"東方紅”托起的中國衛星應用
——范本堯院士專訪

+孫凝子

"東方紅”托起的中國衛星應用
——范本堯院士專訪

+孫凝子

1984年4月8日，東方紅二號試驗通信衛星在西昌衛星發射中心由長征三號運載火箭發射升空，這是我國第一顆靜止軌道同步通信衛星。以此為出發點，開啟了我國的衛星通信應用新時代。而今年，2014年，正是我國第一顆通信衛星發射成功三十周年。在這個特殊的時間節點上，我們帶著對“331工程”的好奇，走進了參加研制我國第一代通信衛星的衛星總體技術專家——范本堯院士。

三十年來，我國通信衛星事業快速發展，平臺不斷換代升級，而其中包含了我國一代又一代航天人的不計回饋的辛勤付出——范院士就是其中的一員。三十余載的光陰，當年的小伙子，如今已經變成了滿頭銀發的老人，但當范院士談起伴隨自己一生的衛星事業，我們依然能夠感受到這位老人內在的激情。

十年光陰放衛星

1957年10月4日，前蘇聯成功地把世界上第一顆繞地球運行的人造衛星送入軌道。這顆名為“斯普尼克一號”的衛星重達83公斤，不僅震驚了美國，更震驚了全世界。1958年5月17日，在中共“八大二次”會議上，毛主席提出了“我們也要搞人造衛星”。1958年12月美國發射了第一顆試驗通信衛星，衛星通信迅速發展。

1972年，美國總統尼克松首次訪華，帶來了一個可以實況轉播會談的“黑匣子”——也就是一個衛星地面站——這引起了周總理極大的關注，同時也勾起了中國專家對衛星通訊的興趣。1974年，國家計委和國防科委聯合起草了《關于發展我國通信衛星問題的報告》。1975年3月31日中央軍委通過并得到了毛主席和周總理的批準。這也就是中國發射通信衛星被稱為“331工程”的原因。

據范院士介紹，自從1975年開始開展發射衛星的五大系統的研究。相關的攻關和方案一直延續到1977年，進展速度不快。1977年，作為我國國防科技和武器裝備建設改革的積極開拓者，當時的國防部長張愛萍提出了“三抓”任務。所謂“三抓”，指的是要抓洲際導彈、潛地導彈、通信衛星研制和發射三項任務。國家對通信衛星的重視程度可見一斑。

1983年9月份，包括衛星、運載火箭、發射場、測控和地面應用的五大系統都已經研制完成，全體工作人員進入靶場。這一呆就是8個月，范院士印象中，中秋節、國慶節、元旦、春節，都是在靶場度過的。

1984年1月26日東方紅2號的第一顆衛星，由于運載火箭系統的故障——長征3號第3級二次點火故障，“這顆星就掉進太平洋里去了——這算是第一次發射失敗。”隨后范院士帶著久經時間考驗的那種笑容說：“也沒什么的，大家就繼續在靶場接著干。”

這一干，又是3個月的時間過去了。4月8日，中國第一顆地球靜止軌道試驗通信衛星發射成功。范院士以他一貫平靜的口吻敘述著：“這個星呢進展還算順利，聰明地找到了屬于自己的軌道位置。”但現在的平靜口吻更像是歲月錘煉后一種寵辱不驚的淡定。當年的情況遠非如此一帆風順。

當衛星到達地球同步軌道時，地面測控人員發現衛星蓄電池溫度不斷升高，超出正常范圍，將會影響到衛星的成敗，現場專家和技術人員緊急進行分析，判斷是由于太陽電池主陣溫度升高，輸出電壓偏高，二極管正向導通，不斷給蓄電池充電，造成溫度升高。果斷采取了調整衛星姿態，改變太陽光入射角，從而降低了主陣的功率輸出，使蓄電池溫度逐步降至正常值。衛星于4月16日成功定點于東經125°赤道上空。范院士總的評價說：“第一顆試驗通信衛星還是要比預想的順利。”

開啟通信衛星應用新紀元

第一顆試驗通信衛星成功定點后，即開通了北京至烏魯木齊、拉薩、昆明等地的通信業務，開通了新疆、西藏、云南等邊遠地區的衛星電視、廣播等節目，使少數民族地區能實時收看到中央臺的節目，而不需要等待7天時間。

范院士說，就這樣，從1975年中央批準331工程，一直到1984年東方紅二號發射并定點成功，經歷了自力更生、刻苦攻關、奮勇拼搏的九年時間，終于實現了中國靜止軌道通信衛星從無到有的跨越，使我國成為世界上第五個有能力發射靜止衛星的國家，開啟了我國自主衛星應用的新紀元。范院士還強調，這顆衛星的成功發射，還為我國今后的衛星通信技術打下了堅實基礎，為高軌衛星的發射創造了基礎條件和保障措施。例如：

——為減輕衛星重量而采用的新材料、新結構，如復合材料蜂窩夾層殼、鈦合金波紋薄殼、機械消旋定向天線等；

——既能保證星體自旋穩定，又要實現對地通信要求的“雙自旋控制技術”。當時美國休斯公司衛星都采用這個方案，我國是完全自立更生研制出來的；

——調整衛星姿態的單組元推進系統以及把200公里近地點提高至36000公里的遠地點發動機技術等；

——第三子級采用高能低溫液氫液氧發動機的長征三號運載火箭以及高空二次點火技術；

——用于遠距離測控的微波統一測控系統和衛星測控中心（含“遠望號”測量船隊）；

——建成我國低緯度火箭發射場——西昌衛星發射中心；

以上這些技術和系統，都是為我國以后的衛星通信工程的發展奠定了基礎。而其中最讓范院士自豪的就是整個東方紅二號通信衛星工程相關的五大系統，以及所有的元器件，全部都是自力更生，自主研發的。

東方紅二號衛星上天之后，為了滿足廣大群眾對衛星電視的迫切需求，立即開展了對東方紅二號衛星的改進提高工作，要在最短時間內完成東方紅二號甲國內實用衛星的研制，將原二路轉發器擴充至四路，衛星壽命由三年延長至四年半。經過同志們日以繼夜的努力，三顆東方紅二號甲衛星分別于1988年3月7日、12月22日和1990年2月4日發射成功，并分別定點于87.5°、110.5°和98°，成功地播送了中央第一套、第二套和云南、貴州、新疆等邊遠省份的電視節目以及教育一臺、二臺的節目，開通了30路對外廣播業務以改革衛星通信，逐步滿足當時國內電視通信的需求。

自己給自己挑重擔

1983年當時的廣播、電視應用部門為了滿足國內衛星電視的需求，為盡快發展我國衛星電視通信事業，曾向國外衛星制造公司采購Ku頻段電視直播衛星的招標工作，當時有三家衛星公司競標，分別是美國RCA公司、西德MBB公司和法國的MATRA公司。1985年已經進展到評標階段。

當時國內航天專家提出了不同建議：一，我國已成功發射了東方紅二號通信衛星，并正在研制東方紅二號甲實用衛星，應該繼續堅持走自主發展道路，自力更生研發下一代通信廣播衛星；二，國內已建設了C頻段的衛星地面設施，應該繼續優先發展C頻段的通信廣播衛星。而應用部門則認為國產衛星性能與國外通信衛星差距很大，“買星”來得快，又好又便宜，可以解國內市場的燃眉之急。

雙方意見不一致，最終國務院李鵬總理代表中央作出了決定：停止與國外衛星公司的簽約談判，下一代通信衛星由國內自行研制，并優先發展C頻段通信衛星業務。工程代號為862，新一代衛星命名為“東方紅三號”通信廣播衛星。

當時應用部門明確提出：東方紅三號衛星必須采用先進技術，衛星性能不得低于國外報標的水平，即必須達到當時八十年代的國際先進水平；要求衛星方案起點高，要同時滿足今后擴展要求，滿足Ku頻率與廣播衛星要求。

這就意味著東方紅三號必須配置24路轉發器和八年的工作壽命，要滿足這些要求，衛星方案必須徹底改變。為了提高太陽電池輸出功率，必須放棄雙自旋控制方案，采用最先進的全三軸姿態控制方案，采用展開式太陽電池陣；為節省燃料，必須舍棄固體遠地點發動機，而采用當時國外衛星初次使用的雙組元統一推進系統；為解決通信頻段帶寬限制而不得不采用雙柵賦形波束天線等頻率復用技術、一體化24路微波接收機；為克服運載火箭發射重量限制，必須采用高模量碳纖維承力結構、先進的復合材料蜂窩夾層結構等等。

“東方紅三號衛星的高性能指標和所需解決的新技術，難度實在太大了。有些新技術國外衛星也還只是首次采用，有些如雙柵賦形波束天線當時西德尚在研發中。而我國又沒有條件開展前期的預研攻關工作，沒有任何技術儲備。可以說，當時我們真是自己給自己找重擔挑了。”范院士認真地說。

一波三折的東方紅三號

任務再困難也要馬上開始干，人們不分晝夜，院里院外，國內國外，爭分奪秒，開展了衛星總體優化設計，進行了各項技術攻關；充分利用當時國家“改革開放”政策，以我國為主開展對外技術合作。整整八年，解決了成百上千個技術難點，攻克了十多項關鍵技術，終于在1994年完成了衛星各系統的全部研制工作。

1994年11月30日，長征三號甲火箭將東方紅三號衛星成功發射至轉移軌道，再由衛星自己從200公里近地點升高至36000公里。沒想到，衛星在完成第一次變軌后，出現一個推力器的燃料管路泄漏。技術人員在焦急之外，當務之急是設法堵漏，并判斷在燃料泄漏狀態下衛星還能否繼續完成變軌任務。

經過緊急磋商、方案分析和大量數學仿真，“東三”團隊終于找到了調整衛星姿態，將推力器背離太陽，利用太空的低溫環境，將管中燃料冷卻結冰來堵塞泄漏的方法。當衛星變軌需用該推力器時，再調整衛星姿態把推力器對準太陽，使管中結冰的燃料融化，以便推力器使用。該方法通過了地面模擬試驗，證實在燃料泄漏情況下，該推力器尚能工作。于是就這樣在燃料泄漏狀態下完成了第二次遠地點變軌，變軌后再使用同樣的方法調姿堵漏。

可是令人沒想到，在衛星最后一次變軌時，衛星姿態突然失控，變軌失敗，檢查結果是燃料耗盡，所有推力器都不能工作了。這下子大家都傻眼了，但是怎么可能這么輕易地放棄近十年來努力得到的成果呢？專家們又提出了利用剩余氧化劑噴射作用來控制衛星的設想。于是技術人員立即在北京開展了地面點火試驗，還好試驗結果表明，推力器還有不到十分之一的推力可以利用。為了使星上的控制計算機適應這種新狀態，只好在地面按推力器的新參數重新設計軟件，經仿真驗證正確更改后，逐條逐項發送到衛星上進行內存修改。就這樣好不容易利用剩余氧化劑噴出產生的微小推力，將衛星成功送上了地球同步軌道。

“本以為事情走到這一步，衛星逐步轉移至東經125度定點位置，應該是沒有問題的了。可是情況遠沒有我們想象中順利：衛星姿態控制又失控了——可能是泄漏的一甲基肼燃料將推進系統的電纜腐蝕，造成了斷電。衛星再也無法定點工作。經歷了這么多困難，大家始終不離不棄，四十多個日日夜夜都在搶救這顆衛星。最終還是沒能搶救過來，當時大家都十分痛心。”范院士這樣沉重地說。

“第一顆衛星的定點失敗，也讓我們得到了許多經驗教訓。這也是一次實戰檢驗，使我們對衛星的各個系統有了更深入的了解，技術掌握更熟練，特別是出了故障后該如何處理，收獲要比僅僅在地面做實驗要大得多。同時令人欣慰的是，通過發射、除推力器故障外，衛星的其他系統方案，各項新技術都得到了檢驗，為后來的第二顆‘東三’衛星的發射成功奠定了基礎。”范院士這樣評價道。

在經過對衛星推力器方案徹底改進后，東方紅三號第二顆衛星于1997年5月12日發射升空，5月20日成功定點。標志著我國通信衛星技術跨上了一個新臺階，成為我國首顆面向全社會的商業衛星。東方紅三號衛星平臺也成為一個性能穩定，可為多種用途衛星服務的衛星公用平臺，并成為應用于20多顆軍民通信衛星、導航衛星以及月球探測衛星，同時也為第三代通信衛星——東方紅四號的研制和成功發射奠定技術基礎。

可以說，“東方紅”托起的中國衛星應用，也托起了范院士波瀾壯闊又從容平和的人生經歷。當我們紀念我國首顆通信衛星成功發射和定軌三十周年的時候，不能忘記前人的努力，也不能辜負前人的殷切期望，中國的航天事業一定會譜寫出新的華美篇章。