挺过这一关，大国风云星从此畅游太阳同步轨道

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今年是新中国成立70周年。为了更好展示70年来具有里程碑意义的重大航天事件和成就背后的故事，中国航天报社策划了“共和国航天往事——庆祝新中国成立70周年大型系列主题报道”。



习近平总书记曾说过，无论我们走得多远，都不能忘记来时的路。该系列报道揭开尘封档案，采访亲历者和见证者，以讲故事的方式，讲述中国航天自力更生、艰苦奋斗的历史，再现中国航天事业与共和国同呼吸、共命运所走过的风雨历程，在新时代大力传承和弘扬航天“三大精神”。


本期推出第11篇《抢救一颗卫星 点亮漫天繁星》，讲述我国首型气象卫星风云一号逐渐走向成熟的故事。

本文约4000字，预计阅读时长10分钟。
1991年2月14日，除夕。


我国第二颗气象卫星——风云一号B星在900公里高度的轨道上运行，经过地球极区和南大西洋上空的带电粒子密集区时，因受空间高能粒子轰击，星上计算机工作紊乱，卫星姿态失控。若不及时抢救，曾向地面源源不断发送高质量气象云图资料的它，将会变成一颗“死星”，落成太空多余物。


没有烟花，没有春晚，没有团圆饭。风云卫星战线上每一个人的心都为天上的卫星紧紧揪着。


75天废寝忘食，75天艰苦努力。1991年5月2日，随着“卫星捕获地球成功”声音落地，西安测控中心大厅内响起雷鸣般的掌声。





事后，风云一号气象卫星总设计师孟执中带领设计师彻底梳理A星和B星的问题，总结汇编成四册：《卫星总体与分系统部分》、《卫星子系统与整机部分》、《卫星评价与应用》和《卫星故障分析与对策》。


这为后续卫星可靠性设计和排故提供了很好的借鉴和参考。风云一号B 星的抢救技术飞轮磁控制系统方案于1992年获得了航空航天工业部科技成果一等奖、1993年获国家重大科技成果二等奖。


那时，工程总设计师任新民说：“失败的教训比成功的经验更宝贵。我们不怕失败，但不忘记失败。”


这也许是航天科技工作者取得成功的真谛。




 1 
从A星走来——正视失败、超越失败
不经风雨，怎揽风云？风云一号B星自诞生之日起便载有这般豪情壮志。
1988年9月7日，风云一号A星发射成功。10月15日，卫星姿态失控，没有达到预定的半年考核寿命。
风云一号A星的夭折，更激发了孟执中研制高可靠卫星的决心。在研制风云一号B星时，孟执中与研制人员在关键设备上增加了备份，弥补了A星的不足。

▲ 孙家栋（前左）与孟执中（前右）亲切交谈

其中，修改最大的是姿态控制系统。姿控系统以A星的控制系统方案作为主控手段，增加了备份星在计算机和偏置动量飞轮控制方面的备份方案，增加一整套备份系统。
同时，风云一号B星在硬件和软件设计上采用了多种技术手段，使姿态控制系统的可靠性有了明显提高；采取一系列防污染设计的措施，解决扫描辐射计红外通道受水汽污染问题，改造了发射场的测试环境，同时增加了辐射致冷器二级冷块加热去污措施……
其间，热控分系统主任设计师沈琮和负责电源系统的冯铁荣等一起做试验分析，摸清了镉镍蓄电池的充放电特性。孟执中给予了他们关键性的指导。他们复现了卫星在轨时的充放电故障现象，解释了镉镍蓄电池充放电的温度特性。

▲ 卫星正在进行模态试验

卫星总指挥韦德森总结时说：“为了提高可靠性，蓄电池的温度控制不能超过25摄氏度，最好给电池温控‘吃小灶’，不超过20摄氏度。”
这一原则不仅指导了B星的设计，还被推荐给资源一号卫星的热控主任设计师，在资源一号卫星上也得到成功应用。它成为后续卫星型号蓄电池温度控制的设计原则，至今还在遵守。
1990年9月3日8时53分，风云一号B星由长征四号运载火箭送入预定轨道。其间经过一次“排故”小插曲后，卫星开始源源不断地向地面发送高质量的气象云图资料。卫星工作一切正常，研制人员欢欣鼓舞，沉静在一片喜庆之中。

 2 
重蹈A星覆辙


1991年2月14日，这天对于从事了一辈子航天科技工作的孟执中来说至今记忆犹新。那是中国的传统节日——大年三十，孟执中带领工作小组成员，在西安卫星测控中心执行任务。


当天晚上9时，北京气象卫星地面站发现卫星云图发生扭曲，并不停地滚动。


“又是控制系统出了问题！”在西安卫星测控中心招待所宿舍的孟执中意识到，B星开始重蹈A星覆辙。


深夜，正在家中欢度除夕的控制系统主任设计师徐福祥接到从西安卫星测控中心打来的电话：风云一号B星因受空间高能粒子轰击，星上计算机工作紊乱，卫星姿态失控，必须立即抢救！


经分析，卫星以每分约10转、章动角估计大于40度的状态在天上乱转。按说，风云一号B星的姿态控制系统已设计了故障自主诊断、系统重构和全方位姿态捕获等功能，处理一般的故障应是绰绰有余的。然而星上的储气（动力源）已耗尽，这意味着，卫星已失去自我抢救的动力。


当天晚上，孟执中与徐福祥在电话中商讨，取得一致意见后，立即调整偏置动量轮到最大值。


启动大飞轮后，卫星章动运动明显减小，卫星太阳电池阵供给电流从0～8安的快速起伏，转为6～8安的较平稳供电，为后来抢救卫星提供了有利条件。


徐福祥接到孟执中的电话后，第二天天刚亮便赶到上海虹桥机场。但是飞往西安的飞机春节全部停飞，无奈之下，徐福祥又赶到火车站，怀着忐忑的心情登上了列车。


大年初二，当徐福祥赶到西安卫星测控中心时，他看到已几天几夜未安稳合眼的战友们投来期盼的目光，感受到了孟执中对他的信任和期待。工程总师任新民、卫星总指挥韦德森以及航空航天工业部领导等也随后从北京赶来。


徐福祥提出了用3根磁棒来挽救卫星的初步设想，受到了在场领导和专家的高度重视。测控中心立即成立卫星抢救小组，韦德森任组长，孟执中和徐福祥任副组长。同时，测控中心成立了抢救技术组，徐福祥任组长，成员有高火山、董瑶海、华振武、朱海园等，抢救卫星的策略和方案由徐福祥牵头，孟执中把关。


五院也先后派出了陈义庆、严拱天、章仁为等控制技术专家来西安担任技术顾问。杨嘉墀院士不顾年老体弱，在抢救卫星的关键日子里赶来，进行现场指导。


卫星抢救小组成员经过反复分析、讨论，提出了抢救这颗卫星的技术总策略，即：首先明确失控卫星运动方式，在地面进行失控卫星动力学仿真；其次保证太阳电池有一定的输出，为进一步制定抢救策略打下基础。


就在大家为抢救风云一号B星而日夜奋战时，航空航天工业部的白拜尔总工程师也来到西安。他勉励大家：“我和航天部的领导充分相信你们一定会想出办法。成功抢救这样一颗几乎无法挽救的卫星，将是一件非常了不起的大事。”




 3 卫星捕获地球成功



在那些日子里，大家夜以继日地深入思考，推导公式，寻找解决方案。


通过高火山、董瑶海等的仿真和分析计算，小组在整个抢救过程中始终有效地监视着卫星旋转的姿态。



▲ 卫星在磁测试厂房


同时，小组还找到了通过星上地平仪数据确定卫星在旋转过程中何时指天、何时指地的方法，从而发现了通过星上计算机已有软件的组合控制3根磁棒通电相位的方法。该方法又被称为磁棒通电的“电子开关”。


华振武和朱海园等完成了消旋力矩的数学仿真，选择了最佳参数，使卫星的快速旋转很快得到了控制。


卫星经过10天左右的消旋，旋转速率从每秒60度下降到每秒几度左右。


为将抢救方法全部转换成西安卫星测控中心可以实施的地面操作计划，徐福祥多次给卫星测控中心的同志上课，向他们详细讲述抢救卫星的方法、地面仿真的方法，以及如何将其转换成操作实施计划。


在测控中心的大力配合下，经过75天的艰苦努力，风云一号B星终于在1991年5月2日恢复正常工作。


孟执中清楚地记得，当时西安卫星测控中心的大厅内鸦雀无声，大屏幕上显示着卫星正缓慢“滚”向飞轮控制区。人们的心紧揪着，双眼紧盯着大屏幕，心“怦怦”跳着，企盼着胜利的到来。


“卫星捕获地球成功！”


现场指挥响亮的报告声一落地，大厅内立即响起了雷鸣般的掌声和欢呼声。国防科工委、航空航天工业部、国家气象局、西安卫星测控中心、五院和上海航天局的领导都向抢救组发来热情洋溢的贺电，对抢救成功风云一号卫星报以热烈的祝贺。


航空航天工业部领导在贺电中说：“成功抢救风云一号卫星是中国航天史上的奇迹，也是国际航天界的罕事。”



▲ 1988年9月7日，风云一号A气象卫星发回的第一张云图照片



 4 在磨砺中迈向未来
风云一号B星经75天地面测控抢救，虽然排除了故障，恢复了工作，但终因星载计算机受空间环境影响而频繁跳变，未能完全回到正常状态。该星断断续续工作到1992年11月，在轨累计正常运行285天，未能达到一年的设计寿命指标。
这成了与卫星打了30多年交道、看着卫星“长大”的孟执中心中抹不去的痛，也更加坚定了他求胜的信念。
孟执中带领“风云一号”的设计师彻底梳理了A星和B星的问题，将卫星研制过程中所出现的问题和解决办法系统总结、汇编成册，以供后续卫星研制者参考。他亲自主编，全程参与，并亲笔撰写了其中的重要章节。
为更全面地反映卫星设计所需掌握的基本原理和工程研制中所需注意的问题，他还集中10天的时间，带领有关人员编辑审定完成专集，最终汇编成四册：《卫星总体与分系统部分》《卫星子系统与整机部分》《卫星评价与应用》和《卫星故障分析与对策》。
中国科学院空间中心的一位专家在看到这本专集后，称这是他看到的最好的、最有价值的关于卫星故障的技术总结，为后续卫星可靠性设计和排故提供了很好的借鉴和参考。
风云一号B星的抢救技术飞轮磁控制系统方案于1992年获得了航空航天工业部科技成果一等奖、1993年获国家重大科技成果二等奖。
风云一号A星是我国第一个太阳同步轨道卫星，被誉为中国航天卫星技术上的第三个里程碑。而B星在A星的基础上进一步采用了微型数字计算机作为卫星的控制中心、80C86做CPU、偏置动轮量姿控系统方案等具有开创性的技术实践。这些卫星计算机的技术设计创新，为后来的卫星型号所继承和发展。
回顾“风云一号”研制历程，那些失败教训，向浩瀚宇宙洒下点点星光。在磨砺中，一批青年人才成长为骨干，他们从失败中走过来，以攻坚不怕难的韧劲，在后续卫星研制中奉献智慧与汗水，助推“风云”卫星迈向广阔未来。
完.