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50年前
東方紅一號成功飛天
幾十萬人在天安門廣場
親眼見證衛星過境
50年後
這枚中國第一顆人造衛星
仍在太空飛行！
人們在地面上還能看到它！
那麼問題來了
什麼時候能看見它？
觀測時間能提前知道嗎？
肉眼能看見還是望遠鏡能看見？
為什麼發射50年了它還在？
……
值此第五個中國航天日
和衛星成功發射50週年的特殊時刻
我們為你深度解讀
一起
多路追星 共望東方紅
01
2020年3月28日
多路追星紀實
2020年3月28日，東方紅一號衛星有一次約7等星亮度的過境。對於北京地區來說，今年較好的觀測衛星過境的時機只有3月和9月兩次。
恰逢第五個中國航天日即將到來，又是東方紅一號衛星成功發射50週年，這顆中國航天人送向宇宙空間的第一星吸引了許多人的關注，大家都瞧準了3月28日這次機會。
圖為東方紅一號衛星部分過境信息表，源自Heavens above網站公開可查數據彙總。
這天晚上，小編和北京天文館名譽館長（原館長）朱進共同前往順義郊區，用相機拍攝衛星過境照片。
與此同時，北京四中天文教師葉楠和國家天文臺沙河科普教育基地教師克留分別帶好了相機、望遠鏡等設備在延慶和昌平翹首以待。
最終，誰拍攝到了東方紅一號過境的神秘蹤跡呢？
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片尾有答案
28日晚上9點剛過，葉楠給小編髮來了一張對著電腦顯示屏手機翻拍的照片，說了五個字，“今天拍到了”。
2020年3月28日，東方紅一號衛星過境照片，飛躍北斗七星中的開陽雙星。（葉楠 攝）
3月29日的清晨五點多，克留老師把一段精心製作的29秒的視頻了北京天文圈的一個微信群裡。“謹此紀念東方紅一號衛星發射50週年”，他很激動。“為了讓非常不明顯的東方紅一號過境軌跡能在視頻上看出來，一直折騰到現在”，克留老師又發了好幾條信息說明視頻拍攝和後期處理的情況。
2020年3月28日，東方紅一號衛星過境視頻，已在微博、抖音、B站等多個平臺廣泛傳播。（克留 攝）
29日中午12點多，朱進發來微信，“沒拍到”。語氣十分遺憾。不過，最後他還是說，“我今天晚上換個地方再試試”。
堅持帶來了好運。29號晚上，東方紅一號衛星在朱進相機裡的20多張照片上都留下了痕跡，一道白線穿過小熊座，經過天權下面一點又穿過北斗七星！
2020年3月29日，東方紅一號衛星過境照片。（朱進 攝）
其實，朱進此前一直密切關注著它，已經多次成功拍攝到了衛星過境的照片。作為《天文愛好者》的主編，他認為，“對人造航天器的觀測和拍攝，是天文愛好者一個非常好的入門方式和機會”。未來，中國空間站建成後，將成為一顆“我們站在自家陽臺上，抬頭即可見的‘星’”。
2015年和2018年朱進拍攝的東方紅一號衛星過境照片。
02
東方紅一號為何能被看到？
發射至宇宙空間的航天器，能否被人們在地面用肉眼看到，和多個因素相關。
航天科技集團五院總體部研究員汪中生介紹，主要有五個方面，分別是軌道高低（即距離地面的遠近）、個體尺寸大小、表面材料對陽光的反射特性、觀測時的氣象條件、觀測時航天器是否處於地影內等。
對高度接近、表面反射特性類似的航天器，可以簡單說“越大的航天器越容易被看到”。
對於東方紅一號衛星的觀測來說，分兩個階段。
首先是50年前。
在1967年的東方紅一號衛星方案預計中，衛星在空間運行時的亮度為5-8等星。由於人眼的觀星極限是6等，因此當時的航天人在末級火箭上加上了“觀察傘”，希望它的亮度達到4-7等星。這個跟在衛星身後的直徑約4米的“太空反光球”大大增加了反射太陽光的面積，這樣，地面上的人就更容易“看得見”了。
於是在衛星發射成功的第二天，1970年4月25日，根據20時29分衛星將經過北京上空的預報。數十萬人聞訊聚集到天安門廣場，在探照燈光柱的指引下，翹首望天，親眼目睹到了東方紅一號衛星過境的震撼一幕。
第二個階段是2000年12月29日至今。
東方紅一號衛星的實際表現超出了科研人員的預期，在帶“觀察傘”的三級火箭於2000年12月29日隕落後，我們仍然可以在它過境時欣賞到它的風采。
生日與東方紅一號衛星發射的4月24日是同一天的朱進說，由於這個特別的緣分，他對東方紅一號格外關注，長期觀測和拍攝這枚衛星，就在“前幾年還用肉眼看到過它”。
從下面這張查詢Heavens above網站數據而製作的表格，我們可以看出，2018年的9月14日，東方紅一號衛星在近地點、100℅被照亮時，最大亮度可達3.6等星。
時 間
軌道參數
亮度（星等）
近地點
遠地點
傾角
1970.04.24
439 km
2384 km
68.5°
衛星5～8等，三級火箭（帶“觀察傘”）4～7等。
2018.09.14
432 km
2032 km
68.4°
固有亮度（食分）7.2等
（在千公里距離，50 % 照亮時）。
最大亮度（食分）3.6等
（在近地點，100 % 照亮時）。
表格由韓厚健提供
衛星的亮度為何在變化？
葉楠解釋，東方紅一號衛星表面是一個72面體，初始以每分鐘約120周的速度自旋。只有在與太陽角度合適的時候才能夠出現閃光，所以亮度有一個變化的過程。
“即使在同一天，處在不同經緯度位置的觀測者看到的衛星過境亮度也可能不一樣”，北京天文博物館的張超進一步補充說。
03
世界前五星今只剩二星，
東方紅一號為何50年不掉？
回顧世界上五個最先發射衛星國家的第一顆衛星，蘇聯的人造地球衛星一號、美國的探險者一號、日本的大隅號早已隕落，仍然在軌的只剩下法國的阿斯特克斯1號和中國的東方紅一號，阿斯特克斯1號由於體積太小而很難看到。
世界最先發射五國第一顆衛星的現狀一覽（韓厚健製圖）
那麼，東方紅一號衛星為何能夠長期在軌呢？這先要從它的軌道說起。
在近地點高度439千米、遠地點高度2384千米（發射初始數據，後有衰減）的橢圓軌道上，東方紅一號發射入軌後隨即開始了週而復始的旋轉，走完一圈大約需要114分鐘。
主要從事月球和深空探測軌道設計研究工作的汪中生介紹，如果衛星的高度少於400千米，地球大氣對衛星的阻力會導致衛星速度逐漸降低、高度逐漸衰減，直到進入120千米以下的稠密大氣層燒燬。當初東方紅一號的設計師希望衛星能夠長期在太空飛行，所以選擇它的近地點高度大於400千米。
東方紅一號衛星軌道比較高，空氣雖然非常稀薄，但還是會給衛星一定的阻力，因此它的軌道也略有衰減，只不過過程緩慢，目前它的近地點高度只比當初降低了10千米左右。一般人造衛星軌道高度降低到300千米以下時，才會比較快速的丟失高度，最終再入大氣層。
對此，曾參與長征一號運載火箭研製工作的航天科技集團一院研究員韓厚健說，“只要沒有人打擾它，東方紅一號衛星在軌時間將超過50年。”
04
相機拍星統共分幾步？
首先你需要去一個名為Heavens above的網站，網址是www.heavens-above.com。在這個網站上可以查詢到各種人造衛星過境信息。
進入網站後第一步是輸入觀測地所在的經緯度，這是非常重要的一步。
之後，在“人造衛星數據庫”中搜索“dfh-1”，或者在衛星編號範圍內搜索從“4382”至“4382”，“dfh-1”和“4382”分別是“東方紅一號”衛星的英文名稱和編號。然後，就可以查詢到它的過境信息和星圖了。
其次是設備調試與拍攝。我們採用的拍攝方法類似守株待兔，即，對準“東方紅一號”衛星即將飛過的某片天區，在過境前後連續曝光。由於它是一個動的目標，長時間曝光並不能夠增加曝光量，所以只能使用盡可能大光圈的鏡頭，儘可能高的感光度去拍攝，根據光圈和感光度的數值再結合天光背景亮度確定合適的曝光時間。這種拍攝方式和流星的拍攝有相似的地方。
第三是後期比對。照片拍攝完成後，需要對照過境星圖在照片中尋找“東方紅一號”衛星的身影。
圖為3月28日的比對星圖，可在Heavens-above網站下載。（葉楠提供）
05
如果說相機拍衛星難，
那麼用天文望遠鏡看衛星呢？
2019年4月，北京四中的學生任芊澍和丁恆宇參加了第二十屆北京市中小學生航天科技體驗與創意設計大賽，兩人兩張同一天拍攝的東方紅一號衛星過境的照片都得了航天器攝影項目的獎項。
為何兩張主題內容相同的照片能在同一賽事中獲獎？他們的指導老師葉楠講，“因為確實比較難拍到，而且也難拍好看。”
任芊澍2019年4月拍攝的東方紅一號衛星過境照片
丁恆宇2019年4月拍攝的東方紅一號衛星過境照片
如果說，相機拍攝有難度，是難在哪裡？而天文望遠鏡的觀測又是如何操作？張超從北京天文博物館的庫房裡，找出了兩件專門觀測人造衛星的小望遠鏡介紹說：“這裡面，還是有很多講究的”。
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聽兩位中學生講述他們的追星拍攝故事
看天文望遠鏡觀測人造衛星的門道講究
根據中科院院士、原一院一部主任謝光選的記錄，東方紅一號衛星升空前，1970年4月3日，專家們曾向周恩來總理報告：衛星將“存在軌道上約16年”。如今看來，東方紅一號的實際表現大大超出了設計師們當初的保守估計，成為了中國航天史上的一個傳奇。
從第一星上天，到神舟載人、北斗導航、嫦娥探月……航天人探索不止、航天事業步履不停，中國人邁向宇宙空間的腳步愈加堅定，更多的航天傳奇，我們共同期待。
特別鳴謝航天科技集團一院、五院、北京天文館、北京天文博物館、北京四中等相關單位人員支持
文/楊成
編輯/林佳昕
視頻/王磊
校對/林佳昕
監製/黃希
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