“揚(yáng)帆起航 逐夢九天”,2021年“中國航天日”在南京盛大開幕。而在51年前的今天——1970年4月24日,我國第一顆人造地球衛(wèi)星——“東方紅一號”成功發(fā)射升空,從此,中國人探索宇宙奧秘、和平利用太空、造福人類的序幕正式拉開。
“東方紅一號”是整整一代人奮斗的成果,寄托了一個(gè)民族的夢想。有關(guān)當(dāng)年“東方紅一號”工程的前前后后,有許多回憶文章。本文談幾個(gè)較少提及的話題以及“東方紅一號”與當(dāng)年南京的天文學(xué)家們的關(guān)系。
發(fā)射人造衛(wèi)星的主要工具——運(yùn)載火箭
人造衛(wèi)星的發(fā)射,首先離不開火箭。
在黑火藥的故鄉(xiāng)中國,歷代的傳說中都不缺有關(guān)飛天的夢想或想象,有補(bǔ)天的女媧,奔月的嫦娥,以及明朝的官員萬戶。萬戶飛天不是借助飄渺的神力,而是以近似現(xiàn)代運(yùn)載火箭的方式,在他的座椅下方綁上47支黑火藥火箭,企圖點(diǎn)燃火箭后一飛沖天。這雖然只是個(gè)傳說,但I(xiàn)AU確實(shí)在月球的背面以“萬戶”命名了一座撞擊坑(環(huán)形山),以紀(jì)念這位傳說中的航天先驅(qū)。
圖1 :傳說中的萬戶飛天 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
真正可用于航天發(fā)射的火箭,是現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理、工程等多學(xué)科發(fā)展成熟并相互融合的結(jié)果。東歐人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(1857-1935)(波蘭與俄羅斯混血)堪稱現(xiàn)代火箭之父,他一生致力于火箭研究和試驗(yàn),于1903年公開發(fā)表火箭方程式,確立了火箭的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),也讓他自己的傳世預(yù)言“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃中”成為可能。據(jù)稱英國數(shù)學(xué)家威廉·摩爾(William Moore)更早于1813年就推導(dǎo)出等效的方程式,但他的結(jié)果當(dāng)時(shí)僅用于武器研究,并未公開發(fā)表,因而世人未能及時(shí)知曉。
圖2:齊奧爾科夫斯基的個(gè)人實(shí)驗(yàn)室和手稿 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
世界上第一支試射成功的現(xiàn)代火箭,是一枚液體燃料火箭,發(fā)明人是羅伯特·哈金斯·戈達(dá)德(Goddard,1882-1945)。在1926年3月16日,這枚火箭差不多以4層民居樓的最大高度,飛行了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)泳池的長度,歷時(shí)2.5秒。這次看起來并不顯眼的飛行,創(chuàng)造了人類航天的一個(gè)重要里程碑。為了紀(jì)念這位火箭先驅(qū),美國國家航空航天局(NASA)于1959年成立Goddard Space Center,IAU也在月球上命名“Goddard Crater”來紀(jì)念他。
圖3:戈達(dá)德和他的火箭 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
戈達(dá)德的火箭試驗(yàn)成功了,但它還很簡陋,不能作為有效的運(yùn)載工具。將火箭變成運(yùn)載工具的是鼎鼎大名的德國科學(xué)家沃納·馮·布勞恩(Wernher von Braun)。布勞恩在二戰(zhàn)期間幫助德國研制成功V1和V2火箭,用以攻擊英國等歐洲盟國。布勞恩雖然為納粹德國服務(wù)過,但他厭惡戰(zhàn)爭,曾因此被德國納粹關(guān)入監(jiān)獄。戰(zhàn)后他率領(lǐng)約五百人的火箭研制團(tuán)隊(duì),躲避蘇聯(lián)的爭搶而投奔美國,后來為人類航天事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。他主持研制的土星5號火箭,先后9次將航天員送往月球(其中2次繞月飛行,6次登陸月球,1次因阿波羅飛船故障中途返航——即著名的阿波羅13號)。土星5號也是迄今為止人類制造過的最大運(yùn)力火箭,它的運(yùn)力甚至遠(yuǎn)高于當(dāng)前服役中的各國運(yùn)載火箭。
圖4:布勞恩與土星5號火箭 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
在美國人將布勞恩接回美國的工作團(tuán)隊(duì)中,有一位著名科學(xué)家是中國人,后來成為中國航天事業(yè)的奠基人,他就是錢學(xué)森。在他的領(lǐng)導(dǎo)下,中國的航天事業(yè)得以快速穩(wěn)步發(fā)展,經(jīng)過幾代人共同的不懈努力,今天的中國已經(jīng)成為一個(gè)航天大國。
圖5:錢學(xué)森和長征一號運(yùn)載火箭 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
長征一號火箭是發(fā)射“東方紅一號”的火箭,它全長近30米,近地軌道運(yùn)載能力達(dá)300kg,于1970年3月完成研制生產(chǎn)。
各國的第一顆人造衛(wèi)星
二戰(zhàn)之后,火箭不再直接用于戰(zhàn)場,一些世界大國轉(zhuǎn)而在航天競賽中針鋒相對,你追我趕。在它們的帶動(dòng)下,以及各國自身航天事業(yè)發(fā)展的需求驅(qū)動(dòng)下,全世界的航天事業(yè)蓬勃發(fā)展,快速地將人類歷史推進(jìn)到太空時(shí)代。
1957年10月4日,俄國成功發(fā)射人類歷史上第一顆人造衛(wèi)星——史潑尼克1號(Sputnik 1),拉開美俄之間30多年的太空競賽(包括后期的合作)的序幕,并在這場競賽中拔得頭籌。
圖6:史潑尼克1號 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
1958年1月31日,在俄國人的第二顆人造衛(wèi)星也上天之后,作為對太空競賽的回應(yīng),美國發(fā)射了其第一顆人造衛(wèi)星探險(xiǎn)者1號(Explorer 1)。
圖7:(左) 探險(xiǎn)者1號;(右) 范艾倫輻射帶 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
1965年11月26日,法國成功發(fā)射其第一顆人造衛(wèi)星阿斯特里克斯(Asterix)。法國成為世界上第三個(gè)獨(dú)立發(fā)射人造衛(wèi)星的國家。不過在法國發(fā)射衛(wèi)星之前,美國還幫助英國、加拿大、意大利發(fā)射了衛(wèi)星,使得他們在法國之前更早擁有了屬于自己的在軌衛(wèi)星。
圖8: 法國紀(jì)念郵票中的阿斯特里克斯衛(wèi)星和發(fā)射它的火箭| 圖源:網(wǎng)絡(luò)
1970年2月11日,日本成功發(fā)射了其第一顆人造衛(wèi)星“大隅”號,搶在中國之前72天成為世界上第四個(gè)發(fā)射人造衛(wèi)星的國家。
中國,作為自古擁有飛天夢想的國家,在1970年4月24日這一天,將“東方紅一號”衛(wèi)星送入太空,成為世界上繼俄、美、法、日之后,第五個(gè)能夠發(fā)射人造衛(wèi)星的國家。
圖9:(上 )“東方紅一號”衛(wèi)星總裝;(下 ) 當(dāng)年關(guān)于“東方紅一號”成功發(fā)射的報(bào)紙頭條 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
在此之后,英國、印度、以色列、韓國等國家也都先后成功發(fā)射人造衛(wèi)星。時(shí)至今天,發(fā)射人造衛(wèi)星和其它航天器仍然是少數(shù)國家才擁有的能力。
各國的第一顆人造衛(wèi)星都干了些什么?
在20世紀(jì)的50至70年代,短短十幾年內(nèi)俄、美、法、日、中先后成功發(fā)射人造衛(wèi)星,這里面既有各個(gè)國家在軍事、科技、經(jīng)濟(jì)等方面發(fā)展需求的積極因素,也離不開當(dāng)時(shí)國際關(guān)系的大背景,不可避免地帶有競爭的意味。作為所屬國的第一顆衛(wèi)星,這些衛(wèi)星的誕生都有一些向世人宣示存在感的意味,但是在大小、功能、壽命等方面各不相同。
俄國的第一顆人造衛(wèi)星史潑尼克1號,重量84千克,它對高空大氣密度和電離層進(jìn)行了一些研究。
人造地球衛(wèi)星的軌道大體上是一個(gè)橢圓,地球的質(zhì)量中心是這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)。相對于地心,橢圓軌道有一個(gè)近地點(diǎn)和一個(gè)遠(yuǎn)地點(diǎn)。俄國的這顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后,其軌道周期是96分鐘,近地點(diǎn)距離地面的高度(簡稱近地點(diǎn)高度)是215千米,而遠(yuǎn)地點(diǎn)高度是939千米。這顆衛(wèi)星的軌道壽命很短,僅僅2個(gè)多月之后的1958年初,就隕落于大氣層中,化為灰燼。
史潑尼克1號為何如此短命?主要是被大氣阻力給摧毀了,這要從它的軌道高度說起。
地球表面的大氣密度,是隨著地面高度的增加而不斷減小的,在高度8千多米的珠穆朗瑪峰上,空氣之稀薄已經(jīng)讓人難以呼吸,由此想象,在地面之上215千米高度的地方,大氣密度對人而言已經(jīng)稀薄得近似于無了。不過對于圍繞地球、以超過7千米/秒的高速作慣性飛行的人造衛(wèi)星來說,即便是非常稀薄的大氣,也會(huì)對它的飛行形成阻力。這種阻力雖然不算大,量級上可能只有衛(wèi)星所受地球引力的萬分之一(具體要看衛(wèi)星軌道的高度),但跟地球引力這種保守力不同,它是一種耗散力,會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地?fù)p耗衛(wèi)星的機(jī)械能,使得衛(wèi)星遲早失去圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的必要速度,最終墜入大氣層,其軌道壽命從而宣告結(jié)束。
圖10:大氣阻力影響下的衛(wèi)星軌道示意圖 | 圖源:紫金山天文臺
一顆衛(wèi)星受到的大氣阻力算不算大,主要看其近地點(diǎn)的高度,因?yàn)檫@里最容易受到大氣阻力的影響。一般說來,即便是在地面高度五、六百千米的地方,大氣阻力對于衛(wèi)星軌道的影響都不能忽略,所以對于史潑尼克1號這種近地點(diǎn)高度只有215千米的衛(wèi)星,每隔90多分鐘(一個(gè)軌道周期)就會(huì)在近地點(diǎn)前后被大氣狠狠地拉扯一番,自然不可能長壽了。當(dāng)然,衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)與形狀也會(huì)影響大氣阻力的作用效果,不過早期的幾顆衛(wèi)星在這方面差別不大。
要是衛(wèi)星的軌道足夠高,大氣阻力基本不存在,衛(wèi)星的軌道壽命就可能無限長,衛(wèi)星就會(huì)繞著地球一圈又一圈地一直轉(zhuǎn)下去,盡管它的工作壽命也許早就結(jié)束了。那么史潑尼克1號為什么不發(fā)射得高一點(diǎn)?這在技術(shù)上得取決于運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力,在那個(gè)多個(gè)國家急于讓衛(wèi)星趕緊上天的年代,往往在一時(shí)還等不到運(yùn)力足夠大的火箭的時(shí)候,就匆匆發(fā)射衛(wèi)星,所以既不能發(fā)射一顆更重的衛(wèi)星,也不能將它發(fā)射到更高的軌道。
另外順便說一句,在今天,衛(wèi)星軌道壽命短未必就是壞事。在工作壽命到期后,如果衛(wèi)星還占據(jù)著軌道,其實(shí)就成為一具太空僵尸,是后續(xù)航天發(fā)射的障礙。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的航天實(shí)踐,如今在地球周圍的空間碎片,其數(shù)量之巨、危害之大、清理之難,著實(shí)令全人類為之頭疼。今后若有條件的話,最好所有的衛(wèi)星在完成工作使命后都能自動(dòng)降低軌道,自覺自愿地墜毀到大氣層里。
美國的第一顆衛(wèi)星探險(xiǎn)者1號,重量更小,只有14千克,不過軌道要高一些,達(dá)到321 X 2515 km(分別指近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的高度),軌道周期115分鐘。探險(xiǎn)者1號的科學(xué)貢獻(xiàn)很大,它確定了地球外存在電磁輻射帶:范艾倫輻射帶,還對太空中的流星體進(jìn)行了探測。探險(xiǎn)者1號隕落于1970年3月31日,“享年”近12歲。其軌道壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于史潑尼克1號,原因就在于它的近地點(diǎn)高度比后者要高出100多千米,受到的大氣阻力要小得多。
法國的第一顆人造衛(wèi)星阿斯特里克斯體重42千克,軌道是527 X 1697 km。其近地點(diǎn)高度比美國的探險(xiǎn)者1號又高出不少,所以它至今仍然健在,據(jù)估計(jì)還將有百年以上的壽命。
日本的第一顆人造衛(wèi)星大隅號,重9.4公斤,軌道是339 X 5138km,在今天的衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)找不到它的蹤影,從它的近地點(diǎn)高度來看,與探險(xiǎn)者1號相仿,相信也早已墜落大氣層。
中國的第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”,重量達(dá)到173千克,比俄、美、法、日的第一顆衛(wèi)星加起來還重。它的軌道近地點(diǎn)高度是441千米,遠(yuǎn)地點(diǎn)高度2368千米。無論從重量還是軌道高度來說,“東方紅一號”都彰顯了長征一號火箭的運(yùn)載能力?!皷|方紅一號”上天后,限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,只做了一些簡單的科學(xué)實(shí)驗(yàn),但它通過搭載的設(shè)備向地面廣播《東方紅》樂曲的無線電信號(需要地面站接收、解調(diào)后再廣播),以這種浪漫的方式向全世界宣告中國進(jìn)入了太空時(shí)代。由于“東方紅一號”的近地點(diǎn)高度達(dá)到441千米,大氣阻力的作用已經(jīng)極其微小,所以盡管它的工作壽命只維持了28天,它的軌道也在持續(xù)緩慢地降低,但直到50多年后的今天,“東方紅一號”繞轉(zhuǎn)地球已超過35000圈,它的近地點(diǎn)高度仍然維持在430千米,遠(yuǎn)地點(diǎn)高度2032千米??磥硭€將長期遨游太空,宛如中國航天事業(yè)一座不落的空中紀(jì)念碑。
如果你想親自看一眼“東方紅一號”這位歷史功臣,最近較好的一次機(jī)會(huì)是北京時(shí)間2021年4月25日,以南京地區(qū)為例,可見情況如下圖所示,其中的時(shí)間是北京時(shí)間。
圖11:“東方紅一號”(1970-034-A)在2021年4月25日南京地區(qū)過境示意圖 | 圖源:heavens-above
不過說實(shí)話,上面這次可見機(jī)會(huì)其實(shí)意義并不大,只有富有經(jīng)驗(yàn)的天文愛好者,借助小型望遠(yuǎn)鏡才可能成功觀測到,因?yàn)閷脮r(shí)“東方紅一號”的亮度只有9等上下(衛(wèi)星的亮度是變化的,“東方紅一號”最理想時(shí)的亮度也可能達(dá)到6、7等),非常暗弱,遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于肉眼的目視極限(5、6等)。
許多有關(guān)“東方紅一號”的報(bào)道或回憶文章中,都提到當(dāng)年普通群眾在晚間目視看到“東方紅一號”的經(jīng)歷,為什么現(xiàn)在的“東方紅一號”反而暗弱到肉眼看不見呢?
其實(shí),當(dāng)年“東方紅一號”剛發(fā)射上天的時(shí)候,大家肉眼看到的“東方紅一號”,并非“東方紅一號”真身,而是緊跟在“東方紅一號”身后伴飛的長征一號火箭的末級。一般三級火箭在發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候,一級、二級火箭在完成推送任務(wù)后都會(huì)先后墜落,但三級火箭一般是跟隨衛(wèi)星一起進(jìn)入軌道,跟在衛(wèi)星后面飛行。大家知道,夜空中最亮的人造衛(wèi)星是國際空間站(ISS),亮度最高時(shí)高達(dá)-2.5等左右,但畢竟那是一個(gè)110m X 70m的龐然大物。而“東方紅一號”是個(gè)接近球體的72面體,直徑只有1米左右,在幾百千米外的太空中自然不可能被肉眼覺察。為了滿足大家親眼目睹它的愿望,當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)方案決定在三級火箭身上做文章,給它加裝了一件可以在入軌后展開的圍裙一樣的鍍鋁氣球,讓氣球反射太陽光,代替“東方紅一號”來被地面的目視觀測者識別。
圖12:他們看到的其實(shí)是穿著“圍裙”的長征一號末級火箭| 圖源:網(wǎng)絡(luò)
不過,長征一號的末級火箭不可能一直緊緊跟隨“東方紅一號”,由于受到大氣阻力的影響不完全一致,50年來二者漸行漸遠(yuǎn)。末級火箭由于穿上了“圍裙”,樹大招風(fēng),受到的大氣阻力作用要大于“東方紅一號”,時(shí)至今日,長征一號的末級火箭的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度分別為428 km和1539km,再加上其它幾個(gè)軌道參數(shù)也發(fā)生顯著變化,它和“東方紅一號”已經(jīng)形同陌路了。
人造衛(wèi)星和天文學(xué)家有什么關(guān)系?
提起人造衛(wèi)星,似乎只跟航天部門有關(guān),其實(shí)它跟天文學(xué)家還有割不斷的聯(lián)系。
發(fā)射人造衛(wèi)星,是個(gè)系統(tǒng)性的復(fù)雜工程,涉及到諸多的學(xué)科。說起來,這當(dāng)中也少不了天文學(xué)家的身影。今天的航天,由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成,其中測控系統(tǒng)最早就有天文學(xué)家參與的身影。
天文學(xué)家的研究對象是天體,今天的天文學(xué),天體物理是絕對主流。但其實(shí)天體物理占據(jù)主流的歷史,僅短短數(shù)十年,在此之前,天文學(xué)中最早出現(xiàn)的分支是天體測量學(xué),其后是天體力學(xué),而天體物理大致在20世紀(jì)初開始發(fā)展起來,20世紀(jì)50年代之后加速發(fā)展,突飛猛進(jìn)。人造衛(wèi)星工程和天文學(xué)的多個(gè)分支學(xué)科都有一定的聯(lián)系,不過最主要的還是跟天體力學(xué)的聯(lián)系。人造衛(wèi)星在發(fā)射入軌之后,就完全依靠慣性繞地飛行(不考慮變軌等特殊情況),這跟兩個(gè)自然天體在引力作用下的相互繞轉(zhuǎn)沒有本質(zhì)區(qū)別,因此完全可以從天體力學(xué)的角度,像研究自然天體的運(yùn)動(dòng)一樣來研究人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。
天文學(xué)家對天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,自古就開始了,并最終由開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律以數(shù)學(xué)公式首次正確描述了行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軌道特征。而這背后的原理就是牛頓的萬有引力。萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),標(biāo)志著繼天體測量學(xué)之后,天文學(xué)的又一個(gè)分支——天體力學(xué)正式誕生。萬有引力定律建立后,很快在天文學(xué)的應(yīng)用中大顯身手,先是在哈雷彗星的軌道計(jì)算中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)彗星的回歸時(shí)間和軌道,一舉確立了萬有引力定律的威信,繼而又通過紙上的理論計(jì)算而推測并發(fā)現(xiàn)海王星,宣告經(jīng)典天體力學(xué)的劃時(shí)代勝利。之后,以萬有引力定律為基礎(chǔ),經(jīng)過二三百年無數(shù)卓越的數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家的努力,天體力學(xué)逐步發(fā)展和成熟,在太陽系天體的運(yùn)動(dòng)和演化、歷書編算等領(lǐng)域大顯身手,成為研究自然天體運(yùn)動(dòng)的主要理論工具。
萬有引力定律形式極其簡單,在這種定律支配下的天體,其運(yùn)動(dòng)軌道似乎也應(yīng)該非常簡單,好像并不值得頂尖科學(xué)家持續(xù)二三百年的研究。其實(shí)問題沒有想象的那么簡單。如果只考慮兩個(gè)天體在相互引力作用下的運(yùn)動(dòng),也就是二體問題,這兩個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確實(shí)很容易以圓滿的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。但是,只要將問題稍微復(fù)雜那么一點(diǎn)點(diǎn),將二體問題擴(kuò)展到三體問題的時(shí)候,天體的運(yùn)動(dòng)軌道就會(huì)變得非常復(fù)雜,以至于無法給出分析形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式(只有所謂圓型限制性三體問題等極少數(shù)特例情況下才可以尋找到一些特解)。在研究太陽系天體的運(yùn)動(dòng)時(shí),要考慮太陽和多個(gè)行星甚至月球等衛(wèi)星的相互作用,研究對象的數(shù)量遠(yuǎn)大于三體問題的情況,復(fù)雜度可想而知。
天體力學(xué)的成熟,讓人類熟練掌握了天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在人造衛(wèi)星誕生之后,自然就可以直接應(yīng)用于對人造衛(wèi)星軌道的計(jì)算。
衛(wèi)星在發(fā)射上天之后,為了保障開展正常的應(yīng)用,需要對衛(wèi)星一直保持跟蹤,以便實(shí)施與衛(wèi)星進(jìn)行信號或數(shù)據(jù)的傳遞、發(fā)送指令等操作。如何才能對在空中飛行的衛(wèi)星進(jìn)行有效的跟蹤呢?這要分幾個(gè)環(huán)節(jié)。首先是觀測,以光學(xué)、無線電等方式,獲取有關(guān)衛(wèi)星的位置、距離、視向速度等不同類型的觀測資料;接下來是軌道計(jì)算,根據(jù)觀測資料計(jì)算出衛(wèi)星的軌道;再下來就是預(yù)報(bào),根據(jù)計(jì)算出來的軌道,就可以預(yù)測衛(wèi)星在任何時(shí)刻將出現(xiàn)在天空中什么位置;最后又回到觀測,根據(jù)預(yù)報(bào)衛(wèi)星將要出現(xiàn)的位置守株待兔,等待衛(wèi)星如約出現(xiàn),再次進(jìn)行觀測,從而完成一個(gè)閉環(huán)。
這個(gè)過程里面的軌道計(jì)算、預(yù)報(bào)(其實(shí)就是對軌道的外推)、觀測,都是天文學(xué)家最擅長的事。所以,天文臺和天文學(xué)家參與到人造衛(wèi)星工程中,這一點(diǎn)都不奇怪。隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展和成熟,今天的航天系統(tǒng)早已經(jīng)獨(dú)立開展衛(wèi)星的軌道計(jì)算,一般不再需要天文學(xué)家的幫助。不過許多天文臺仍然保留有對人造天體的研究部門,繼續(xù)從事這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)一些前沿的難題研究。
“東方紅一號”的“南京星下點(diǎn)”
回顧中國人造衛(wèi)星工作的起步與發(fā)展,天文學(xué)家同樣扮演了重要的角色,尤其是在南京這座城市里。
在人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論中有一個(gè)名詞——星下點(diǎn),原本指人造地球衛(wèi)星在圍繞地球的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其正下方在地面上對應(yīng)的點(diǎn)。整整半個(gè)世紀(jì)之前的1970年4月24日,中國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”成功發(fā)射入軌,中國的航天時(shí)代由此開啟。在“東方紅一號”這個(gè)偉大的工程中,南京的天文學(xué)家們也作出了不可或缺的貢獻(xiàn),他們當(dāng)年的行蹤構(gòu)筑了自己在這個(gè)工程中的“南京星下點(diǎn)”。五十年過去了,今天我們依然可以循跡“東方紅一號”的“南京星下點(diǎn)”,紀(jì)念那些為中國第一顆人造衛(wèi)星奉獻(xiàn)智慧的天文學(xué)家們。
早在世界上第一顆人造衛(wèi)星上天之前,紫金山天文臺的天文學(xué)家們就在臺長張鈺哲先生的帶領(lǐng)下,開展有關(guān)人造衛(wèi)星軌道力學(xué)的研究。
1957年12月,《天文學(xué)報(bào)》發(fā)表張鈺哲與張家祥合著的論文《人造衛(wèi)星的軌道問題》,這是中國第一篇研究人造衛(wèi)星軌道的論文。論文研究了球形地球、扁球形地球兩種情形下,幾種典型衛(wèi)星軌道的計(jì)算,以及大氣阻力對衛(wèi)星軌道的作用。前面的“圖10:大氣阻力影響下的衛(wèi)星軌道示意圖”即錄自該論文。
圖13:中國第一篇研究人造衛(wèi)星軌道的論文
張鈺哲先生是中國現(xiàn)代天文學(xué)重要的開拓者與奠基人。他的研究覆蓋天文學(xué)多個(gè)領(lǐng)域,尤其擅長對小行星的觀測與軌道研究。張鈺哲先生自1941年起擔(dān)任中央研究院天文研究所(中國科學(xué)院紫金山天文臺前身)所長,是紫金山天文臺小行星方向的創(chuàng)建者。當(dāng)中國開始向人造衛(wèi)星領(lǐng)域進(jìn)軍時(shí),張鈺哲先生領(lǐng)導(dǎo)的小行星研究室自然成為投身衛(wèi)星軌道研究的主力。除了人造地球衛(wèi)星,在人造月球衛(wèi)星的相關(guān)研究方面,張鈺哲先生也是先驅(qū)者,1965年他開創(chuàng)性地領(lǐng)導(dǎo)開展了對月球火箭軌道的研究,發(fā)表了國內(nèi)第一篇探月軌道論文《定點(diǎn)擊中和航測月球的火箭軌道》。
圖14:張鈺哲和他的學(xué)生張家祥 | 圖源:紫金山天文臺
1965年,中國決定實(shí)施發(fā)射“東方紅一號”衛(wèi)星的工程,工程代號“651”,并明確“東方紅一號”衛(wèi)星為科學(xué)探測性質(zhì)的試驗(yàn)衛(wèi)星,對總體技術(shù)方案的要求是“上得去、抓得住、聽得見、看得見”。其中 “抓得住”對應(yīng)于跟蹤測量,要求在衛(wèi)星發(fā)射后,必須做到能夠觀測到衛(wèi)星,能夠及時(shí)作出軌道預(yù)報(bào)。
在“抓得住”這項(xiàng)工作中,紫金山天文臺承擔(dān)了重要的任務(wù):負(fù)責(zé)“東方紅一號”衛(wèi)星測軌預(yù)報(bào)方案和軟件的設(shè)計(jì),并負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)中國科學(xué)院人造衛(wèi)星光學(xué)觀測網(wǎng)的業(yè)務(wù),為“東方紅一號”衛(wèi)星升空后的觀測、軌道計(jì)算和預(yù)報(bào),發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
紫金山天文臺于1966年啟動(dòng)測軌預(yù)報(bào)方案的研究工作。1967年國防科委召開任務(wù)落實(shí)會(huì)議,成立由紫臺、數(shù)學(xué)所、西北計(jì)算所等單位組成的聯(lián)合工作組,承擔(dān)“東方紅一號”衛(wèi)星測軌預(yù)報(bào)方案的研制。紫金山天文臺由于出色的前期工作基礎(chǔ),被確定為工作組的業(yè)務(wù)領(lǐng)導(dǎo)單位。工作組在南京奮戰(zhàn)一整年,圓滿完成任務(wù),隨后分批赴酒泉、喀什等地,現(xiàn)場調(diào)試軟件,在“東方紅一號”發(fā)射前一年完成全部準(zhǔn)備工作,進(jìn)入待命狀態(tài)。測軌預(yù)報(bào)方案和軟件的成功研制,為“東方紅一號”任務(wù)的順利完成作出重要貢獻(xiàn)。
紫金山天文臺還承擔(dān)了當(dāng)時(shí)中科院人造衛(wèi)星光學(xué)觀測網(wǎng)的建設(shè)與業(yè)務(wù)領(lǐng)導(dǎo)工作,觀測網(wǎng)的成員最多時(shí)達(dá)到20多個(gè)。這些觀測臺站有許多在完成歷史使命后已經(jīng)撤銷或與其它單位合并,也有的不斷發(fā)展壯大,成為今天中國天文大家庭中重要的成員,如烏魯木齊人造衛(wèi)星觀測站今天已經(jīng)發(fā)展成為新疆天文臺。而中科院人造衛(wèi)星光學(xué)觀測網(wǎng)本身一直掛靠或依托于紫金山天文臺,后來發(fā)展成為“中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心”。
圖15:觀測“東方紅一號” | 圖源:紫金山天文臺
在紫金山天文臺紫金山園區(qū)的西南角和東邊,各自矗立著一座觀測樓,分別被稱為“天堡城觀測室”和“東人衛(wèi)觀測室”。其中天堡城觀測室即是在建立中科院人造衛(wèi)星光學(xué)觀測網(wǎng)期間,專門為了“東方紅一號”任務(wù)而建設(shè),而東人衛(wèi)觀測室建設(shè)時(shí)期稍晚,也是紫臺歷史上專門用于人造衛(wèi)星觀測的設(shè)施。
圖16:天堡城觀測室 | 圖源:紫金山天文臺
關(guān)于人造衛(wèi)星工作,南京還有個(gè)地方不能不提,這就是南京大學(xué)天文學(xué)系。南大天文系始建于1952年,近70年來為天文事業(yè)培養(yǎng)了無數(shù)英才骨干。在“東方紅一號”工作中,以及后來的人造衛(wèi)星軌道力學(xué)的研究與人才培養(yǎng)中,同樣成果輝煌、厥功至偉。
圖17:南京大學(xué)天文系,1956年 | 圖源:網(wǎng)絡(luò)
五十年滄海桑田,許多歷史的痕跡早已漸漸淡去。依然遨游在太空的“東方紅一號”卻在提醒人們,科學(xué)家的使命永遠(yuǎn)不會(huì)淡去,只會(huì)代代傳承。
作者簡介
張旸:中國科學(xué)院紫金山天文臺副研究員,科普部主任。
輪值主編:杜福君
編輯:王科超、高娜