+孫凝子

"東方紅”托起的中國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用
——范本堯院士專訪

+孫凝子

1984年4月8日，東方紅二號(hào)試驗(yàn)通信衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，這是我國(guó)第一顆靜止軌道同步通信衛(wèi)星。以此為出發(fā)點(diǎn)，開啟了我國(guó)的衛(wèi)星通信應(yīng)用新時(shí)代。而今年，2014年，正是我國(guó)第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射成功三十周年。在這個(gè)特殊的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，我們帶著對(duì)“331工程”的好奇，走進(jìn)了參加研制我國(guó)第一代通信衛(wèi)星的衛(wèi)星總體技術(shù)專家——范本堯院士。

三十年來(lái)，我國(guó)通信衛(wèi)星事業(yè)快速發(fā)展，平臺(tái)不斷換代升級(jí)，而其中包含了我國(guó)一代又一代航天人的不計(jì)回饋的辛勤付出——范院士就是其中的一員。三十余載的光陰，當(dāng)年的小伙子，如今已經(jīng)變成了滿頭銀發(fā)的老人，但當(dāng)范院士談起伴隨自己一生的衛(wèi)星事業(yè)，我們依然能夠感受到這位老人內(nèi)在的激情。

十年光陰放衛(wèi)星

1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功地把世界上第一顆繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星送入軌道。這顆名為“斯普尼克一號(hào)”的衛(wèi)星重達(dá)83公斤，不僅震驚了美國(guó)，更震驚了全世界。1958年5月17日，在中共“八大二次”會(huì)議上，毛主席提出了“我們也要搞人造衛(wèi)星”。1958年12月美國(guó)發(fā)射了第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通信迅速發(fā)展。

1972年，美國(guó)總統(tǒng)尼克松首次訪華，帶來(lái)了一個(gè)可以實(shí)況轉(zhuǎn)播會(huì)談的“黑匣子”——也就是一個(gè)衛(wèi)星地面站——這引起了周總理極大的關(guān)注，同時(shí)也勾起了中國(guó)專家對(duì)衛(wèi)星通訊的興趣。1974年，國(guó)家計(jì)委和國(guó)防科委聯(lián)合起草了《關(guān)于發(fā)展我國(guó)通信衛(wèi)星問(wèn)題的報(bào)告》。1975年3月31日中央軍委通過(guò)并得到了毛主席和周總理的批準(zhǔn)。這也就是中國(guó)發(fā)射通信衛(wèi)星被稱為“331工程”的原因。

據(jù)范院士介紹，自從1975年開始開展發(fā)射衛(wèi)星的五大系統(tǒng)的研究。相關(guān)的攻關(guān)和方案一直延續(xù)到1977年，進(jìn)展速度不快。1977年，作為我國(guó)國(guó)防科技和武器裝備建設(shè)改革的積極開拓者，當(dāng)時(shí)的國(guó)防部長(zhǎng)張愛萍提出了“三抓”任務(wù)。所謂“三抓”，指的是要抓洲際導(dǎo)彈、潛地導(dǎo)彈、通信衛(wèi)星研制和發(fā)射三項(xiàng)任務(wù)。國(guó)家對(duì)通信衛(wèi)星的重視程度可見一斑。

1983年9月份，包括衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控和地面應(yīng)用的五大系統(tǒng)都已經(jīng)研制完成，全體工作人員進(jìn)入靶場(chǎng)。這一呆就是8個(gè)月，范院士印象中，中秋節(jié)、國(guó)慶節(jié)、元旦、春節(jié)，都是在靶場(chǎng)度過(guò)的。

1984年1月26日東方紅2號(hào)的第一顆衛(wèi)星，由于運(yùn)載火箭系統(tǒng)的故障——長(zhǎng)征3號(hào)第3級(jí)二次點(diǎn)火故障，“這顆星就掉進(jìn)太平洋里去了——這算是第一次發(fā)射失敗?！彪S后范院士帶著久經(jīng)時(shí)間考驗(yàn)的那種笑容說(shuō)：“也沒什么的，大家就繼續(xù)在靶場(chǎng)接著干?！?/p>

這一干，又是3個(gè)月的時(shí)間過(guò)去了。4月8日，中國(guó)第一顆地球靜止軌道試驗(yàn)通信衛(wèi)星發(fā)射成功。范院士以他一貫平靜的口吻敘述著：“這個(gè)星呢進(jìn)展還算順利，聰明地找到了屬于自己的軌道位置?！钡F(xiàn)在的平靜口吻更像是歲月錘煉后一種寵辱不驚的淡定。當(dāng)年的情況遠(yuǎn)非如此一帆風(fēng)順。

當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)地球同步軌道時(shí)，地面測(cè)控人員發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星蓄電池溫度不斷升高，超出正常范圍，將會(huì)影響到衛(wèi)星的成敗，現(xiàn)場(chǎng)專家和技術(shù)人員緊急進(jìn)行分析，判斷是由于太陽(yáng)電池主陣溫度升高，輸出電壓偏高，二極管正向?qū)ǎ粩嘟o蓄電池充電，造成溫度升高。果斷采取了調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，改變太陽(yáng)光入射角，從而降低了主陣的功率輸出，使蓄電池溫度逐步降至正常值。衛(wèi)星于4月16日成功定點(diǎn)于東經(jīng)125°赤道上空。范院士總的評(píng)價(jià)說(shuō)：“第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星還是要比預(yù)想的順利。”

開啟通信衛(wèi)星應(yīng)用新紀(jì)元

第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星成功定點(diǎn)后，即開通了北京至烏魯木齊、拉薩、昆明等地的通信業(yè)務(wù)，開通了新疆、西藏、云南等邊遠(yuǎn)地區(qū)的衛(wèi)星電視、廣播等節(jié)目，使少數(shù)民族地區(qū)能實(shí)時(shí)收看到中央臺(tái)的節(jié)目，而不需要等待7天時(shí)間。

范院士說(shuō)，就這樣，從1975年中央批準(zhǔn)331工程，一直到1984年?yáng)|方紅二號(hào)發(fā)射并定點(diǎn)成功，經(jīng)歷了自力更生、刻苦攻關(guān)、奮勇拼搏的九年時(shí)間，終于實(shí)現(xiàn)了中國(guó)靜止軌道通信衛(wèi)星從無(wú)到有的跨越，使我國(guó)成為世界上第五個(gè)有能力發(fā)射靜止衛(wèi)星的國(guó)家，開啟了我國(guó)自主衛(wèi)星應(yīng)用的新紀(jì)元。范院士還強(qiáng)調(diào)，這顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，還為我國(guó)今后的衛(wèi)星通信技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為高軌衛(wèi)星的發(fā)射創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件和保障措施。例如：

——為減輕衛(wèi)星重量而采用的新材料、新結(jié)構(gòu)，如復(fù)合材料蜂窩夾層殼、鈦合金波紋薄殼、機(jī)械消旋定向天線等；

——既能保證星體自旋穩(wěn)定，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)地通信要求的“雙自旋控制技術(shù)”。當(dāng)時(shí)美國(guó)休斯公司衛(wèi)星都采用這個(gè)方案，我國(guó)是完全自立更生研制出來(lái)的；

——調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)的單組元推進(jìn)系統(tǒng)以及把200公里近地點(diǎn)提高至36000公里的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等；

——第三子級(jí)采用高能低溫液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭以及高空二次點(diǎn)火技術(shù)；

——用于遠(yuǎn)距離測(cè)控的微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)和衛(wèi)星測(cè)控中心（含“遠(yuǎn)望號(hào)”測(cè)量船隊(duì)）；

——建成我國(guó)低緯度火箭發(fā)射場(chǎng)——西昌衛(wèi)星發(fā)射中心；

以上這些技術(shù)和系統(tǒng)，都是為我國(guó)以后的衛(wèi)星通信工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而其中最讓范院士自豪的就是整個(gè)東方紅二號(hào)通信衛(wèi)星工程相關(guān)的五大系統(tǒng)，以及所有的元器件，全部都是自力更生，自主研發(fā)的。

東方紅二號(hào)衛(wèi)星上天之后，為了滿足廣大群眾對(duì)衛(wèi)星電視的迫切需求，立即開展了對(duì)東方紅二號(hào)衛(wèi)星的改進(jìn)提高工作，要在最短時(shí)間內(nèi)完成東方紅二號(hào)甲國(guó)內(nèi)實(shí)用衛(wèi)星的研制，將原二路轉(zhuǎn)發(fā)器擴(kuò)充至四路，衛(wèi)星壽命由三年延長(zhǎng)至四年半。經(jīng)過(guò)同志們?nèi)找岳^夜的努力，三顆東方紅二號(hào)甲衛(wèi)星分別于1988年3月7日、12月22日和1990年2月4日發(fā)射成功，并分別定點(diǎn)于87.5°、110.5°和98°，成功地播送了中央第一套、第二套和云南、貴州、新疆等邊遠(yuǎn)省份的電視節(jié)目以及教育一臺(tái)、二臺(tái)的節(jié)目，開通了30路對(duì)外廣播業(yè)務(wù)以改革衛(wèi)星通信，逐步滿足當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)電視通信的需求。

自己給自己挑重?fù)?dān)

1983年當(dāng)時(shí)的廣播、電視應(yīng)用部門為了滿足國(guó)內(nèi)衛(wèi)星電視的需求，為盡快發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星電視通信事業(yè)，曾向國(guó)外衛(wèi)星制造公司采購(gòu)Ku頻段電視直播衛(wèi)星的招標(biāo)工作，當(dāng)時(shí)有三家衛(wèi)星公司競(jìng)標(biāo)，分別是美國(guó)RCA公司、西德MBB公司和法國(guó)的MATRA公司。1985年已經(jīng)進(jìn)展到評(píng)標(biāo)階段。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)航天專家提出了不同建議：一，我國(guó)已成功發(fā)射了東方紅二號(hào)通信衛(wèi)星，并正在研制東方紅二號(hào)甲實(shí)用衛(wèi)星，應(yīng)該繼續(xù)堅(jiān)持走自主發(fā)展道路，自力更生研發(fā)下一代通信廣播衛(wèi)星；二，國(guó)內(nèi)已建設(shè)了C頻段的衛(wèi)星地面設(shè)施，應(yīng)該繼續(xù)優(yōu)先發(fā)展C頻段的通信廣播衛(wèi)星。而應(yīng)用部門則認(rèn)為國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星性能與國(guó)外通信衛(wèi)星差距很大，“買星”來(lái)得快，又好又便宜，可以解國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的燃眉之急。

雙方意見不一致，最終國(guó)務(wù)院李鵬總理代表中央作出了決定：停止與國(guó)外衛(wèi)星公司的簽約談判，下一代通信衛(wèi)星由國(guó)內(nèi)自行研制，并優(yōu)先發(fā)展C頻段通信衛(wèi)星業(yè)務(wù)。工程代號(hào)為862，新一代衛(wèi)星命名為“東方紅三號(hào)”通信廣播衛(wèi)星。

當(dāng)時(shí)應(yīng)用部門明確提出：東方紅三號(hào)衛(wèi)星必須采用先進(jìn)技術(shù)，衛(wèi)星性能不得低于國(guó)外報(bào)標(biāo)的水平，即必須達(dá)到當(dāng)時(shí)八十年代的國(guó)際先進(jìn)水平；要求衛(wèi)星方案起點(diǎn)高，要同時(shí)滿足今后擴(kuò)展要求，滿足Ku頻率與廣播衛(wèi)星要求。

這就意味著東方紅三號(hào)必須配置24路轉(zhuǎn)發(fā)器和八年的工作壽命，要滿足這些要求，衛(wèi)星方案必須徹底改變。為了提高太陽(yáng)電池輸出功率，必須放棄雙自旋控制方案，采用最先進(jìn)的全三軸姿態(tài)控制方案，采用展開式太陽(yáng)電池陣；為節(jié)省燃料，必須舍棄固體遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，而采用當(dāng)時(shí)國(guó)外衛(wèi)星初次使用的雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)；為解決通信頻段帶寬限制而不得不采用雙柵賦形波束天線等頻率復(fù)用技術(shù)、一體化24路微波接收機(jī)；為克服運(yùn)載火箭發(fā)射重量限制，必須采用高模量碳纖維承力結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等等。

“東方紅三號(hào)衛(wèi)星的高性能指標(biāo)和所需解決的新技術(shù)，難度實(shí)在太大了。有些新技術(shù)國(guó)外衛(wèi)星也還只是首次采用，有些如雙柵賦形波束天線當(dāng)時(shí)西德尚在研發(fā)中。而我國(guó)又沒有條件開展前期的預(yù)研攻關(guān)工作，沒有任何技術(shù)儲(chǔ)備?？梢哉f(shuō)，當(dāng)時(shí)我們真是自己給自己找重?fù)?dān)挑了?！狈对菏空J(rèn)真地說(shuō)。

一波三折的東方紅三號(hào)

任務(wù)再困難也要馬上開始干，人們不分晝夜，院里院外，國(guó)內(nèi)國(guó)外，爭(zhēng)分奪秒，開展了衛(wèi)星總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了各項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)；充分利用當(dāng)時(shí)國(guó)家“改革開放”政策，以我國(guó)為主開展對(duì)外技術(shù)合作。整整八年，解決了成百上千個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，攻克了十多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，終于在1994年完成了衛(wèi)星各系統(tǒng)的全部研制工作。

1994年11月30日，長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭將東方紅三號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射至轉(zhuǎn)移軌道，再由衛(wèi)星自己從200公里近地點(diǎn)升高至36000公里。沒想到，衛(wèi)星在完成第一次變軌后，出現(xiàn)一個(gè)推力器的燃料管路泄漏。技術(shù)人員在焦急之外，當(dāng)務(wù)之急是設(shè)法堵漏，并判斷在燃料泄漏狀態(tài)下衛(wèi)星還能否繼續(xù)完成變軌任務(wù)。

經(jīng)過(guò)緊急磋商、方案分析和大量數(shù)學(xué)仿真，“東三”團(tuán)隊(duì)終于找到了調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，將推力器背離太陽(yáng)，利用太空的低溫環(huán)境，將管中燃料冷卻結(jié)冰來(lái)堵塞泄漏的方法。當(dāng)衛(wèi)星變軌需用該推力器時(shí)，再調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)把推力器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，使管中結(jié)冰的燃料融化，以便推力器使用。該方法通過(guò)了地面模擬試驗(yàn)，證實(shí)在燃料泄漏情況下，該推力器尚能工作。于是就這樣在燃料泄漏狀態(tài)下完成了第二次遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌，變軌后再使用同樣的方法調(diào)姿堵漏。

可是令人沒想到，在衛(wèi)星最后一次變軌時(shí)，衛(wèi)星姿態(tài)突然失控，變軌失敗，檢查結(jié)果是燃料耗盡，所有推力器都不能工作了。這下子大家都傻眼了，但是怎么可能這么輕易地放棄近十年來(lái)努力得到的成果呢？專家們又提出了利用剩余氧化劑噴射作用來(lái)控制衛(wèi)星的設(shè)想。于是技術(shù)人員立即在北京開展了地面點(diǎn)火試驗(yàn)，還好試驗(yàn)結(jié)果表明，推力器還有不到十分之一的推力可以利用。為了使星上的控制計(jì)算機(jī)適應(yīng)這種新狀態(tài)，只好在地面按推力器的新參數(shù)重新設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)仿真驗(yàn)證正確更改后，逐條逐項(xiàng)發(fā)送到衛(wèi)星上進(jìn)行內(nèi)存修改。就這樣好不容易利用剩余氧化劑噴出產(chǎn)生的微小推力，將衛(wèi)星成功送上了地球同步軌道。

“本以為事情走到這一步，衛(wèi)星逐步轉(zhuǎn)移至東經(jīng)125度定點(diǎn)位置，應(yīng)該是沒有問(wèn)題的了?？墒乔闆r遠(yuǎn)沒有我們想象中順利：衛(wèi)星姿態(tài)控制又失控了——可能是泄漏的一甲基肼燃料將推進(jìn)系統(tǒng)的電纜腐蝕，造成了斷電。衛(wèi)星再也無(wú)法定點(diǎn)工作。經(jīng)歷了這么多困難，大家始終不離不棄，四十多個(gè)日日夜夜都在搶救這顆衛(wèi)星。最終還是沒能搶救過(guò)來(lái)，當(dāng)時(shí)大家都十分痛心。”范院士這樣沉重地說(shuō)。

“第一顆衛(wèi)星的定點(diǎn)失敗，也讓我們得到了許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。這也是一次實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，使我們對(duì)衛(wèi)星的各個(gè)系統(tǒng)有了更深入的了解，技術(shù)掌握更熟練，特別是出了故障后該如何處理，收獲要比僅僅在地面做實(shí)驗(yàn)要大得多。同時(shí)令人欣慰的是，通過(guò)發(fā)射、除推力器故障外，衛(wèi)星的其他系統(tǒng)方案，各項(xiàng)新技術(shù)都得到了檢驗(yàn)，為后來(lái)的第二顆‘東三’衛(wèi)星的發(fā)射成功奠定了基礎(chǔ)。”范院士這樣評(píng)價(jià)道。

在經(jīng)過(guò)對(duì)衛(wèi)星推力器方案徹底改進(jìn)后，東方紅三號(hào)第二顆衛(wèi)星于1997年5月12日發(fā)射升空，5月20日成功定點(diǎn)。標(biāo)志著我國(guó)通信衛(wèi)星技術(shù)跨上了一個(gè)新臺(tái)階，成為我國(guó)首顆面向全社會(huì)的商業(yè)衛(wèi)星。東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)也成為一個(gè)性能穩(wěn)定，可為多種用途衛(wèi)星服務(wù)的衛(wèi)星公用平臺(tái)，并成為應(yīng)用于20多顆軍民通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星以及月球探測(cè)衛(wèi)星，同時(shí)也為第三代通信衛(wèi)星——東方紅四號(hào)的研制和成功發(fā)射奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

可以說(shuō)，“東方紅”托起的中國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用，也托起了范院士波瀾壯闊又從容平和的人生經(jīng)歷。當(dāng)我們紀(jì)念我國(guó)首顆通信衛(wèi)星成功發(fā)射和定軌三十周年的時(shí)候，不能忘記前人的努力，也不能辜負(fù)前人的殷切期望，中國(guó)的航天事業(yè)一定會(huì)譜寫出新的華美篇章。