屠善澄：与卫星同行

王旭君

西安工业大学

2003年,我国第一艘载人飞船——神舟五号载着中国第一位航天员杨利伟返回地球。当时已经80岁高龄的我国著名自动控制专家、中国工程院院士屠善澄,在北京的一个测控点,观测神舟五号飞船顺利着陆回家。那天,一直喜欢音乐的屠善澄找出了有将近半个世纪历史的老唱片,在《天鹅湖》的旋律中庆祝自己和无数中国人终于圆了这个期盼已久的飞天梦。

“汪精卫的学校，我不念”

1923年,屠善澄出生在浙江省嘉兴市秀洲区新塍镇,他在这里度过了短暂的少年时光。他的父亲曾经考入上海复旦大学,但由于祖父思想保守,导致父亲只在复旦感受了半年的大学生活,就被迫中断学业,从此留下遗憾,也正是因为这段遗憾,让父亲产生了强烈愿望：要让家里每个孩子都上大学。

1937年,年少的屠善澄还在浙江省立嘉兴中学念初二。在那个战火纷飞的年代,家乡被日军攻占,他便跟着家人一起逃难到上海,开始了背井离乡的动荡生活和求学生涯。抗战、沦陷、逃难与他的少年时代紧紧联系在一起,刻上了时代的烙印。

1941年,屠善澄考入国立交通大学（今上海交通大学）电机工程系。在本以为可以大展宏图,静心钻研学术时,战火又烧到了上海。年底,太平洋战争爆发,日军迅速占领上海。不久,汪伪政府开始接管国立交通大学（上海本部）,“我在上海念书的时候,有一条‘铁杠’,汪精卫的学校,我坚决不念！”由此可见青年屠善澄对于汪伪政府的强烈不满和对祖国的一片赤诚。在交大陷落“汪伪”之手后,他毅然选择从交通大学退学,选择了当时的私立大同大学（现华东师范大学等院校的前身）。谈及当年自己转学到大同大学时,屠善澄说道：“大同的老师至少百分之七八十是原先交大的老师,他们不愿在汪伪政府的学校教书,便来到大同大学,不少学生也跟着跑到‘大同’。”1942年夏,屠善澄转入大同大学电机工程系后,考虑就业出路,选择了电力专业。1946年夏,屠善澄毕业,回到国立交通大学电机工程系做助教,直至1948年赴美国康奈尔大学留学。

屠善澄的儿子屠怀祖在描述父亲那段曲折的求学经历时说道：“父亲的童年和少年经历了抗战、沦陷和逃难,在当时艰苦的条件下,父亲仍坚持勤奋学习,当时没有公费留学,他是私费公派。考试前,外祖父曾想帮他写信给时任国民政府教育部长的朱家骅,让其推荐一下,但父亲不愿意,结果竟考了全国第一。”在动乱的条件下,屠善澄凭着这股子不服输的韧劲,终于得以在1948年赴美国康奈尔大学学习。在康奈尔,屠善澄仍然选择了电力系统为主专业,同时,辅修自动控制和应用数学的课程。1949年夏,他在美国尼亚加拉-莫霍克电力公司的电网继电保护部做暑假工,接触了电力系统的稳定性问题。从此,他对电力系统和复杂大系统的动力学分析以及它们的控制问题产生浓厚兴趣,并将其作为以后的终身专业。凭着对科学钻研的热情和不懈的努力,屠善澄顺利完成了在康奈尔大学的学业,获得硕士、博士学位,毕业后任助理教授。

在康奈尔,屠善澄不仅收获了自己热爱的事业,同时也收获了自己的终身伴侣——出生于湖南的湖北姑娘桂湘云,一个书香门第的大家闺秀,也是他留美期间数学系的学妹。屠善澄与妻子桂湘云一起携手,不仅成了工作中的搭档,更成为了彼此生活中互相扶持的伴侣。

“没有什么道理，我一直想回国”

彼时,大洋彼岸新中国成立的消息传来,屠善澄非常激动,他首先想到的就是要尽早回国。但那时,他们的第一个孩子康果才刚刚出生,要想回国,起码还得再等一两年。正在包括屠善澄在内的大批海外留学生期盼着将自身所学贡献给新中国的建设中时,却发生了一件事：1951年9月,在檀香山,当21名中国留美学生准备返回祖国时,其中学习理工和医学的9名留学生被禁止归国、强迫留美。当时,美国政府不准学理工农医等技术专业的学生回国为建设社会主义出力。此前,人们就听说过钱学森在美国被政府扣留,不许他回国的事情。

1955年,被美政府扣留的屠善澄和夫人接到了钱学森辗转回国的消息,说可以想办法回国,如有困难,可找大使馆。收到消息的第二年,也就是1956年,刚过而立之年的屠善澄放弃了康奈尔大学的高薪,和夫人桂湘云带着6岁的康果和1岁的怀祖,辗转回到祖国,带着满腔的赤诚和报国的雄心壮志,踏上了阔别八年的故土。“‘怀祖’意思就是怀念祖国。为什么要回国？我一直想回国,没有什么道理。”当屠善澄被问到当时为什么带上妻儿,坚定选择回国时他这样回答。他的小儿子怀祖在谈及此事时也说：“父亲总是教导我们说,要把所学的专业知识全部奉献给祖国。他是这么说的,也一直是这么做的。”

刚回国时,上海交通大学、武汉大学及华中工学院都邀请屠善澄和夫人去任教。按照屠善澄当时的打算,是准备继续在高校教书,把执教当成自己一生的事业的。不过,当时正值国家制定《1956-1967年科学技术发展远景规划》（简称《十二年规划》）,非常重视科学发展,并确立了计算机、半导体、自动化和无线电四大紧急学科。在这个背景下,中科院成立了自动化研究所。屠善澄回国时,研究所正处于筹备期,由于他学的是自动控制专业,在美学习时的导师也是著名专家,所以,他一回国就进入了组织的视野,国防科工委指名请他去中科院自动化研究所。就这样,原本打算将教学作为一生事业的屠善澄,进入中科院自动化研究所,并参与了生产过程自动化和计算技术专业两个筹备组的工作。

在加入自动化研究所之初的两年,屠善澄参与了电子模拟计算机研制和长江三峡水利枢纽自动化两个课题,并担任项目负责人。研制模拟计算机,是屠善澄归国后做的第一个重要课题。做自动化技术,离开模拟计算机很难进行,但当时,我国计算机水平很低,无法满足实验项目的需要,国内又买不到比较好的模拟计算机,如果到苏联订货,两三年内是拿不到货的。时间,对于刚刚成立的新中国来说就是一切。“既然我们买不到,那就自己做吧。”1956年9月起,屠善澄带领科技人员对国产电子管及极化继电器等元器件做了大量测试、筛选等工作,并在此基础上先后研制出MZ-2及MZ-4模拟计算机,满足了我国当时电子模拟计算机的需求,为后来多种电子模拟计算机包括J331型巨型机的研制奠定了技术基础。

人到中年的重要转折

1958年,对于国家和屠善澄个人而言,都是极为重要的转折年。1957年10月,苏联发射了第一颗人造卫星,开创了人类征服宇宙的新纪元。之后的1958年5月,在中国共产党第八次全国代表大会第二次会议上,毛泽东主席提出“我们也要搞自己的人造卫星”,全国掀起卫星热。随即,中科院组织科技力量投入卫星研究。当年11月,在中科院自动化研究所工作的屠善澄接受了新任务,那就是研究、探索人造地球卫星的控制问题。

时年35岁的屠善澄抛下以往的专业方向,从一本苏联的科普读物开始,从头自学卫星控制技术,并开始对人造地球卫星控制系统进行研究。后来,屠善澄编写了《关于人造地球卫星的控制问题》,提出我国人造地球卫星的控制需采用自旋稳定的方式起步,配合喷气或磁控作姿态调整,为后来我国发射的人造地球卫星控制系统提供了参考。

当时,全国科学技术学会联合会要组织各学会去宣传人造卫星,屠善澄代表中国自动化学会参加全国科联召开的各学会负责人会议,在会上凭借自己平时的积累,阐释了他所理解的人造卫星。会议结束时,一位负责同志说：“这位年轻同志讲得不错,大家都能听明白,就让他去讲吧。”从自学卫星控制技术开始,屠善澄就与人造卫星相随大半生。

即使在“文革”之中,屠善澄的研究工作也从未停滞过。忆起那段特殊时期,屠善澄说,1968年到1984年的十几年间,是他科研生涯中最重要、最具实质性内容的阶段。

自1958年起的10年里,中国对人造卫星的态度,由狂热逐渐恢复理性。经过调整,1968年,我国卫星研制任务终于明确,机构组织初步建立,内外各方面的协作配合基本实现了畅通。也正是从这一年开始,屠善澄投入到我国首次研制的载人飞船——“曙光号”载人飞船控制系统的预先研究工作之中。在他的带领下,团队取得了许多重大的技术成果,实现了载人飞船控制系统技术的全面进步。

1970年4月,我国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”。这颗人造卫星的发射,对当时的中国来说,无疑是一个激动人心的消息,给中国人民和广大科研工作者带来了莫大的希望。不久,屠善澄承担了更有挑战性的科研任务,那就是我国第一颗地球同步静止轨道卫星——“东方红二号”试验通信卫星的控制系统研制工作。

科研的道路总是充满曲折,“东方红二号”的研制也充满坎坷。“东方红二号”是我国第一颗长寿命同步轨道（ 高轨道）通信卫星,其控制系统是卫星的关键系统,屠善澄是控制系统主任设计师,负责主持系统的方案选择、方案设计、控制系统研制及飞行试验过程。

控制技术,难度很大。经过不断的试验,屠善澄首先确定了姿态测定及控制方案,采用在实际飞行中的不同时段利用不同测量数据递推式扩展的“卡尔曼滤波法”,以确保在短时间内获得较精确的姿态测定值,使卫星较快地实现机动变轨。消旋轴承是“东方红二号”卫星上的关键部件,屠善澄组织、设计的40套空间润滑系统,模拟在高真空条件下连续运转10年以上,准确获得了轴承的统计数据,使我国在空间润滑方面的研究顺利起步。

在解决“东方红二号”控制系统重大技术问题过程中,屠善澄带领技术团队攻克了一个又一个的难关,起到了不可替代的关键作用,尤其是在试验通信卫星发射后两度遇到紧急情况之时。

“东方红一号”总装现场

1984年1月29日,第一颗“东方红二号”试验通信卫星发射。然而,因为运载火箭故障,卫星并未进入到预定轨道。“东方红二号”是一颗高轨道卫星,发射之后,距离地表应为接近3.6万公里,但故障使然,星地距离仅有数百公里。不仅如此,卫星姿态测量仪数据出现异常饱和,姿态确定软件也无法正常工作。

作为控制系统主任设计师,屠善澄立即组织力量编制了专用软件,向卫星发出指令,抬高了卫星轨道,使卫星远地点发动机点火。这是我国首次进行“东方红二号”试验,并使卫星转发电视信号成为可能。

在3个月后的4月8日,第二颗“东方红二号”试验通信卫星顺利完成发射。在大家以为本次发射就要成功时,位于高空的卫星又出现了状况：因为蓄电池持续对卫星充电,致使星体出现了“过充”发热。这对于整个科研团队而言,又是一项前所未有的挑战。

为了避免卫星受损,屠善澄所在的控制系统小组对卫星做了多次超出规定工作状况的姿态调整,改变了太阳光照与卫星的相对几何关系。经过8天的努力,4月16日,卫星降温,状态恢复正常,定点于东经125度的赤道上空,这标志着我国首次成功实现同步定点试验通信卫星的入轨控制。此后,这颗卫星连续工作超过四年,比原先仅三年的设计寿命还超出了一年。

1985年,《试验通信卫星及微波测控系统》获国家级科技进步特等奖,屠善澄是控制系统方面唯一的获奖者。他为“东方红二号”试验通信卫星研制与发射试验作出了突出贡献,也为促进我国自动化科学技术的交流与发展,以及国际间的友好往来作出了重要贡献。但每每谈及这些成就时,屠善澄总是一贯低调谦虚地表示：“航天是集体的智慧,我只是一个见证者和参与者。”在面对纷至沓来的记者采访时,他甚至会找出各种看似不着边际的理由拒绝,比如“要出去理发”,以至于广大群众难睹他的风采。

“863”计划

1986年3月,王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允四位著名科学家向中共中央建议：组织专家对中国高新技术发展战略进行论证。同年11月,中共中央政治局扩大会议和国务院常务会议批准实施《中国高技术研究发展计划纲要》,这就是“863”计划。

1987年2月,屠善澄以首席科学家的身份加入“863”计划专家组,这个专家组负责对航天未来高新技术尤其是载人航天发展的技术途径进行重新论证。他主持“863”计划航天技术领域的研究论证工作后,先后起草了《国外载人航天的发展道路和趋向》《我国航天事业发展的新阶段》等论证报告。

1980年5月，七机部五院首届科学技术委员会合影。前排从右至左：屠善澄、钱骥、王希季、杨嘉墀、孙家栋、吴鹏、金建中等

对于这段顶着巨大压力和责任的艰辛往事,屠善澄回忆说：“当时在国际上要发射人进入轨道,然后在轨道上工作一段时期回来,有三个方案,一个叫作宇宙飞船,第二个方案叫作航天飞机,还有一个方案当时被媒体炒作得非常厉害,叫空天飞机。”专家们为此争论不休,作为首席科学家,屠善澄的一项重要使命就是带领专家们在这三种方案中做出选择。

屠善澄说：“‘863’计划还是有个期限的,不是说是无底洞,（我们）不能只搞点预先研究,这也布点,那也布点,经过几年后却什么也没有,看不见有形的东西。”这之后整整三年,屠善澄召集所有能想到的、能找到的专家,开了无数次讨论会,进行一次又一次的论证。终于在1989年,专家组成员达成共识,认为载人飞船方案的技术指标和投资要求更适合当时的中国国情。

经过充分的探讨和论证,屠善澄终于提出我国载人航天分准备阶段、初期试验与配套阶段、各应用试验与开发阶段的“三步走”战略设想。“863”计划发起人之一杨嘉墀曾评价屠善澄：“最后定下来的这个飞船方案,虽然不是他一个人定的,但是他作为专家委员会的首席科学家,最后拍板,功不可没。”

1991年,屠善澄撰文指出：“载人与无人自动化相结合开发利用空间是今后的发展方向。”此后,屠善澄代表“863”计划航天技术领域专家委员会,向中央建议“在二十世纪末建成初步配套的试验性载人飞船工程,并实现首次载人飞行；稍后建成自己的空间站。”这为中国载人航天的技术发展、经济可行性论证和最终确立载人飞船项目提供了极其重要的依据。也正是在这一年,他被航空航天部批准为有突出贡献的老专家。1994年6月,中国工程院成立大会在北京举行,时任国家科委“863”计划航天技术领域首席科学家、国防科工委科技委副主任的屠善澄,当选为首批中国工程院院士。被评为工程院院士的三年后,屠善澄又在1997年获得何梁何利基金科学与技术进步奖。

中国载人航天的方向一经确定,便进入了飞速的研究和发展阶段,经过无数科研工作者的不懈努力,神舟一号到神舟五号飞船先后问世,屠善澄一直战斗在科研的最前线,参与指导了许多关键技术的攻关。

桃李不言 下自成蹊

投入到前线科研工作中的屠善澄从没有忘记自己刚从美国归来,踏上祖国土地时的事业规划,那就是去大学教书,用自己的所学所获为祖国培养出更多人才。在繁忙的科研工作之余,他还将大量时间投入到教育事业。屠善澄长期担任北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学等多所大学兼职教授,是国内首批博士生导师。

屠善澄（侯艺兵摄）

中国科学院院士吴宏鑫自20世纪80年代初就开始和屠善澄共事。他介绍道,北京控制工程研究所很早就讨论航天器控制问题,发展方向是智能自主控制,第一步需要研究自适应控制,屠善澄就提出了招收自适应控制方向研究生。但当时吴宏鑫不能招收研究生,就以屠善澄的名义,在1985年招收了自适应控制方向硕士研究生,由屠善澄和他共同培养。第二年,他们又一起招收了第一个博士生。

吴宏鑫回忆：“我们见面有三条规定,只谈学术问题,不谈人事,不谈其他问题。”当时他们制订了“三步走”计划,航天器智能自主控制是一个重要发展目标,第一步做些自适应控制的基本概念、基本理论研究,第二步做航天器智能控制,第三步由基础研究、技术研究转入型号研究。

谈到当时一起工作的经历,吴宏鑫的话语里满是欣赏和赞美：“他高瞻远瞩,看得远。研究生的招收,帮我解决了自适应控制研究队伍问题。”吴宏鑫说,从共同招收培养研究生开始,他们形成了每周五下午开讨论会的习惯,直到2010年,屠善澄每周都坚持参加,风雨无阻。

在吴宏鑫看来,屠善澄对年轻学生非常关心。“他对不同的学生态度不一样,对学习努力的学生较为宽松一些,对努力不够的,他就抓得很紧。”吴宏鑫说,屠善澄在学术上非常严格、非常严谨。“学生写的论文、发表的文章,一律不能写他的名字。不是他自己写的文章一律不写他的名字,他很严谨。”也正是这种认真严谨的性格,使得他为中国培养了一批杰出青年科学家。

当年屠善澄的学生,有许多已经走上了关键岗位,成为重要的科研骨干力量。中国空间技术研究院北京控制工程研究所研究员、航天自动控制专家、神舟飞船副总设计师胡军是屠善澄1986年招收的硕士研究生。胡军说：“屠先生高瞻远瞩,他给我们的定位主要是为二十年后复杂航天任务的航天控制做准备。”

屠善澄与夫人合影

胡军硕士研究生毕业后,又考进北京大学读博。其间,有件事情给他留下深刻印象。一次他去看望屠善澄,屠善澄说：“大气层内的轨迹控制是比较有挑战性的,想让博士生、博士后做都没开展成,有点遗憾。”言下之意他希望胡军在这个领域有所发展。在胡军博士毕业后,正赶上载人航天工程立项,因缺少博士学历人才,缺少大气层内轨迹控制方面的人才,他决定返回北京控制工程研究所,从事载人航天工程方面的工作,不忘老师的殷殷嘱托。

屠善澄这种严谨治学的态度和高瞻远瞩的思想,也在他的学生和同事间传递。国家载人航天事业一路以来虽经历崎岖,但总能取得我们所期盼的结果,正是因为无数科研工作者背后默默的努力。作为当年留美归国的科学家之一,屠善澄不仅为当时新中国的科技发展披荆斩棘,贡献自己的光和热,也为中国的载人航天事业培养了大批后备人才。

2017年5月6日,94岁的自动控制技术专家、中国工程院院士屠善澄在京离世。现在人们可能对一些老科学家的名字感到陌生,但作为每一个中华儿女,都不该忘记,当年拖妻带子,从万里外的美国辗转踏上祖国的土地,隐姓埋名,在中国科技发展这片土地上辛勤耕耘的科学家们。向屠老致敬,向千千万万的中国科学家们致敬！