我国第一个卫星运载火箭总体方案的优化

李颐黎

（北京空间机电研究所，北京 100094）

2015年是我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功45周年。

1965年8月，中央明确我国首个卫星运载火箭的研制任务由七机部承担后，聂荣臻副总理同意七机部王秉璋部长、钱学森副部长等人的意见，即由七机部八院（即北京空间机电研究所的前身）承担运载火箭（即“长征一号”）的研制任务。

七机部八院在王希季总工程师的领导下，于1965年9月至1967年11月完成了“长征一号”运载火箭的总体方案论证至初样研制工作。笔者（时任七机部八院卫星研究室轨道组组长）以亲历者的身份回忆了七机部八院研制团队在“长征一号”运载火箭的研制过程中所付出的艰苦努力和卓绝贡献。

1 运载火箭总体方案优选

1965年9月中旬，根据七机部领导部署，八院展开了运载火箭总体方案论证工作，并定于10月中旬向卫星方案论证和工作安排会议提交报告。负责卫星研制工作的中国科学院于1965年9月6日提出了《待与七机部商讨的问题》，内容包括：卫星质量100 kg，建议轨道倾角为42°，要求卫星近地点高度为350 km，远地点高度不超过700 km。针对中国科学院提出的问题，在王希季总工程师的领导下，朱毅麟、倪惠生、李颐黎等带领一批刚毕业的大学生紧张地开展运载火箭总体方案的论证工作。首先在七机部一院调研我国中程和中远程火箭的总体情况，然后向七机部机关了解了四院“770”发动机的总体参数和性能情况，最后结合我国“东方红一号”卫星质量不低于100 kg和保证在1970年发射的要求，提出了可供选择的3种方案。

方案 1：以我国已设计的中远程二级火箭作为卫星运载火箭的第一、二级，末级是一个截短了的直径为770 mm的固体发动机（GF02），构成三级火箭，如图1所示。

方案2：以我国已设计的中远程二级火箭作为卫星运载火箭的第一、二级，末级采用3个并联的较小的固体发动机（GF01A），构成三级火箭。

方案 3：以我国已设计的中程一级火箭作为卫星运载火箭的第一级，加上需新研制的液体火箭组成两级火箭。

八院卫星研究室对每种方案都进行了总体参数、总体构型和布局设计，发射轨道和飞行程序设计，以及关键技术分析等，提出了3个卫星运载火箭的总体方案。其中，方案1的发射程序如图2所示，发射轨道在地面的投影如图3所示。

卫星研究室组织了方案讨论，经过讨论认为虽然方案2末级使用已经研制成功的小型固体火箭发动机，但3个发动机并联存在着较大的技术风险，因此建议着重讨论方案1和方案3。1965年10月14日八院召开了方案讨论会，与会同志认为方案3虽有较大的发展前途，但需要新研制一个可控制的液体推进剂火箭，技术上较为复杂，对于保证1970年的卫星发射存在较大的进度风险。最终，八院选择了方案1。

1970年“东方红一号”卫星（重达173 kg）发射成功和1971年“实践一号”卫星发射成功，均表明“长征一号”运载火箭方案的选择是正确和合理的。

图1 卫星运载火箭方案设想简图（1965年10月16日状态）

图2 卫星运载火箭发射程序（1965年10月16日状态）

图3 卫星运载火箭发射轨道在地面的投影（1965年10月16日状态，轨道倾角42°）

2 基于运载火箭的发射轨道优选

1965年10月20日至11月30日，国防科委委托中国科学院在北京友谊宾馆召开了“我国第一颗人造卫星方案论证和工作安排会议”（代号“六五一”会议），会期长达42天。

七机部八院由于志副院长率领朱毅麟、倪惠生、李颐黎、陈崇卿等人员参加了“六五一”会议，并提交了《我国第一个人造卫星运载工具方案设想（草案）》报告。会议期间，八院代表与各有关部门协调了卫星的尺寸、质量、轨道参数、入轨点、入轨精度、航区安全、卫星和火箭的连接方式、对整流罩的要求等问题。经过讨论，会议认为七机部八院提出的运载火箭的总体方案是可行的，一致同意卫星在我国甘肃省酒泉发射场发射。

10月25日，八院代表与中国科学院代表钱骥等就卫星质量和轨道参数进行了协商。钱骥提出建议将卫星质量增加到 120 kg，以便增加化学电池和延长卫星运行寿命；希望在考虑入轨偏差后，卫星实际运行轨道的近地点高度在250 350 km之间，远地点高度在800 1000 km之间。会议期间，李颐黎为了回答上述要求能否达到，对入轨点偏差对运行轨道偏差影响的计算方法展开了研究，并结合实际情况与卫星研究室轨道组的同志一道完成了发射轨道的大量计算。经过会内外的共同努力，在会议结束前，李颐黎代表七机部八院给出了卫星运载火箭所能实现的轨道：理论轨道是近地点高度为350 km、远地点高度为1000 km的椭圆轨道。考虑到发射轨道的误差，卫星的近地点高度为200 350 km，远地点高度为1000 1600 km。中国科学院与会代表接受了椭圆轨道的建议，并在会议结束后，将《关于第一颗人造卫星方案论证和工作安排会议报告》上报国防科委和中央专委，并按此报告中规定的各项参数开展后续工作。

这次会议时间很长，收获也很大，是卫星、运载火箭、发射场、地面测控各系统和卫星工程总体的一次大的方案论证和技术协调会，有力地推动了整个卫星工程的研制工作。

3 卫星轨道倾角的优化

“六五一”会议确定“东方红一号”卫星的轨道倾角为42°左右。但是，限于当时的条件，这一轨道倾角的确定没有考虑后来的返回式遥感卫星的研制要求。

1966年3月22—29日，在北京召开了我国第一颗人造卫星的地面系统会议（代号：651地面会议），讨论和确定 651任务地面系统方案、分工及具体落实。会议由中国科学院副院长裴丽生主持，七机部八院朱守己和李颐黎参加了会议。会议确定了以雷达为主，结合干涉仪、多普勒、光学几种手段跟踪和测量卫星的方案；会议遗留下一个问题——入轨点问题，需由运载火箭、卫星本体、地面测控几方今后共同确定。在发射场已经确定的前提下，入轨点的位置可由火箭射向和入轨点航程确定，而不同的射向对应不同的轨道倾角。八院在1966年初开始了我国返回式遥感卫星方案论证工作，在论证中发现返回式卫星需要更大的轨道倾角，不适合采用 42°的轨道倾角。那么，“东方红一号”卫星能不能也选用较大的轨道倾角呢？八院卫星研究室轨道组在 651地面会议前后计算了运载火箭沿不同方向发射时所能运载的卫星质量，结果是：

1）当向东发射——卫星入轨点航程为2000 km时，卫星质量不得超过210 kg；入轨点航程为1800 km时，卫星质量不得超过180 kg。

2）当向南发射且入轨点航程为2150 km时，卫星质量不得超过120 kg。

这说明：“东方红一号”卫星可以采用和返回式遥感卫星相同的轨道倾角。这一结果得到了王希季总工程师的大力支持。

1966年4月1日晚，中国科学院和七机部有关领导在北京中关村召开碰头会。出席会议的有裴丽生、杨刚毅、杨嘉德、王跃华、钱骥、陆绶官、耿青、王希季和李颐黎。王希季总工程师介绍了卫星运载火箭向东、向南发射的运载能力的计算结果。他说：“一个发射方向被选定了，若后续型号需要再变就很困难，因此倾角42°有问题，它不符合我国返回式卫星的轨道倾角。”裴丽生副院长说：“第一个（卫星）必须与以后的（卫星）结合，不结合就不行，第一个还是搞极地轨道，这是个方向，不图搞亚非拉虚名。”（笔者注：原来有人说采用42°轨道倾角的优点是卫星主要经过亚、非、拉地区，可以鼓舞亚非拉人民。）这个会议经过讨论一致认为，地面站建设花钱很多，第一个卫星的轨道倾角要与后续系列卫星（返回式卫星）结合起来考虑。这个碰头会开得好，取得了共识。

当时，解决上述入轨点问题，即轨道倾角选择问题成为卫星研制中的紧迫任务。1966年4月18—28日在中国科学院力学研究所召开了“人造卫星轨道选择会议”，提出了选择轨道倾角的5条原则，对轨道倾角为42°、60° 70°及90°左右的3个方案进行了比较。经过比较，与会者一致认为60° 70°作为卫星的轨道倾角是比较符合5条原则的。轨道倾角为42°和70°时发射轨道在地面的投影如图4所示。

我国航天发射的实践表明：“东方红一号”卫星及返回式卫星选用60° 70°轨道倾角是正确的。1970—1983年间，我国发射的3个系列13 颗卫星的轨道倾角均在59.5° 70°之间，大大节约了地面站建设的投资，加快了我国航天事业发展的进程。

图4 倾角i=42°，i=70°时发射轨道在地面的投影

4 末级火箭起旋分离方案以及运载火箭参数与飞行程序的优化

从1966年8月起，运载火箭进入方案设计阶段。在方案设计阶段主要解决的问题有两个：一是如何使末级起旋分离方案设计得更稳妥；二是如何将发射卫星的飞行程序与中远程火箭的飞行程序相结合。

随着研制工作的深入，八院研制团队发现运载火箭末级采用旋转平台起旋和分离的方案（见图 1及图2）虽有分离干扰小的优点，但是对这种直径大、刚度要求高、需要在真空条件下高速旋转的平台的研制十分困难，难以满足进度要求，而且使用旋转平台要增加较多的末级结构质量。

1966年 9月，团队研究决定，取消旋转平台，调整为将末级火箭的支撑板固定在仪器舱上，起旋火箭固定在末级火箭的质心附近（参见图 5），同时对火箭的发射程序进行相应的改进：由原方案的“在第二级未分离的情况下末级火箭在第二级火箭的旋转平台上起旋，起旋后二级与末级火箭分离”（见图2），改为取消旋转平台，末级火箭先与二级分离，分离后再依靠末级火箭质心附近的起旋火箭实现末级起旋，以保障末级火箭姿态在发动机工作时的稳定（见图 6）。这样，卫星入轨时的速度方向偏差由采用旋转平台时的 0.92°增至无旋转平台时的 0.965°，但仍能满足设计要求。同时，采用改进方案可以保证即使有一个起旋火箭未点着火，卫星也可以可靠入轨。

图5 “长征一号”末级火箭和“东方红一号”卫星

图6 采用起旋火箭方案后“长征一号”运载火箭的发射程序示意图

1966年10月中旬，八院研制团队采用1966年7月份七机部一院编写的中远程火箭弹道计算的初始数据及程序对“长征一号”火箭发射轨道进行计算发现，对这种状态来说，由于原设计的末级发动机质量太小，火箭第二级落点航程达4866 km，落到了印尼的领土上，这当然是不允许的。于是将末级固体火箭发动机增重至1800 kg以上，以使第二级落在我国领海之内。

10月18日，研制团队又从七机部四院那里进一步证实，原“770”发动机总重为2 t。因此，将末级发动机增加装药长度并使质量增加至2 t是可行的。

10月20日，研制团队向一院介绍了“长征一号”运载能力的计算结果，并提出如果一级飞行程序与中远程火箭飞行程序相同、仅更改第二级飞行程序，则可使其运载能力比一、二级均采用中远程火箭飞行程序的情况增加80 kg。

经七机部领导批准，从1966年11月16日起，八院派出朱毅麟、李颐黎、朱仁璋等11位研制团队成员到一院总体部协作，共同研究“长征一号”运载火箭发射“东方红一号”卫星的飞行试验方案。经过近2个月的努力，1967年1月中旬正式确定了“长征一号”第一级和第二级的飞行程序采用中远程火箭的飞行程序、末级采用2 t重的固体发动机方案。这一方案既能保证满足130 kg卫星的发射，又能确保一、二级残骸不落在国外领土上，且一旦在正样阶段卫星的质量超标，还可以用改变第二级飞行程序的办法来提高火箭运载能力。七机部于1967年3月3日将《关于第一个卫星运载工具“长征一号”方案更改报告》上报国防科委。

1967年一季度，在对“东方红一号”卫星各分系统进行复审的基础上，中国科学院651设计院会同七〇一工程处和七机部八院起草了《“东方红一号”地球卫星研制任务书》，并上报国防科委；国防科委于1967年 4月 25日发出通知，征求对该任务书的意见。《任务书》中有关火箭运载能力和火箭入轨精度方面的表述内容如下：

卫星直径为1 m，质量130 kg，卫星入轨前最大转速不大于240 r/min。运行轨道倾角70°±2°，近地点高度500 600 km（标准值为590 km），远地点高度1000 2100 km（标准值为1500 km），运行周期100 110 min。

5 任务移交一院后对“长征一号”运载火箭总体方案的优化

1967年11月1日，国防科委发出《关于“长征一号”研制任务移交问题》的通知，该通知称“根据一院、空间院（笔者注：此处的“空间院”是指中国空间技术研究院。该院于1968年2月20日正式成立，负责航天器的研制。彼时已决定将七机部八院划归中国空间技术研究院。）的分工原则，为了确保1968年国庆节前发射‘东方红一号’卫星，决定将‘长征一号’任务由八院移交给一院，要求11月1日前移交完毕……”八院随即完成了“长征一号”总体研制的移交工作，其承担的“长征一号”滑行段姿态控制系统的部分研制任务和安装在末级上的观测体的研制任务不在移交之列，一直持续到“东方红一号”卫星成功发射。

在一院接收“长征一号”运载火箭研制任务后，随着研制的深入，对总体方案又进行了修改。例如，“东方红一号”卫星在正样阶段已增重至 173 kg，而当时四院给出的末级固体发动机的比冲值较后来给出的要低；为了提高运载能力，一级仍采用中远程火箭的飞行程序，二级则采用了有个转弯段的飞行程序，这样入轨点高度降低至444 km左右，但仍能满足安全入轨的要求。此外，为了降低末级“770”发动机在自旋情况下工作的铝粉沉积量，将末级火箭的起旋转速由原定的最高240 r/min调整为180 r/min，这样，卫星的入轨精度和观测体的展开仍可满足要求。

6 “长征一号”火箭成功发射

1970年4月24日21时35分，“长征一号”运载火箭（图7）托举着“东方红一号”人造地球卫星从酒泉卫星发射中心成功起飞，将卫星顺利送入近地点高度439 km、远地点高度2384 km和轨道倾角为68.5°的环绕地球运行的椭圆轨道。“东方红一号”卫星重达173 kg，比苏联、美国、法国、日本发射的第一颗人造卫星的质量之和还要大。卫星在轨正常工作了28天，圆满完成了“上得去、转起来、看得见、听得着”的任务。

1999年，党和国家为研制“两弹一星”做出突出贡献的科技专家授勋时，授予王希季院士“两弹一星”功勋奖章，充分肯定了他在“长征一号”研制工作中的奠基性作用：“他创造性地把我国探空火箭技术和导弹技术结合起来，提出我国第一枚卫星运载火箭的技术方案，主持‘长征一号’运载火箭和核试验取样系列火箭的研制……”

这是当年从事过“长征一号”运载火箭研制的七机部八院的光荣，“长征一号”前期研制团队为使我国成为世界上第五个独立发射人造卫星的国家所做出的贡献值得铭记。

图7 “长征一号”运载火箭（第一级和第二级）

[1] 李颐黎. “上得去，转起来”——回顾长征一号运载火箭研制的一些往事[J]. 太空探索, 2010(10): 52-55

[2] 石磊, 王春河, 张宏显, 等. 钱学森的航天岁月[M]. 2版. 北京: 中国宇航出版社, 2012: 494

[3] 张钧. 当代中国的航天事业[M]. 北京: 中国社会科学出版社, 1986: 153

[4] 朱晴. 王希季院士传记[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2014: 147; 151