我國第一個衛星運載火箭總體方案的優化

李頤黎

（北京空間機電研究所，北京 100094）

2015年是我國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”發射成功45周年。

1965年8月，中央明確我國首個衛星運載火箭的研制任務由七機部承擔后，聶榮臻副總理同意七機部王秉璋部長、錢學森副部長等人的意見，即由七機部八院（即北京空間機電研究所的前身）承擔運載火箭（即“長征一號”）的研制任務。

七機部八院在王希季總工程師的領導下，于1965年9月至1967年11月完成了“長征一號”運載火箭的總體方案論證至初樣研制工作。筆者（時任七機部八院衛星研究室軌道組組長）以親歷者的身份回憶了七機部八院研制團隊在“長征一號”運載火箭的研制過程中所付出的艱苦努力和卓絕貢獻。

1 運載火箭總體方案優選

1965年9月中旬，根據七機部領導部署，八院展開了運載火箭總體方案論證工作，并定于10月中旬向衛星方案論證和工作安排會議提交報告。負責衛星研制工作的中國科學院于1965年9月6日提出了《待與七機部商討的問題》，內容包括：衛星質量100 kg，建議軌道傾角為42°，要求衛星近地點高度為350 km，遠地點高度不超過700 km。針對中國科學院提出的問題，在王希季總工程師的領導下，朱毅麟、倪惠生、李頤黎等帶領一批剛畢業的大學生緊張地開展運載火箭總體方案的論證工作。首先在七機部一院調研我國中程和中遠程火箭的總體情況，然后向七機部機關了解了四院“770”發動機的總體參數和性能情況，最后結合我國“東方紅一號”衛星質量不低于100 kg和保證在1970年發射的要求，提出了可供選擇的3種方案。

方案 1：以我國已設計的中遠程二級火箭作為衛星運載火箭的第一、二級，末級是一個截短了的直徑為770 mm的固體發動機（GF02），構成三級火箭，如圖1所示。

方案2：以我國已設計的中遠程二級火箭作為衛星運載火箭的第一、二級，末級采用3個并聯的較小的固體發動機（GF01A），構成三級火箭。

方案 3：以我國已設計的中程一級火箭作為衛星運載火箭的第一級，加上需新研制的液體火箭組成兩級火箭。

八院衛星研究室對每種方案都進行了總體參數、總體構型和布局設計，發射軌道和飛行程序設計，以及關鍵技術分析等，提出了3個衛星運載火箭的總體方案。其中，方案1的發射程序如圖2所示，發射軌道在地面的投影如圖3所示。

衛星研究室組織了方案討論，經過討論認為雖然方案2末級使用已經研制成功的小型固體火箭發動機，但3個發動機并聯存在著較大的技術風險，因此建議著重討論方案1和方案3。1965年10月14日八院召開了方案討論會，與會同志認為方案3雖有較大的發展前途，但需要新研制一個可控制的液體推進劑火箭，技術上較為復雜，對于保證1970年的衛星發射存在較大的進度風險。最終，八院選擇了方案1。

1970年“東方紅一號”衛星（重達173 kg）發射成功和1971年“實踐一號”衛星發射成功，均表明“長征一號”運載火箭方案的選擇是正確和合理的。

圖1 衛星運載火箭方案設想簡圖（1965年10月16日狀態）

圖2 衛星運載火箭發射程序（1965年10月16日狀態）

圖3 衛星運載火箭發射軌道在地面的投影（1965年10月16日狀態，軌道傾角42°）

2 基于運載火箭的發射軌道優選

1965年10月20日至11月30日，國防科委委托中國科學院在北京友誼賓館召開了“我國第一顆人造衛星方案論證和工作安排會議”（代號“六五一”會議），會期長達42天。

七機部八院由于志副院長率領朱毅麟、倪惠生、李頤黎、陳崇卿等人員參加了“六五一”會議，并提交了《我國第一個人造衛星運載工具方案設想（草案）》報告。會議期間，八院代表與各有關部門協調了衛星的尺寸、質量、軌道參數、入軌點、入軌精度、航區安全、衛星和火箭的連接方式、對整流罩的要求等問題。經過討論，會議認為七機部八院提出的運載火箭的總體方案是可行的，一致同意衛星在我國甘肅省酒泉發射場發射。

10月25日，八院代表與中國科學院代表錢驥等就衛星質量和軌道參數進行了協商。錢驥提出建議將衛星質量增加到 120 kg，以便增加化學電池和延長衛星運行壽命；希望在考慮入軌偏差后，衛星實際運行軌道的近地點高度在250 350 km之間，遠地點高度在800 1000 km之間。會議期間，李頤黎為了回答上述要求能否達到，對入軌點偏差對運行軌道偏差影響的計算方法展開了研究，并結合實際情況與衛星研究室軌道組的同志一道完成了發射軌道的大量計算。經過會內外的共同努力，在會議結束前，李頤黎代表七機部八院給出了衛星運載火箭所能實現的軌道：理論軌道是近地點高度為350 km、遠地點高度為1000 km的橢圓軌道。考慮到發射軌道的誤差，衛星的近地點高度為200 350 km，遠地點高度為1000 1600 km。中國科學院與會代表接受了橢圓軌道的建議，并在會議結束后，將《關于第一顆人造衛星方案論證和工作安排會議報告》上報國防科委和中央專委，并按此報告中規定的各項參數開展后續工作。

這次會議時間很長，收獲也很大，是衛星、運載火箭、發射場、地面測控各系統和衛星工程總體的一次大的方案論證和技術協調會，有力地推動了整個衛星工程的研制工作。

3 衛星軌道傾角的優化

“六五一”會議確定“東方紅一號”衛星的軌道傾角為42°左右。但是，限于當時的條件，這一軌道傾角的確定沒有考慮后來的返回式遙感衛星的研制要求。

1966年3月22—29日，在北京召開了我國第一顆人造衛星的地面系統會議（代號：651地面會議），討論和確定 651任務地面系統方案、分工及具體落實。會議由中國科學院副院長裴麗生主持，七機部八院朱守己和李頤黎參加了會議。會議確定了以雷達為主，結合干涉儀、多普勒、光學幾種手段跟蹤和測量衛星的方案；會議遺留下一個問題——入軌點問題，需由運載火箭、衛星本體、地面測控幾方今后共同確定。在發射場已經確定的前提下，入軌點的位置可由火箭射向和入軌點航程確定，而不同的射向對應不同的軌道傾角。八院在1966年初開始了我國返回式遙感衛星方案論證工作，在論證中發現返回式衛星需要更大的軌道傾角，不適合采用 42°的軌道傾角。那么，“東方紅一號”衛星能不能也選用較大的軌道傾角呢？八院衛星研究室軌道組在 651地面會議前后計算了運載火箭沿不同方向發射時所能運載的衛星質量，結果是：

1）當向東發射——衛星入軌點航程為2000 km時，衛星質量不得超過210 kg；入軌點航程為1800 km時，衛星質量不得超過180 kg。

2）當向南發射且入軌點航程為2150 km時，衛星質量不得超過120 kg。

這說明：“東方紅一號”衛星可以采用和返回式遙感衛星相同的軌道傾角。這一結果得到了王希季總工程師的大力支持。

1966年4月1日晚，中國科學院和七機部有關領導在北京中關村召開碰頭會。出席會議的有裴麗生、楊剛毅、楊嘉德、王躍華、錢驥、陸綬官、耿青、王希季和李頤黎。王希季總工程師介紹了衛星運載火箭向東、向南發射的運載能力的計算結果。他說：“一個發射方向被選定了，若后續型號需要再變就很困難，因此傾角42°有問題，它不符合我國返回式衛星的軌道傾角。”裴麗生副院長說：“第一個（衛星）必須與以后的（衛星）結合，不結合就不行，第一個還是搞極地軌道，這是個方向，不圖搞亞非拉虛名。”（筆者注：原來有人說采用42°軌道傾角的優點是衛星主要經過亞、非、拉地區，可以鼓舞亞非拉人民。）這個會議經過討論一致認為，地面站建設花錢很多，第一個衛星的軌道傾角要與后續系列衛星（返回式衛星）結合起來考慮。這個碰頭會開得好，取得了共識。

當時，解決上述入軌點問題，即軌道傾角選擇問題成為衛星研制中的緊迫任務。1966年4月18—28日在中國科學院力學研究所召開了“人造衛星軌道選擇會議”，提出了選擇軌道傾角的5條原則，對軌道傾角為42°、60° 70°及90°左右的3個方案進行了比較。經過比較，與會者一致認為60° 70°作為衛星的軌道傾角是比較符合5條原則的。軌道傾角為42°和70°時發射軌道在地面的投影如圖4所示。

我國航天發射的實踐表明：“東方紅一號”衛星及返回式衛星選用60° 70°軌道傾角是正確的。1970—1983年間，我國發射的3個系列13 顆衛星的軌道傾角均在59.5° 70°之間，大大節約了地面站建設的投資，加快了我國航天事業發展的進程。

圖4 傾角i=42°，i=70°時發射軌道在地面的投影

4 末級火箭起旋分離方案以及運載火箭參數與飛行程序的優化

從1966年8月起，運載火箭進入方案設計階段。在方案設計階段主要解決的問題有兩個：一是如何使末級起旋分離方案設計得更穩妥；二是如何將發射衛星的飛行程序與中遠程火箭的飛行程序相結合。

隨著研制工作的深入，八院研制團隊發現運載火箭末級采用旋轉平臺起旋和分離的方案（見圖 1及圖2）雖有分離干擾小的優點，但是對這種直徑大、剛度要求高、需要在真空條件下高速旋轉的平臺的研制十分困難，難以滿足進度要求，而且使用旋轉平臺要增加較多的末級結構質量。

1966年 9月，團隊研究決定，取消旋轉平臺，調整為將末級火箭的支撐板固定在儀器艙上，起旋火箭固定在末級火箭的質心附近（參見圖 5），同時對火箭的發射程序進行相應的改進：由原方案的“在第二級未分離的情況下末級火箭在第二級火箭的旋轉平臺上起旋，起旋后二級與末級火箭分離”（見圖2），改為取消旋轉平臺，末級火箭先與二級分離，分離后再依靠末級火箭質心附近的起旋火箭實現末級起旋，以保障末級火箭姿態在發動機工作時的穩定（見圖 6）。這樣，衛星入軌時的速度方向偏差由采用旋轉平臺時的 0.92°增至無旋轉平臺時的 0.965°，但仍能滿足設計要求。同時，采用改進方案可以保證即使有一個起旋火箭未點著火，衛星也可以可靠入軌。

圖5 “長征一號”末級火箭和“東方紅一號”衛星

圖6 采用起旋火箭方案后“長征一號”運載火箭的發射程序示意圖

1966年10月中旬，八院研制團隊采用1966年7月份七機部一院編寫的中遠程火箭彈道計算的初始數據及程序對“長征一號”火箭發射軌道進行計算發現，對這種狀態來說，由于原設計的末級發動機質量太小，火箭第二級落點航程達4866 km，落到了印尼的領土上，這當然是不允許的。于是將末級固體火箭發動機增重至1800 kg以上，以使第二級落在我國領海之內。

10月18日，研制團隊又從七機部四院那里進一步證實，原“770”發動機總重為2 t。因此，將末級發動機增加裝藥長度并使質量增加至2 t是可行的。

10月20日，研制團隊向一院介紹了“長征一號”運載能力的計算結果，并提出如果一級飛行程序與中遠程火箭飛行程序相同、僅更改第二級飛行程序，則可使其運載能力比一、二級均采用中遠程火箭飛行程序的情況增加80 kg。

經七機部領導批準，從1966年11月16日起，八院派出朱毅麟、李頤黎、朱仁璋等11位研制團隊成員到一院總體部協作，共同研究“長征一號”運載火箭發射“東方紅一號”衛星的飛行試驗方案。經過近2個月的努力，1967年1月中旬正式確定了“長征一號”第一級和第二級的飛行程序采用中遠程火箭的飛行程序、末級采用2 t重的固體發動機方案。這一方案既能保證滿足130 kg衛星的發射，又能確保一、二級殘骸不落在國外領土上，且一旦在正樣階段衛星的質量超標，還可以用改變第二級飛行程序的辦法來提高火箭運載能力。七機部于1967年3月3日將《關于第一個衛星運載工具“長征一號”方案更改報告》上報國防科委。

1967年一季度，在對“東方紅一號”衛星各分系統進行復審的基礎上，中國科學院651設計院會同七〇一工程處和七機部八院起草了《“東方紅一號”地球衛星研制任務書》，并上報國防科委；國防科委于1967年 4月 25日發出通知，征求對該任務書的意見。《任務書》中有關火箭運載能力和火箭入軌精度方面的表述內容如下：

衛星直徑為1 m，質量130 kg，衛星入軌前最大轉速不大于240 r/min。運行軌道傾角70°±2°，近地點高度500 600 km（標準值為590 km），遠地點高度1000 2100 km（標準值為1500 km），運行周期100 110 min。

5 任務移交一院后對“長征一號”運載火箭總體方案的優化

1967年11月1日，國防科委發出《關于“長征一號”研制任務移交問題》的通知，該通知稱“根據一院、空間院（筆者注：此處的“空間院”是指中國空間技術研究院。該院于1968年2月20日正式成立，負責航天器的研制。彼時已決定將七機部八院劃歸中國空間技術研究院。）的分工原則，為了確保1968年國慶節前發射‘東方紅一號’衛星，決定將‘長征一號’任務由八院移交給一院，要求11月1日前移交完畢……”八院隨即完成了“長征一號”總體研制的移交工作，其承擔的“長征一號”滑行段姿態控制系統的部分研制任務和安裝在末級上的觀測體的研制任務不在移交之列，一直持續到“東方紅一號”衛星成功發射。

在一院接收“長征一號”運載火箭研制任務后，隨著研制的深入，對總體方案又進行了修改。例如，“東方紅一號”衛星在正樣階段已增重至 173 kg，而當時四院給出的末級固體發動機的比沖值較后來給出的要低；為了提高運載能力，一級仍采用中遠程火箭的飛行程序，二級則采用了有個轉彎段的飛行程序，這樣入軌點高度降低至444 km左右，但仍能滿足安全入軌的要求。此外，為了降低末級“770”發動機在自旋情況下工作的鋁粉沉積量，將末級火箭的起旋轉速由原定的最高240 r/min調整為180 r/min，這樣，衛星的入軌精度和觀測體的展開仍可滿足要求。

6 “長征一號”火箭成功發射

1970年4月24日21時35分，“長征一號”運載火箭（圖7）托舉著“東方紅一號”人造地球衛星從酒泉衛星發射中心成功起飛，將衛星順利送入近地點高度439 km、遠地點高度2384 km和軌道傾角為68.5°的環繞地球運行的橢圓軌道。“東方紅一號”衛星重達173 kg，比蘇聯、美國、法國、日本發射的第一顆人造衛星的質量之和還要大。衛星在軌正常工作了28天，圓滿完成了“上得去、轉起來、看得見、聽得著”的任務。

1999年，黨和國家為研制“兩彈一星”做出突出貢獻的科技專家授勛時，授予王希季院士“兩彈一星”功勛獎章，充分肯定了他在“長征一號”研制工作中的奠基性作用：“他創造性地把我國探空火箭技術和導彈技術結合起來，提出我國第一枚衛星運載火箭的技術方案，主持‘長征一號’運載火箭和核試驗取樣系列火箭的研制……”

這是當年從事過“長征一號”運載火箭研制的七機部八院的光榮，“長征一號”前期研制團隊為使我國成為世界上第五個獨立發射人造衛星的國家所做出的貢獻值得銘記。

圖7 “長征一號”運載火箭（第一級和第二級）

[1] 李頤黎. “上得去，轉起來”——回顧長征一號運載火箭研制的一些往事[J]. 太空探索, 2010(10): 52-55

[2] 石磊, 王春河, 張宏顯, 等. 錢學森的航天歲月[M]. 2版. 北京: 中國宇航出版社, 2012: 494

[3] 張鈞. 當代中國的航天事業[M]. 北京: 中國社會科學出版社, 1986: 153

[4] 朱晴. 王希季院士傳記[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2014: 147; 151