【专题】东方红一号卫星太阳角计的故事

1970年4月24日是我国第一颗卫星——东方红一号发射成功日。本文以东方红一号亲历者潘厚任的第一人称视角,讲述了当年东方红一号卫星太阳角计研制的过程。潘厚任是中国科学院国家空间科学中心研究员、东方红一号卫星总体设计组副组长,曾任中国科学院空间科学与应用总体部副主任兼载人航天工程应用系统副总指挥。

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一、赵九章科学布局,为空间载荷研究奠定基础

1958年,中国科学院“581组”一成立,时任地球物理研究所赵九章所长就结合高空大气物理学的发展需求,开展了一系列基础理论研究和实验室建设,全面布局各类箭载、星载太空探测仪的预研工作。如周炜、孙传礼的电离层及电波传播学,刘振兴的稀薄气体动力学,胡仁超、陈耀武的大气光化学,章公亮、徐荣栏、都亨等的磁暴理论等。

太空科学载荷方面,建立了孙传礼、李缉熙、陈耀行、朱培芳等电离层超短波色散干涉仪,苏先樱、朱连等地磁仪,胡仁超、范天锡的空间光辐射探测器,我和陈培仁的微流星探测仪等研制团队。

在空间光辐射大组(后为室)内,又按探测波长划分,先后建立了吴健征负责的真空紫外实验室、顾名礼负责的红外实验室,和我负责的X光实验室等。这个布局也为后来“651”任务提供了多种成熟的科学载荷。

二、结合实际进行业务调整,太阳角计被提出

1960年底,微流星探测仪虽已完成正样,但由于当时气象火箭达不到能测到微流星粒子的最低高度,研制小组就地解散,我被调到第五研究大组(空间光辐射研究室)的第四小组,负责太阳日冕软X光探测仪的研制。我、钟哲民和于振田负责探测仪方案和标定;李政元、虞善咪和孙岗峰负责软X光正比计数管、电离室的研制;林华安和张国凡承担电子线路的研制。

由于大多数空间科学载荷在进行数据处理时都需要知道火箭的实时姿态,因此,我们在1963年也开始研究探空火箭的姿态测量原理和方法。

太阳软X光探测仪是专门用来探测太阳日冕辐射的。日冕密度虽极为稀薄,但其等效电子温度为百万数量级,主要辐射波长0.1~10nm的软X射线,且在离地面60km以上高度才能测到。

要测得日冕软X光的绝对值,除了要研制上天的探测仪外,还必须解决两个问题:一是要研制地面设备对探测仪进行标定,而当时所有的X光荧光仪和衍射仪都是探测波长短于0.1nm的硬X射线;二是若卫星平台不是对向太阳的三轴控制姿态,必须知道太阳辐射对探测仪的入射方向角,因为进入探头的光流量随入射方向而改变,垂直入射时达到最大值。较简便的办法是软X光探测仪自带一个太阳角计。

三、光敏管前加“窗口”,得到理想余弦曲线

20世纪60年代初期,可供选用的国产光敏器件很少。我们只有CBЦ-3锑绝真空光敏管和硫化铅两种元件进行对比,前者虽体积、功耗较大,且有易碎的玻壳,但对温度等环境影响较小,特别是可见光灵敏度高。

按照理论分析,太阳光不同入射角输出变化应符合余弦定律,但真空光敏管与此相差很大。我们想了几种办法,试着在光敏管前加一白料玻璃的漫射窗口,就可与余弦曲线基本符合。

最终,我们采用了于振田提出的微晶玻璃漫射面,取得了较好的效果,在地面太阳光直射时,就有几个微安的输出电流。光敏管前放一片漫射窗口的另一个好处则是既可保护玻壳,又可挡住占太阳辐射能量一多半的红外辐射,以免在太阳光正射时温度大幅度上升而影响光敏管的稳定性。

四、为寻找太阳模拟源,挑担上“羊山”

要在大气层外的太空实际使用,最大的难点是如何知道太阳正射时的最大输出值。而当时尚没有太阳模拟源,既要强度达到太阳常数,光谱分布又要相当于高达6000度的普朗克分布。

为解决这个难题,我们分析出了一个近似办法。当太阳相对地面处于0°~90°不同的天顶角时,测量一系列的太阳角计输出值,再把这些点值由小至大连成线,因为随着太阳天顶角的减小,太阳射线和探头间穿越的大气路径就越短,把这条测线延伸外推,就可得到大气密度近乎为零的输出值。要进行这样的标定测量,最好是在回归线以内的低纬地区,这样中午时分太阳天顶角可达到0°,输出值最大,可提高外延的精度。另外,测点的海拔高度越高,底层大气的不稳定性影响就越小,无风的晴朗天气则是必要条件。

为此,我们先在北京西山踩点,依靠当地老乡的指点,找到一座放羊的荒山,海拔高度超过1km,且有一条羊肠小道,弯弯曲曲可达山顶,我们称之为“羊山”。在一个旧经纬仪的主镜上安装太阳角计,使探头窗口法线与主镜光轴平行,可用主镜对太阳成像投影的调节来对准太阳,从经纬仪度盘读取太阳天顶角。

1963年夏至前后,我们挑了一个无云无风的日子,将所有的测试设备、工具、干粮和水打包成一副货郎担,钟哲民、于振田、林华安、李政元、虞善咪和我一行六人,在日出前赶到“羊山”脚下,轮流挑担沿着羊肠小道直达顶峰,一直测到日落才下山。

五、加上“猫耳朵”,使卫星姿态测量更精准

由于太阳角计探头装在卫星腰带上,设计视场为半球面。卫星在太空自旋时,绝大部分时间都能扫到太阳,每转一周,可扫出一个余弦波形,波形峰值对应太阳射向与窗口法线的最小交角,即最大入射角。由余弦波形的周期即可得到卫星的自旋速率。如碰上太阳正射,便可修正地面的标定值。

我调到总体组后,林华安又提出改进建议,在太阳角计探头壳体沿腰带方向的两侧各开一狭缝,当卫星自旋扫过太阳时,在余弦波形峰值两边就会多出两个像猫耳朵那样的小尖峰。根据两个小尖峰间的时差,可使计算出的卫星自旋周期更精准。

1968年,专家组对东方红一号卫星方案进行了复审,为保证首发成功,最终决定3个科学载荷先不搭载在卫星上,但保留太阳X光探测仪的附件——太阳角计,用以测定卫星相对太阳的姿态变化和自旋速率。最后由吴健征、于振田和林华安等人完成了东方红一号太阳角计的正样交付。

来源:《国际太空》2020年第4期

作者:潘厚任