潘厚任（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

編者按：

1970年4年24日是我國第一顆衛(wèi)星——東方紅一號發(fā)射成功日。本文以東方紅一號親歷者潘厚任的第一人稱視角，講述了當(dāng)年東方紅一號衛(wèi)星太陽角計研制的過程。

趙九章科學(xué)布局，為空間載荷研究奠定基礎(chǔ)

1958年，中國科學(xué)院“581”組①1958-1964年為“581”任務(wù)時期。1958年7-8年間，中國科學(xué)院成立“581”組，組織協(xié)調(diào)衛(wèi)星和火箭探測任務(wù)。一成立，時任地球物理研究所趙九章所長就結(jié)合高空大氣物理學(xué)的發(fā)展需求，開展了一系列基礎(chǔ)理論研究和實驗室建設(shè)，全面布局各類箭載、星載太空探測儀的預(yù)研工作。如周煒、孫傳禮的電離層及電波傳播學(xué)，劉振興的稀薄氣體動力學(xué)，胡仁超、陳耀武的大氣光化學(xué)，章公亮、徐榮欄、都亨等的磁暴理論等。太空科學(xué)載荷方面，建立了孫傳禮、李緝熙、陳耀行、朱培芳等電離層超短波色散干涉儀，蘇先櫻、朱連等地磁儀，胡仁超、范天錫的空間光輻射探測器，我和陳培仁的微流星探測儀等研制團隊。在空間光輻射大組（后為室）內(nèi)，又按探測波長劃分，先后建立了吳健征負(fù)責(zé)的真空紫外實驗室、顧名禮負(fù)責(zé)的紅外實驗室，和我負(fù)責(zé)的X光實驗室等。這個布局也為后來“651”任務(wù)②1965-1968年為“651”任務(wù)時期。1965年8年2日，衛(wèi)星研制正式立項，確定由國防科委負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)，在中國科學(xué)院內(nèi)設(shè)立一個衛(wèi)星設(shè)計院（“651”設(shè)計院），原“581”任務(wù)改為“651”任務(wù)。提供了多種成熟的科學(xué)載荷。

結(jié)合實際進行業(yè)務(wù)調(diào)整，太陽角計被提出

1960年底，微流星探測儀雖已完成正樣，但由于當(dāng)時氣象火箭達不到能測到微流星粒子的最低高度，研制小組就地解散，我被調(diào)到第五研究大組（空間光輻射研究室）的第四小組，負(fù)責(zé)太陽日冕軟X光探測儀的研制。我、鐘哲民和于振田負(fù)責(zé)探測儀方案和標(biāo)定；李政元、虞善咪和孫崗峰負(fù)責(zé)軟X 光正比計數(shù)管、電離室的研制；林華安和張國凡承擔(dān)電子線路的研制。由于大多數(shù)空間科學(xué)載荷在進行數(shù)據(jù)處理時都需要知道火箭的實時姿態(tài)，因此，我們在1963年也開始研究探空火箭的姿態(tài)測量原理和方法。

太陽軟X 光探測儀是專門用來探測太陽日冕輻射的。日冕密度雖極為稀薄，但其等效電子溫度為百萬數(shù)量級，主要輻射波長0.1 ～10nm 的軟X 射線，且在離地面60km 以上高度才能測到。要測得日冕軟X 光的絕對值，除了要研制上天的探測儀外，還必須解決兩個問題：一是要研制地面設(shè)備對探測儀進行標(biāo)定，而當(dāng)時所有的X 光熒光儀和衍射儀都是探測波長短于0.1nm 的硬X 射線；二是若衛(wèi)星平臺不是對向太陽的三軸控制姿態(tài)，必須知道太陽輻射對探測儀的入射方向角，因為進入探頭的光流量隨入射方向而改變，垂直入射時達到最大值。較簡便的辦法是軟X光探測儀自帶一個太陽角計。

光敏管前加“窗口”，得到理想余弦曲線

20 世紀(jì)60年代初期，可供選用的國產(chǎn)光敏器件很少。我們只有CBЦ-3 銻絕真空光敏管和硫化鉛兩種元件進行對比，前者雖體積、功耗較大，且有易碎的玻殼，但對溫度等環(huán)境影響較小，特別是可見光靈敏度高。按照理論分析，太陽光不同入射角輸出變化應(yīng)符合余弦定律，但真空光敏管與此相差很大。我們想了幾種辦法，試著在光敏管前加一白料玻璃的漫射窗口，就可與余弦曲線基本符合。最終，我們采用了于振田提出的微晶玻璃漫射面，取得了較好的效果，在地面太陽光直射時，就有幾個微安的輸出電流。光敏管前放一片漫射窗口的另一個好處則是既可保護玻殼，又可擋住占太陽輻射能量一多半的紅外輻射，以免在太陽光正射時溫度大幅度上升而影響光敏管的穩(wěn)定性。

為尋找太陽模擬源，挑擔(dān)上“羊山”

要在大氣層外的太空實際使用，最大的難點是如何知道太陽正射時的最大輸出值。而當(dāng)時尚沒有太陽模擬源，既要強度達到太陽常數(shù)，光譜分布又要相當(dāng)于高至6000 度的普朗克分布。

為解決這個難題，我們分析出了一個近似辦法。當(dāng)太陽相對地面處于0°～90°不同的天頂角時，測量一系列的太陽角計輸出值，再把這些點值由小至大連成線，因為隨著太陽天頂角的減小，太陽射線和探頭間穿越的大氣路徑就越短，把這條測線延伸外推，就可得到大氣密度近乎為零的輸出值。

要進行這樣的標(biāo)定測量，最好是在回歸線以內(nèi)的低緯地區(qū)，這樣中午時分太陽天頂角可達到0°，輸出值最大，可提高外延的精度。另外，測點的海拔高度越高，底層大氣的不穩(wěn)定性影響就越小，無風(fēng)的晴朗天氣則是必要條件。

為此，我們先在北京西山踩點，依靠當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)的指點，找到一座放羊的荒山，海拔高度超過1km，且有一條羊腸小道，彎彎曲曲可達山頂，我們稱之為“羊山”。在一個舊經(jīng)緯儀的主鏡上安裝太陽角計，使探頭窗口法線與主鏡光軸平行，可用主鏡對太陽成像投影的調(diào)節(jié)來對準(zhǔn)太陽，從經(jīng)緯儀度盤讀取太陽天頂角。1963年夏至前后，我們挑了一個無云無風(fēng)的日子，將所有的測試設(shè)備、工具、干糧和水打包成一副貨郎擔(dān)，鐘哲民、于振田、林華安、李政元、虞善咪和我一行六人，在日出前趕到“羊山”腳下，輪流挑擔(dān)沿著羊腸小道直達頂峰，一直測到日落才下山。

加上“貓耳朵”，使衛(wèi)星姿態(tài)測量更精準(zhǔn)

由于太陽角計探頭裝在衛(wèi)星腰帶上，設(shè)計視場為半球面。衛(wèi)星在太空自旋時，絕大部分時間都能掃到太陽，每轉(zhuǎn)一周，可掃出一個余弦波形，波形峰值對應(yīng)太陽射向與窗口法線的最小交角，即最大入射角。由余弦波形的周期即可得到衛(wèi)星的自旋速率。如碰上太陽正射，便可修正地面的標(biāo)定值。

我調(diào)到總體組后，林華安又提出改進建議，在太陽角計探頭殼體沿腰帶方向的兩側(cè)各開一狹縫，當(dāng)衛(wèi)星自旋掃過太陽時，在余弦波形峰值兩邊就會多出兩個像貓耳朵那樣的小尖峰。根據(jù)兩個小尖峰間的時差，可使計算出的衛(wèi)星自旋周期更精準(zhǔn)。

1968年，專家組對東方紅一號衛(wèi)星方案進行了復(fù)審，為保證首發(fā)成功，最終決定3 個科學(xué)載荷先不搭載在衛(wèi)星上，但保留太陽X 光探測儀的附件—太陽角計，用以測定衛(wèi)星相對太陽的姿態(tài)變化和自旋速率。最后由吳健征、于振田和林華安等人完成了東方紅一號太陽角計的正樣交付。