦?

这就是“听得到”的问题。如果传送工程信号,滴滴答答老百姓听不懂,传送文字,外国人不明白。设计团队最终综合考虑,乐曲最合适,而《东方红》在当时家喻户晓又具中国特色。不过,当时一般的收音机很少能接收卫星发出的短波信号,就由中央人民广播电台接收到卫星播放的乐曲后,再进行转播。

“抓得住”的问题也经过了重重攻关形成了中国独有的技术,在此不再赘述。

东方红一飞冲天

前期工作准备就绪后,1970年4月1日,装载着“东方红一号”卫星和长征一号运载火箭的专列抵达酒泉卫星发射场。架好火箭,一切准备就绪,已经是4月24日了。那天晚上,天气并不好,天上一直笼罩着厚厚的云层。到了晚上9点多,云层裂开了一道缝。天,终于晴了。现场工作人员听到星箭分离的口令时,都激动得跳了起来,因为,这代表着卫星已经进入预定轨道。

中国第一颗人造地球卫星,“东方红一号”于1970年4月24日21时35分成功发射。

新华社在第二天向全世界宣布:

我国成功地发射了第一颗人造地球卫星

新华社北京四月二十五日电 新闻公报

……

一九七零年四月二十四日,我国成功地发射了第一颗人造地球卫星。

卫星运行轨道,距地球最近点四百三十九公里,最远点二千三百八十四公里,轨道平面和地球赤道平面的夹角六十八点五度,绕地球一周一百一十四分钟。卫星重一百七十三公斤,用二零点零零九兆周的频率,播送《东方红》乐曲。

……

1970年4月25日晚8点,很多人从收音机里听到了这段熟悉的旋律。他们欢呼雀跃、奔走相告,中国的第一颗人造地球卫星上天了!

从1958年毛主席宣布中国也要搞人造卫星,到第一颗人造卫星顺利升空,走过了艰辛又漫长的12年。

东方红一号在太空中正常工作了28天,比原定时间长了8天,而其在轨时间,迄今已经整整50年。

为什么一颗设计寿命只有20天的卫星,依依不舍环绕地球竟已过天命之年?甚至可能再跨一个世纪?

卫星的使用寿命和运行时间是两回事。

卫星是具有一定功能的,实现这些功能就得有能源供应,那些需要长时间工作的卫星一般都会携带太阳能电池板,作为能量来源。但“东方红一号”仅靠自带的化学电源供电,所以很快就能量耗尽,在超期服役8天后,音乐声和其他信号戛然而止。

但卫星绕地运行是靠惯性。“东方红一号”轨道远地点距地球2000多公里,近地点也有400多公里,空气阻力几乎可以忽略不计,基本只有万有引力作用。陪我们度过半百岁月亦属正常。

我国发射的北斗系列卫星都是高轨道卫星,所以理论上北斗都是永恒之星。

正因如此,天文圈也有很多人和朱进一样,除了关注遥远的外太空,对人造地球卫星同样痴迷。记者按朱进推荐,登陆了一个专门监控卫星轨道数据的网站Heavens-above,查到“东方红一号”最近的过境数据,星等低的时候,用双筒望远镜就可以看到

第四疆域,未来如何规划?

因为“东方红一号”在中国航天史上的里程碑式意义,自2016年起,我国将每年4月24日设立为“中国航天日”。

很多普通人分不清“航空”和“航天”,“航天”是钱学森在上世纪80年代最早使用的,他依据航海、航空而造此词。简单而言,“航天”是指航行在大气层外,而“航空”则是指在大气层内航行。

人们通常都熟悉领土、领海和领空的概念,而今,更多的太空资源可待开发利用。飞向太空,民用、国防和经济意义各有所重。

1978年5月,美总统国家安全事务顾问布热津斯基访华,带来了卡特总统向中国赠送的礼物——质量仅1克的月岩样品和一面由美国宇航员带上月球的中国国旗。这块月岩后来被一分为二,一半在北京天文馆的月球展厅供公众观赏,一半交由当时贵阳的中科院地球化学研究所,由天体化学与地球化学专家欧阳自远主持研究。

对这半块仅0.5克月岩样品进行研究后,中国学者发表了14篇相关研究文章,并推断出这是由阿波罗17号飞船采集回来的样品。在参考美国公布的数据后,他们还确定了这块月岩采自月球的什么位置,光照条件是向阳还是背阴。

正是对这0.5克月岩样品的研究成果,让世界认识到了中国当时的月球科学研究能力和水平。作为一个务实、理性的科学家,直到1992年,欧阳自远才提出开展月球探测的相关建议。今年10月,嫦娥五号即将登月并返回。

2020年是史无前例的“超级航天年”,就在4月24日,国家航天局发布了中国首次火星探测任务名称为“天问一号”,预计于7月底的窗口期发射。

火箭、卫星、飞船,除了承载梦想,更承载大国的担当。截至2019年底,我国是世界上卫星数量最多的国家。在上世纪80年代,我国运载火箭就已投入国际市场,承揽对外发射业务。至今有能力自主发射卫星的国家,也只有10个左右。

今年的中国航天发射有望首次突破40次,即便在国际上也属罕见。

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