来自太空的中国之声·“看得见”

尽管我们能够从收音机中听到“东方红”的声音，但所谓“耳听为虚，眼见为实”，没有什么比看到“东方红一号”更能振奋人心。

对于如今的我们来说，徘徊在天空中的大量人造卫星有时已经成为了一种负担——例如最近，许多天文观测站已经开始抗议“星链”卫星组妨碍了他们观测太空。

条带状的光线即为“星链”卫星过境时留下的，可以看到天文学家们对此感到十分不爽

然而在近地空间的卫星还没有那么多，光污染也没那么严重的的几十年前，人们是有可能用肉眼看到天上运行的卫星的——

只要它够大够亮。

对于一开始卫星做成什么样式的，人们给出了许许多多的方案，有要做成圆球的，有要做成红色五角星的，甚至还有在今天看来颇为哭笑不得的“天安门”样式。当然，综合考虑卫星轨道、制造难度、光反射性能、卫星载荷等等因素，最后人们选定采用光亮的72面体铝合金材质。

卫星的72面体的设计具有接近球体的反射效果，同时也避免了复杂的曲面加工——只需要用72块铝合金面板铆接即可。即使是铆接工作也相当的艰苦，在卫星研制的初样阶段，没有专用的铆枪与固定工件的桁架，人们就用锤子与身体来代替，一个个地把铆钉敲上去。

为了尽可能方便观测，卫星的铝合金外壳要利用阳极化工艺实现表面光亮。我们知道，铝合金在浓硝酸的介质中，可以通过电解法在表面覆盖一层致密的氧化铝薄膜，不仅可以防腐蚀，还十分光亮。然而浓硝酸为介质的阳极氧化法有十足的危险性，需要在防护严密的厂房内进行。在当时没有厂房的条件下，攻关组选择了“土法上马”——搭起了一个木棚，地上挖两个大坑，上面支起了三个铅槽（铅槽直接作为阴极）。当时还是严冬时节，为了维护反应温度，人们在大坑内放上了柴火进行加热——想象一下煮一锅浓硝酸的样子吧，大量的有毒气体四溢。在缺少防毒面具的情况下，人们只得用湿毛巾捂住口鼻，干一会儿就出去透透气。就是在这样极度艰苦的条件下，卫星外壳的阳极光亮氧化工艺取得了突破。

那么，直径1米的“东方红一号”能被人看到吗？

这个问题钱学森也很好奇，因此在中国空间技术研究院成立之后不久，他召集潘厚任等人，询问这个问题。

人眼一般能看到的星等（视星等）的极限为6等，有些视力特别好的能看得再多一些，甚至能看到伽利略卫星（详见：伽利略之前，有人发现过木星卫星吗？）。但如果想要让大部分人能够清楚地看到“东方红一号”，就需要再亮一些，达到3-4等即可。

然而得到的答复却让人失望：“东方红一号”卫星的亮度只有7等。

怎么办？

如果要增亮卫星，按照当时的技术条件就是增大直径，一个直径越大物体，也越容易被人观测到，但“东方红一号”的直径、质量、载荷都已经敲定，无法修改，那么只能从火箭上想办法。而火箭的前两级会再入大气层，因此只能在第三级上下功夫。

火箭的第三级的主体部件就是我们前面介绍的FG-02固体火箭发动机，但它的直径仅有0.77米，比卫星直径要小，而更大尺寸的固体火箭发动机已经不可能按时研制出来，那么只有一条路了——

在第三级上面加装能让它变得足够亮的装置，比如观测裙。

这个观测裙的原理很简单，你可以把它看成一把伞。第三级就是中心的伞骨，观测裙就是伞面，由轻质高反光性材料制成，伞面需要用撑条张开，而这张开的力正好可以靠发动机自旋来提供。同时由于太空基本不存在阻力，因此伞面可以做得很大，亮度可以达到3等，完全可以满足肉眼观测需要。此外，由于卫星本身不带有动力，因此在与第三级脱离后，距离也比较近，虽然并不是卫星本体，但是看到了第三级，也就能在附近找到卫星。

但是在地面上，伞能够轻松撑开，如果在太空环境中，由于没有阻力的因素，如果开伞结构的质量稍微分配不均，那么在开伞的时候，伞面就会偏向一边打开。既然“开伞”的方案不行，那么只能再进一步修改，人们又将“观测裙”重新剪裁，制作成为一个各向同性的球体，就解决了这个问题。考虑到卫星连接器与火箭喷嘴形成的截面，观测体的最终样式实际上就是一个球台。

笔者基于公开资料绘制的东方红一号星箭分离方式

按照《关于“长征一号”任务移交问题》通知的精神，尽管火箭的部分已经移交给中国空间技术研究院，但为了分担研发压力，观测体的事项仍然由八院负责。

但是这“观测体”的研制，可以说是最困难的一步。

观测体的任务是1968年紧急下达的，比起卫星的研制工作晚了两年。在研制完成后，系统也还需要进一步进行测试，所以留给“观测体”研制团队的时间只有一年多。由于运载火箭已经开始进入生产，能够提供的运力冗余极为有限，要求观测体的质量不超过17.5千克。而且，此时国内的秩序也十分混乱，更是给研制团队造成了相当的阻力。

时间紧，任务重，环境乱，三道难关摆在这个平均年龄在30岁左右的研制团队面前。

越是绝境，就越是能够激发人们的斗志。

首先需要解决的是材料问题。

FG-02发动机除去喷管，有效长度为2.8米，算上其0.77米的直径，能够给予观测体的直径约为3.6米，除去头尾两个横截面，观测体的总面积大约30平方米。而这样的观测体还在需要在发射前收束在1.5米直径的整流罩中，二三级分离后利用三级自身的旋转将观测体打开。同时它的表面反射率要高，还能扛住低至零下100摄氏度，高至200摄氏度的极端温度。

低重量、高柔性、强反射、耐极端，这样的材料上哪里找？

不少单位一听说这么多苛刻的要求，直接婉拒了研制请求。这样让人心焦的情况持续了很长的时间——直到人们听说一家上海的工厂曾经生产过一种新型布料，性质相近。于是观测体研制组的人们立刻奔赴上海“取经”，然而不妙的是，这家工厂此时已深陷入斗争漩涡中，早已停产。眼看着就要功亏一篑，这时，工厂的工人们从厂长处听说这是我国第一颗人造卫星的需求，当即放下了手中的大字报与大喇叭，全身心投入到材料的研制中。

工人阶级的觉悟高啊！

在经过了长达11个月的奋战后，一种符合观测体制造的材料竟然真的被制造了出来，它具有机械性优良、耐极端温度、反射率高的特点，完全符合观测体制造需求。

这个材料就是聚酰亚胺，当时为了进一步提高反射率，其表面还镀了一层铝膜。时至今日，聚酰亚胺依然是广泛使用于航空航天、微电子、激光等特种领域的高性能材料之一。

聚酰亚胺，图是百度上找的

虽然观测体材料制造出来了，但想将其撑开，必要的结构部件是不能少的，主要包括了导向杆、顶端包环、大弹簧。具体的工作原理，就跟拉浴帘差不多。即便是如此简单的结构，其质量仍然需要继续减轻。人们把导向杆材质由沉重的不锈钢换成了铝合金，这样就减轻了点质量；大弹簧也太沉重，就用激进的压缩气体推动方案。经过了不断的尝试，人们终于把观测体重量给减下来了。

就这样，仅仅一年的时间，观测体就实现了“无中生有”，于1969年初通过测试。同年9月6日，安装在第三级上的观测体展开实验成功，正式交付。

尽管现在普遍意义上的“看得到”是指人能够在地面上看到卫星（观测体），不过由于卫星是靠自旋来实现稳定的，因此需要测试卫星的姿态并实时传输给地球，为后面的卫星设计提供依据。所以我们不妨将“看得到”的范围进行一个小小的延伸，将卫星的一部分仪器也纳入考量。

这些仪器就是红外地平仪与太阳角计，它们都让卫星带上了“眼睛”，通过感知周边的环境，来知道自己的姿态如何。

设想一下，如果你身处在近地轨道，还正在不断地旋转，为了知道你旋转的角速度，你会倾向于寻找参考物。很聪明的是，你很快就找到了两样最明显的参考物——太阳与地面。

当你看到太阳的闪光时，记录日光的角度变化。如果你的自旋状态比较稳定，那么它的角度变化率应该是均匀的。

当你看到地面的时候，记一次时长，看不到地面的时候，记一次时长，两次时长的比较也可以推断出自旋状态。不过在卫星上，看地平线的光度比较困难，人们就采用红外法来判别——地面会大量辐射红外线，只要能够捕捉到红外信号，就相当于看到了地面。

近处的为“东方红一号”同款红外地平仪，远处模糊的盒子则是上节我们介绍的乐音发生器，图源见水印

与其他仪器不一样的是，由于需要直接观测到外界环境，这些仪器是布置在卫星的腰带上而不是仪器舱内部的。少了仪器舱的保温，它们就需要直接经受低至零下100摄氏度，高至零上200摄氏度左右的极端温度。这极端的温度变化，无论对于电子器件，还是机械结构，乃至于镜片上的镀膜，都是不小的挑战。经过刻苦攻关，这些光学仪器由长春光机所的研究团队成功研制，并通过了测试。

于是，地面上的人们能够看到卫星，天上的卫星也能“看到”宇宙。

← To be continued……