空间物理漫谈 | “东方红一号”开启了我国的太空时代
作者 | 大雁
2021年4月24日是第6个中国航天日。为了纪念我国非凡的航天成就、传承伟大的航天精神，激发全社会崇尚科学、探索未知、勇于创新、敢于胜利的热情，2016年3月8日，我国批准设立中国航天日，并以每年4月24日作为庆祝这一节日的日期。当年，第一个中国航天日系列活动在“中国梦，航天梦”的主题中拉开帷幕。说起这个日子，还要从我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射说起。
图1. 位于北京九章大厦一层的“东方红一号”卫星1：1模型。卫星外形为直径1米的球形72面体。卫星采用化学电池作为电源，外表没有太阳能电池板。
1970年4月24日21时35分，我国在酒泉卫星发射基地成功发射第一颗人造卫星“东方红一号”。卫星进入近地点439公里、远地点2384公里、倾角68.44度的大椭圆轨道，运转一圈需要114分钟。卫星设计寿命20天，实际工作28天。但由于近地点较高，受到的地球外层大气阻力较小，卫星至今仍在太空飞行，并且不时经过北京上空。“东方红一号”是我国老一辈科学家、工程师以及成千上万的科研人员在极其艰苦的条件下自力更生、艰苦奋斗的结果，生动体现了“特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献”的航天精神，也激励着无数后继者为我国航天事业呕心沥血、不懈奋斗。把成功发射的4月24日设立为中国航天日，“东方红一号”当之无愧。
图2. 牛顿关于人造地球卫星的早期设想。
人造地球卫星是依靠地球引力作用围绕地球运转的人造物体。牛顿设想的人造卫星是一个苹果：如果我从高山上平抛一个苹果，抛出的速度越大，落点的距离就越远。如果抛出的速度足够快，苹果将不再落回地面，而是围绕地球运转，这就是人造地球卫星。对于月球、火星和其他行星而言，甚至对太阳来说，也都是服从同样的规律。
1959年，在回答外国记者关于“你们是用什么先进武器击落了美国高空侦察机”的问题时，外交部长陈毅幽默地说：“我们是用竹竿捅下来的。”如果你力气够大，你也可以把卫星“甩”到天上去。然而事实上，卫星是非常复杂的综合性工程。在中国之前，苏联、美国、法国、日本都投入了巨大的人力、物力发展这一尖端技术。就外形而言，苏联卫星像一个甩着大辫子狂奔的球；美国的卫星看上去像一个小火箭，放在巨大运载火箭的顶端，就像一个小木棒；法国的卫星是双圆台，像是一个在太空中旋转的陀螺；而日本的卫星，是一个圆锥形，像是老北京涮肉的铜锅，把火锅店开到了太空。而我国的 “东方红一号”，是一个球形72面体，让人想起了《西游记》中的孙悟空72变，每一个 “绝招”都是卫星的一个面。目前“五强”中三个已经陨落，只剩下法国的“阿斯特里克斯号”和“东方红一号”还在太空飞行。
图3. 苏联第一颗卫星“斯普特尼克号”， 1957年10月4日发射。（图片来源于网络）
图4 . 美国第一颗卫星“探索者一号（Explorer I）”， 1958年1月31日发射。卫星呈细长圆柱形，酷似火箭，腰部甩出4根天线。（图片来源：NASA）
图5. 法国第一颗科学技术试验卫星“阿斯特里克斯号（Asterix）”， 1965年11月26日发射，目前仍然在太空中飞行。（图片来源于网络）
图6. 日本第一颗卫星“大隅号”， 1970年2月11日发射。其中圆球形是三级火箭，圆锥形是卫星。（图片来源于网络）
“东方红一号”的成功发射，标志着中国进入了太空时代。继苏联、美国、法国、日本之后，中国成为第五个掌握人造卫星技术的国家。此后，我国研制发射了“东方红”系列和“实践”系列科学试验卫星、通讯卫星、返回式卫星、“风云”系列气象卫星、“资源”系列卫星、“双星”科学探测卫星、“墨子”号量子科学试验卫星、“悟空”号暗物质观测卫星等等，以及“北斗”系列全球定位卫星、“神舟”系列飞船、“天宫”空间对接目标飞行器等等。涉及低地球轨道、中地球轨道、地球同步轨道等不同距离的太空区域。除了围绕地球的人造卫星，还有围绕月球的“嫦娥”探月卫星，以及围绕火星和其它行星的探测器“天问”系列探测器。
地球是人类的摇篮，人造卫星可以让人们的视野扩展到地球大气层以外，在更远距离上俯瞰地球全貌，以及探索更远的太空。在人类进入太空时代以前，人们对地球以外的知之甚少，甚至对地球的形状和我们所赖以生存的大气层都没有足够的认识。从国外来看，苏联第一颗卫星携带了盖革计数器，用来测量卫星所在位置的高能带电粒子。“斯普特尼克号”发射升空以后，卫星上的盖革计数器迅速达到了饱和，也就是说，太空中的高能粒子数量超过了盖革计数器的最大量程。苏联的科学家拿到数据后不敢相信这是真的，认为盖革计数器发生了故障，就放弃了这些珍贵的数据。因为人类从来不知道地球周围会有这么多的高能带电粒子。美国的第一颗卫星“探索者一号”紧随其后，也携带了这种盖革计数器。但是美国的科学家拿到“探索者一号”在太空采集的数据以后，根据前期的科学设想，敏锐地做出推断——地球周围存在一个区域，这个区域中充满了高能带电粒子，即地球辐射带。尽管苏联卫星没有直接发现辐射带，但空间物理学界普遍承认苏联卫星在这个问题上的贡献。虽然苏联科学家误判为卫星仪器故障，但是依然为后续探索提供了“试错”的线索，这也是对科学探索的贡献。当时正值美苏太空竞赛热火朝天的时候，苏联在第一颗卫星上天一个月之后，随即发射第二颗卫星，并携带一条名叫“莱卡”的小狗进入轨道，开展太空生命科学研究，为后续的载人航天活动做准备。这只流浪狗成功“逆袭”，成为全世界的焦点。虽然小狗莱卡进入太空几个小时后就因为舱内温度过高而 “中暑”死亡，但它也为人类探索太空做出了贡献，人们还在莫斯科郊外为它建了一座纪念碑。此后，各航天大国利用进入太空的卫星作为专门平台，按照科学家的需求搭载各种科学探测仪器，对太空进行有针对性地探测，从而获得科学探测数据，不断推动科学家认识地球周围的“泡泡”。
相比而言，我国航天事业发展道路有独到的特点，即以实际应用为牵引，边应用边探索，一步一个脚印，循序渐进地不断扩展航天活动范围。“东方红一号”是一颗科学实验卫星，其总体目标是“上得去、抓得住、测得准、听得到、看得见”。为此，卫星搭载各种电子设备，甚至为末级火箭穿上了一个巨大的 “裙子”，以便在它和卫星一起经过北京上空时能够用肉眼看到。遗憾的是，由于卫星上的电池、数据存储和发射设备等资源的限制，东方红一号没有携带探测空间环境的有效载荷。此后，用于空间环境探测的载荷搭载其他卫星平台进行了一些探测活动，但由于卫星发射费用高昂，星上资源捉襟见肘，这些探测活动一方面缺乏总体科学目标，另一方面缺乏为科学探测活动提供的“专星”平台。1981年，“实践二号”空间物理探测卫星以“一箭三星”的方式发射升空，用于探测地球周围的空间物理数据，同时验证了我国一箭多星技术，使我国成为掌握“一箭多星”技术和多弹头分导技术的国家。
2003年12月30日和2004年7月25日，我国分别发射“探测一号”和“探测二号”空间科学卫星。两颗卫星组成“双星”组合，成为我国第一个专门的空间科学探测计划——“地球空间双星探测计划”。从此，我国也拥有了自己的科学卫星，改变了我国科学家只能依赖国外卫星数据从事空间科学研究的被动状况。我国科学家挺直了腰杆，再也不用在人家 “派专人陪着上厕所”的监视下去乞求一点宝贵的卫星数据了。之所以说 “双星”是专门的科学卫星，是指卫星从酝酿、设计、研制、发射以及在轨运行，都是按照空间物理学家的“好奇心”，围绕着既定的科学目标来进行的。其中，科学目标是灵魂，科学运行是大脑，科学载荷是伸出地球的手。从卫星的设计阶段起，根据空间物理学家想知道的东西，去开展空间探测，采集空间物理学家想要的科学数据，供他们进行深入的空间物理学研究。此后发射的“墨子号”、“悟空号”、“慧眼号”等空间科学系列卫星，都是按照科学家的“好奇心”，围绕着各自的使命来开展探测活动的。
图7. 地球空间双星探测计划。
“斯普特尼克号”卫星发射升空，标志着人类进入太空时代；“东方红一号”卫星发射升空，标志着我国进入了太空时代。空间物理学是以观测为基础的科学，也就是说，观测数据是开展空间物理学研究的重要原材料，理论研究和模拟研究的结果最终需要用观测事实来证实。太空并不是空的，而是充满了稀薄的电离气体——等离子体，太空是很多物理过程的天然实验室，许多实验都会由大自然“操作完成”，人类只需要抓住时机“取回”实验结果就可以了。利用卫星作为搭载平台，实地测量太空中的磁场、电场、带电粒子、电磁波活动等等诸多物理参数，直接为空间物理学研究提供“新鲜原材料”，是空间物理学家们无比兴奋的事情。因此，人造卫星发射升空，也标志着空间物理迎来了崭新的时代，开启了人类探索太空的新征程。我们的目标不仅仅是星辰大海，更有夜空中星辰周围神秘的“泡泡”。
- 作者信息 -
大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
