中国航天日：“东方红一号”漫话

“扬帆起航 逐梦九天”，2021年“中国航天日”在南京盛大开幕。而在51年前的今天——1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星——“东方红一号”成功发射升空，从此，中国人探索宇宙奥秘、和平利用太空、造福人类的序幕正式拉开。

“东方红一号”是整整一代人奋斗的成果，寄托了一个民族的梦想。有关当年“东方红一号”工程的前前后后，有许多回忆文章。本文谈几个较少提及的话题以及“东方红一号”与当年南京的天文学家们的关系。

发射人造卫星的主要工具——运载火箭

人造卫星的发射，首先离不开火箭。

在黑火药的故乡中国，历代的传说中都不缺有关飞天的梦想或想象，有补天的女娲，奔月的嫦娥，以及明朝的官员万户。万户飞天不是借助飘渺的神力，而是以近似现代运载火箭的方式，在他的座椅下方绑上47支黑火药火箭，企图点燃火箭后一飞冲天。这虽然只是个传说，但IAU确实在月球的背面以“万户”命名了一座撞击坑（环形山），以纪念这位传说中的航天先驱。

图1 ：传说中的万户飞天 | 图源：网络

真正可用于航天发射的火箭，是现代数学、力学、物理、工程等多学科发展成熟并相互融合的结果。东欧人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857-1935）（波兰与俄罗斯混血）堪称现代火箭之父，他一生致力于火箭研究和试验，于1903年公开发表火箭方程式，确立了火箭的动力学基础，也让他自己的传世预言“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中”成为可能。据称英国数学家威廉·摩尔（William Moore）更早于1813年就推导出等效的方程式，但他的结果当时仅用于武器研究，并未公开发表，因而世人未能及时知晓。

图2：齐奥尔科夫斯基的个人实验室和手稿 | 图源：网络

世界上第一支试射成功的现代火箭，是一枚液体燃料火箭，发明人是罗伯特·哈金斯·戈达德（Goddard，1882－1945）。在1926年3月16日，这枚火箭差不多以4层民居楼的最大高度，飞行了一个标准泳池的长度，历时2.5秒。这次看起来并不显眼的飞行，创造了人类航天的一个重要里程碑。为了纪念这位火箭先驱，美国国家航空航天局（NASA）于1959年成立Goddard Space Center，IAU也在月球上命名“Goddard Crater”来纪念他。

图3：戈达德和他的火箭 | 图源：网络

戈达德的火箭试验成功了，但它还很简陋，不能作为有效的运载工具。将火箭变成运载工具的是鼎鼎大名的德国科学家沃纳·冯·布劳恩（Wernher von Braun）。布劳恩在二战期间帮助德国研制成功V1和V2火箭，用以攻击英国等欧洲盟国。布劳恩虽然为纳粹德国服务过，但他厌恶战争，曾因此被德国纳粹关入监狱。战后他率领约五百人的火箭研制团队，躲避苏联的争抢而投奔美国，后来为人类航天事业做出巨大贡献。他主持研制的土星5号火箭，先后9次将航天员送往月球（其中2次绕月飞行，6次登陆月球，1次因阿波罗飞船故障中途返航——即著名的阿波罗13号）。土星5号也是迄今为止人类制造过的最大运力火箭，它的运力甚至远高于当前服役中的各国运载火箭。

图4：布劳恩与土星5号火箭 | 图源：网络

在美国人将布劳恩接回美国的工作团队中，有一位著名科学家是中国人，后来成为中国航天事业的奠基人，他就是钱学森。在他的领导下，中国的航天事业得以快速稳步发展，经过几代人共同的不懈努力，今天的中国已经成为一个航天大国。

图5：钱学森和长征一号运载火箭 | 图源：网络

长征一号火箭是发射“东方红一号”的火箭，它全长近30米，近地轨道运载能力达300kg，于1970年3月完成研制生产。

各国的第一颗人造卫星

二战之后，火箭不再直接用于战场，一些世界大国转而在航天竞赛中针锋相对，你追我赶。在它们的带动下，以及各国自身航天事业发展的需求驱动下，全世界的航天事业蓬勃发展，快速地将人类历史推进到太空时代。

1957年10月4日，俄国成功发射人类历史上第一颗人造卫星——史泼尼克1号（Sputnik 1），拉开美俄之间30多年的太空竞赛（包括后期的合作）的序幕，并在这场竞赛中拔得头筹。

图6：史泼尼克1号 | 图源：网络

1958年1月31日，在俄国人的第二颗人造卫星也上天之后，作为对太空竞赛的回应，美国发射了其第一颗人造卫星探险者1号（Explorer 1）。

图7：（左） 探险者1号；（右） 范艾伦辐射带 | 图源：网络

1965年11月26日，法国成功发射其第一颗人造卫星阿斯特里克斯（Asterix）。法国成为世界上第三个独立发射人造卫星的国家。不过在法国发射卫星之前，美国还帮助英国、加拿大、意大利发射了卫星，使得他们在法国之前更早拥有了属于自己的在轨卫星。

图8： 法国纪念邮票中的阿斯特里克斯卫星和发射它的火箭| 图源：网络

1970年2月11日，日本成功发射了其第一颗人造卫星“大隅”号，抢在中国之前72天成为世界上第四个发射人造卫星的国家。

中国，作为自古拥有飞天梦想的国家，在1970年4月24日这一天，将“东方红一号”卫星送入太空，成为世界上继俄、美、法、日之后，第五个能够发射人造卫星的国家。

图9：（上 ）“东方红一号”卫星总装；（下 ） 当年关于“东方红一号”成功发射的报纸头条 | 图源：网络

在此之后，英国、印度、以色列、韩国等国家也都先后成功发射人造卫星。时至今天，发射人造卫星和其它航天器仍然是少数国家才拥有的能力。

各国的第一颗人造卫星都干了些什么？

在20世纪的50至70年代，短短十几年内俄、美、法、日、中先后成功发射人造卫星，这里面既有各个国家在军事、科技、经济等方面发展需求的积极因素，也离不开当时国际关系的大背景，不可避免地带有竞争的意味。作为所属国的第一颗卫星，这些卫星的诞生都有一些向世人宣示存在感的意味，但是在大小、功能、寿命等方面各不相同。

俄国的第一颗人造卫星史泼尼克1号，重量84千克，它对高空大气密度和电离层进行了一些研究。

人造地球卫星的轨道大体上是一个椭圆，地球的质量中心是这个椭圆的一个焦点。相对于地心，椭圆轨道有一个近地点和一个远地点。俄国的这颗卫星发射入轨后，其轨道周期是96分钟，近地点距离地面的高度（简称近地点高度）是215千米，而远地点高度是939千米。这颗卫星的轨道寿命很短，仅仅2个多月之后的1958年初，就陨落于大气层中，化为灰烬。

史泼尼克1号为何如此短命？主要是被大气阻力给摧毁了，这要从它的轨道高度说起。

地球表面的大气密度，是随着地面高度的增加而不断减小的，在高度8千多米的珠穆朗玛峰上，空气之稀薄已经让人难以呼吸，由此想象，在地面之上215千米高度的地方，大气密度对人而言已经稀薄得近似于无了。不过对于围绕地球、以超过7千米/秒的高速作惯性飞行的人造卫星来说，即便是非常稀薄的大气，也会对它的飞行形成阻力。这种阻力虽然不算大，量级上可能只有卫星所受地球引力的万分之一（具体要看卫星轨道的高度），但跟地球引力这种保守力不同，它是一种耗散力，会一点一点地损耗卫星的机械能，使得卫星迟早失去围绕地球运转的必要速度，最终坠入大气层，其轨道寿命从而宣告结束。

图10：大气阻力影响下的卫星轨道示意图 | 图源：紫金山天文台

一颗卫星受到的大气阻力算不算大，主要看其近地点的高度，因为这里最容易受到大气阻力的影响。一般说来，即便是在地面高度五、六百千米的地方，大气阻力对于卫星轨道的影响都不能忽略，所以对于史泼尼克1号这种近地点高度只有215千米的卫星，每隔90多分钟（一个轨道周期）就会在近地点前后被大气狠狠地拉扯一番，自然不可能长寿了。当然，卫星的结构与形状也会影响大气阻力的作用效果，不过早期的几颗卫星在这方面差别不大。

要是卫星的轨道足够高，大气阻力基本不存在，卫星的轨道寿命就可能无限长，卫星就会绕着地球一圈又一圈地一直转下去，尽管它的工作寿命也许早就结束了。那么史泼尼克1号为什么不发射得高一点？这在技术上得取决于运载火箭的运载能力，在那个多个国家急于让卫星赶紧上天的年代，往往在一时还等不到运力足够大的火箭的时候，就匆匆发射卫星，所以既不能发射一颗更重的卫星，也不能将它发射到更高的轨道。

另外顺便说一句，在今天，卫星轨道寿命短未必就是坏事。在工作寿命到期后，如果卫星还占据着轨道，其实就成为一具太空僵尸，是后续航天发射的障碍。经过半个多世纪的航天实践，如今在地球周围的空间碎片，其数量之巨、危害之大、清理之难，着实令全人类为之头疼。今后若有条件的话，最好所有的卫星在完成工作使命后都能自动降低轨道，自觉自愿地坠毁到大气层里。

美国的第一颗卫星探险者1号，重量更小，只有14千克，不过轨道要高一些，达到321 X 2515 km（分别指近地点和远地点的高度），轨道周期115分钟。探险者1号的科学贡献很大，它确定了地球外存在电磁辐射带：范艾伦辐射带，还对太空中的流星体进行了探测。探险者1号陨落于1970年3月31日，“享年”近12岁。其轨道寿命远远大于史泼尼克1号，原因就在于它的近地点高度比后者要高出100多千米，受到的大气阻力要小得多。

法国的第一颗人造卫星阿斯特里克斯体重42千克，轨道是527 X 1697 km。其近地点高度比美国的探险者1号又高出不少，所以它至今仍然健在，据估计还将有百年以上的寿命。

日本的第一颗人造卫星大隅号，重9.4公斤，轨道是339 X 5138km，在今天的卫星数据库中已经找不到它的踪影，从它的近地点高度来看，与探险者1号相仿，相信也早已坠落大气层。

中国的第一颗人造卫星“东方红一号”，重量达到173千克，比俄、美、法、日的第一颗卫星加起来还重。它的轨道近地点高度是441千米，远地点高度2368千米。无论从重量还是轨道高度来说，“东方红一号”都彰显了长征一号火箭的运载能力。“东方红一号”上天后，限于当时的技术条件，只做了一些简单的科学实验，但它通过搭载的设备向地面广播《东方红》乐曲的无线电信号（需要地面站接收、解调后再广播），以这种浪漫的方式向全世界宣告中国进入了太空时代。由于“东方红一号”的近地点高度达到441千米，大气阻力的作用已经极其微小，所以尽管它的工作寿命只维持了28天，它的轨道也在持续缓慢地降低，但直到50多年后的今天，“东方红一号”绕转地球已超过35000圈，它的近地点高度仍然维持在430千米，远地点高度2032千米。看来它还将长期遨游太空，宛如中国航天事业一座不落的空中纪念碑。

如果你想亲自看一眼“东方红一号”这位历史功臣，最近较好的一次机会是北京时间2021年4月25日，以南京地区为例，可见情况如下图所示，其中的时间是北京时间。

图11：“东方红一号”（1970-034-A）在2021年4月25日南京地区过境示意图 | 图源：heavens-above

不过说实话，上面这次可见机会其实意义并不大，只有富有经验的天文爱好者，借助小型望远镜才可能成功观测到，因为届时“东方红一号”的亮度只有9等上下（卫星的亮度是变化的，“东方红一号”最理想时的亮度也可能达到6、7等），非常暗弱，远远弱于肉眼的目视极限（5、6等）。

许多有关“东方红一号”的报道或回忆文章中，都提到当年普通群众在晚间目视看到“东方红一号”的经历，为什么现在的“东方红一号”反而暗弱到肉眼看不见呢？

其实，当年“东方红一号”刚发射上天的时候，大家肉眼看到的“东方红一号”，并非“东方红一号”真身，而是紧跟在“东方红一号”身后伴飞的长征一号火箭的末级。一般三级火箭在发射卫星的时候，一级、二级火箭在完成推送任务后都会先后坠落，但三级火箭一般是跟随卫星一起进入轨道，跟在卫星后面飞行。大家知道，夜空中最亮的人造卫星是国际空间站（ISS），亮度最高时高达-2.5等左右，但毕竟那是一个110m X 70m的庞然大物。而“东方红一号”是个接近球体的72面体，直径只有1米左右，在几百千米外的太空中自然不可能被肉眼觉察。为了满足大家亲眼目睹它的愿望，当时的设计方案决定在三级火箭身上做文章，给它加装了一件可以在入轨后展开的围裙一样的镀铝气球，让气球反射太阳光，代替“东方红一号”来被地面的目视观测者识别。

图12：他们看到的其实是穿着“围裙”的长征一号末级火箭| 图源：网络

不过，长征一号的末级火箭不可能一直紧紧跟随“东方红一号”，由于受到大气阻力的影响不完全一致，50年来二者渐行渐远。末级火箭由于穿上了“围裙”，树大招风，受到的大气阻力作用要大于“东方红一号”，时至今日，长征一号的末级火箭的近地点和远地点高度分别为428 km和1539km，再加上其它几个轨道参数也发生显著变化，它和“东方红一号”已经形同陌路了。

人造卫星和天文学家有什么关系？

提起人造卫星，似乎只跟航天部门有关，其实它跟天文学家还有割不断的联系。

发射人造卫星，是个系统性的复杂工程，涉及到诸多的学科。说起来，这当中也少不了天文学家的身影。今天的航天，由多个系统构成，其中测控系统最早就有天文学家参与的身影。

天文学家的研究对象是天体，今天的天文学，天体物理是绝对主流。但其实天体物理占据主流的历史，仅短短数十年，在此之前，天文学中最早出现的分支是天体测量学，其后是天体力学，而天体物理大致在20世纪初开始发展起来，20世纪50年代之后加速发展，突飞猛进。人造卫星工程和天文学的多个分支学科都有一定的联系，不过最主要的还是跟天体力学的联系。人造卫星在发射入轨之后，就完全依靠惯性绕地飞行（不考虑变轨等特殊情况），这跟两个自然天体在引力作用下的相互绕转没有本质区别，因此完全可以从天体力学的角度，像研究自然天体的运动一样来研究人造卫星的运动。

天文学家对天体运动规律的研究，自古就开始了，并最终由开普勒的行星运动三定律以数学公式首次正确描述了行星围绕太阳运转时的轨道特征。而这背后的原理就是牛顿的万有引力。万有引力定律的发现，标志着继天体测量学之后，天文学的又一个分支——天体力学正式诞生。万有引力定律建立后，很快在天文学的应用中大显身手，先是在哈雷彗星的轨道计算中准确预报彗星的回归时间和轨道，一举确立了万有引力定律的威信，继而又通过纸上的理论计算而推测并发现海王星，宣告经典天体力学的划时代胜利。之后，以万有引力定律为基础，经过二三百年无数卓越的数学家和天文学家的努力，天体力学逐步发展和成熟，在太阳系天体的运动和演化、历书编算等领域大显身手，成为研究自然天体运动的主要理论工具。

万有引力定律形式极其简单，在这种定律支配下的天体，其运动轨道似乎也应该非常简单，好像并不值得顶尖科学家持续二三百年的研究。其实问题没有想象的那么简单。如果只考虑两个天体在相互引力作用下的运动，也就是二体问题，这两个天体的运动规律确实很容易以圆满的数学表达式来描述。但是，只要将问题稍微复杂那么一点点，将二体问题扩展到三体问题的时候，天体的运动轨道就会变得非常复杂，以至于无法给出分析形式的数学表达式（只有所谓圆型限制性三体问题等极少数特例情况下才可以寻找到一些特解）。在研究太阳系天体的运动时，要考虑太阳和多个行星甚至月球等卫星的相互作用，研究对象的数量远大于三体问题的情况，复杂度可想而知。

天体力学的成熟，让人类熟练掌握了天体的运动规律，在人造卫星诞生之后，自然就可以直接应用于对人造卫星轨道的计算。

卫星在发射上天之后，为了保障开展正常的应用，需要对卫星一直保持跟踪，以便实施与卫星进行信号或数据的传递、发送指令等操作。如何才能对在空中飞行的卫星进行有效的跟踪呢？这要分几个环节。首先是观测，以光学、无线电等方式，获取有关卫星的位置、距离、视向速度等不同类型的观测资料；接下来是轨道计算，根据观测资料计算出卫星的轨道；再下来就是预报，根据计算出来的轨道，就可以预测卫星在任何时刻将出现在天空中什么位置；最后又回到观测，根据预报卫星将要出现的位置守株待兔，等待卫星如约出现，再次进行观测，从而完成一个闭环。

这个过程里面的轨道计算、预报（其实就是对轨道的外推）、观测，都是天文学家最擅长的事。所以，天文台和天文学家参与到人造卫星工程中，这一点都不奇怪。随着航天事业的不断发展和成熟，今天的航天系统早已经独立开展卫星的轨道计算，一般不再需要天文学家的帮助。不过许多天文台仍然保留有对人造天体的研究部门，继续从事这个领域内一些前沿的难题研究。

“东方红一号”的“南京星下点”

回顾中国人造卫星工作的起步与发展，天文学家同样扮演了重要的角色，尤其是在南京这座城市里。

在人造卫星运动理论中有一个名词——星下点，原本指人造地球卫星在围绕地球的轨道上运转时，其正下方在地面上对应的点。整整半个世纪之前的1970年4月24日，中国第一颗人造卫星“东方红一号”成功发射入轨，中国的航天时代由此开启。在“东方红一号”这个伟大的工程中，南京的天文学家们也作出了不可或缺的贡献，他们当年的行踪构筑了自己在这个工程中的“南京星下点”。五十年过去了，今天我们依然可以循迹“东方红一号”的“南京星下点”，纪念那些为中国第一颗人造卫星奉献智慧的天文学家们。

早在世界上第一颗人造卫星上天之前，紫金山天文台的天文学家们就在台长张钰哲先生的带领下，开展有关人造卫星轨道力学的研究。

1957年12月，《天文学报》发表张钰哲与张家祥合著的论文《人造卫星的轨道问题》，这是中国第一篇研究人造卫星轨道的论文。论文研究了球形地球、扁球形地球两种情形下，几种典型卫星轨道的计算，以及大气阻力对卫星轨道的作用。前面的“图10：大气阻力影响下的卫星轨道示意图”即录自该论文。

图13：中国第一篇研究人造卫星轨道的论文

张钰哲先生是中国现代天文学重要的开拓者与奠基人。他的研究覆盖天文学多个领域，尤其擅长对小行星的观测与轨道研究。张钰哲先生自1941年起担任中央研究院天文研究所（中国科学院紫金山天文台前身）所长，是紫金山天文台小行星方向的创建者。当中国开始向人造卫星领域进军时，张钰哲先生领导的小行星研究室自然成为投身卫星轨道研究的主力。除了人造地球卫星，在人造月球卫星的相关研究方面，张钰哲先生也是先驱者，1965年他开创性地领导开展了对月球火箭轨道的研究，发表了国内第一篇探月轨道论文《定点击中和航测月球的火箭轨道》。

图14：张钰哲和他的学生张家祥 | 图源：紫金山天文台

1965年，中国决定实施发射“东方红一号”卫星的工程，工程代号“651”，并明确“东方红一号”卫星为科学探测性质的试验卫星，对总体技术方案的要求是“上得去、抓得住、听得见、看得见”。其中 “抓得住”对应于跟踪测量，要求在卫星发射后，必须做到能够观测到卫星，能够及时作出轨道预报。

在“抓得住”这项工作中，紫金山天文台承担了重要的任务：负责“东方红一号”卫星测轨预报方案和软件的设计，并负责领导中国科学院人造卫星光学观测网的业务，为“东方红一号”卫星升空后的观测、轨道计算和预报，发挥了至关重要的作用。

紫金山天文台于1966年启动测轨预报方案的研究工作。1967年国防科委召开任务落实会议，成立由紫台、数学所、西北计算所等单位组成的联合工作组，承担“东方红一号”卫星测轨预报方案的研制。紫金山天文台由于出色的前期工作基础，被确定为工作组的业务领导单位。工作组在南京奋战一整年，圆满完成任务，随后分批赴酒泉、喀什等地，现场调试软件，在“东方红一号”发射前一年完成全部准备工作，进入待命状态。测轨预报方案和软件的成功研制，为“东方红一号”任务的顺利完成作出重要贡献。

紫金山天文台还承担了当时中科院人造卫星光学观测网的建设与业务领导工作，观测网的成员最多时达到20多个。这些观测台站有许多在完成历史使命后已经撤销或与其它单位合并，也有的不断发展壮大，成为今天中国天文大家庭中重要的成员，如乌鲁木齐人造卫星观测站今天已经发展成为新疆天文台。而中科院人造卫星光学观测网本身一直挂靠或依托于紫金山天文台，后来发展成为“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”。

图15：观测“东方红一号” | 图源：紫金山天文台

在紫金山天文台紫金山园区的西南角和东边，各自矗立着一座观测楼，分别被称为“天堡城观测室”和“东人卫观测室”。其中天堡城观测室即是在建立中科院人造卫星光学观测网期间，专门为了“东方红一号”任务而建设，而东人卫观测室建设时期稍晚，也是紫台历史上专门用于人造卫星观测的设施。

图16：天堡城观测室 | 图源：紫金山天文台

关于人造卫星工作，南京还有个地方不能不提，这就是南京大学天文学系。南大天文系始建于1952年，近70年来为天文事业培养了无数英才骨干。在“东方红一号”工作中，以及后来的人造卫星轨道力学的研究与人才培养中，同样成果辉煌、厥功至伟。

图17：南京大学天文系,1956年 | 图源：网络

五十年沧海桑田，许多历史的痕迹早已渐渐淡去。依然遨游在太空的“东方红一号”却在提醒人们，科学家的使命永远不会淡去，只会代代传承。

作者简介

张旸：中国科学院紫金山天文台副研究员，科普部主任。

轮值主编：杜福君

编辑：王科超、高娜