東方紅一號衛星太陽角計的故事

潘厚任（中國科學院國家空間科學中心）

編者按：

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

趙九章科學布局，為空間載荷研究奠定基礎

1958年，中國科學院“581”組①1958-1964年為“581”任務時期。1958年7-8年間，中國科學院成立“581”組，組織協調衛星和火箭探測任務。一成立，時任地球物理研究所趙九章所長就結合高空大氣物理學的發展需求，開展了一系列基礎理論研究和實驗室建設，全面布局各類箭載、星載太空探測儀的預研工作。如周煒、孫傳禮的電離層及電波傳播學，劉振興的稀薄氣體動力學，胡仁超、陳耀武的大氣光化學，章公亮、徐榮欄、都亨等的磁暴理論等。太空科學載荷方面，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，又按探測波長劃分，先后建立了吳健征負責的真空紫外實驗室、顧名禮負責的紅外實驗室，和我負責的X光實驗室等。這個布局也為后來“651”任務②1965-1968年為“651”任務時期。1965年8年2日，衛星研制正式立項，確定由國防科委負責組織協調，在中國科學院內設立一個衛星設計院（“651”設計院），原“581”任務改為“651”任務。提供了多種成熟的科學載荷。

結合實際進行業務調整，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，我被調到第五研究大組（空間光輻射研究室）的第四小組，負責太陽日冕軟X光探測儀的研制。我、鐘哲民和于振田負責探測儀方案和標定；李政元、虞善咪和孫崗峰負責軟X 光正比計數管、電離室的研制；林華安和張國凡承擔電子線路的研制。由于大多數空間科學載荷在進行數據處理時都需要知道火箭的實時姿態，因此，我們在1963年也開始研究探空火箭的姿態測量原理和方法。

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：一是要研制地面設備對探測儀進行標定，而當時所有的X 光熒光儀和衍射儀都是探測波長短于0.1nm 的硬X 射線；二是若衛星平臺不是對向太陽的三軸控制姿態，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60年代初期，可供選用的國產光敏器件很少。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定性。

為尋找太陽模擬源，挑擔上“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。而當時尚沒有太陽模擬源，既要強度達到太陽常數，光譜分布又要相當于高至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。

要進行這樣的標定測量，最好是在回歸線以內的低緯地區，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，底層大氣的不穩定性影響就越小，無風的晴朗天氣則是必要條件。

為此，我們先在北京西山踩點，依靠當地老鄉的指點，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節來對準太陽，從經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的日子，將所有的測試設備、工具、干糧和水打包成一副貨郎擔，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”，使衛星姿態測量更精準

由于太陽角計探頭裝在衛星腰帶上，設計視場為半球面。衛星在太空自旋時，絕大部分時間都能掃到太陽，每轉一周，可掃出一個余弦波形，波形峰值對應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星的自旋速率。如碰上太陽正射，便可修正地面的標定值。

我調到總體組后，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各開一狹縫，當衛星自旋掃過太陽時，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。根據兩個小尖峰間的時差，可使計算出的衛星自旋周期更精準。

1968年，專家組對東方紅一號衛星方案進行了復審，為保證首發成功，最終決定3 個科學載荷先不搭載在衛星上，但保留太陽X 光探測儀的附件—太陽角計，用以測定衛星相對太陽的姿態變化和自旋速率。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。