阿迈
第1楼2011/06/06
白沙飞弹
和探空火箭密切关联的一个地名是白沙导弹试验场。白沙位于美国的新墨西哥州,是全美占地面积最大的军事设施,也是整个西半球规模第一的导弹试验基地。而直到今天,对于美国的探空火箭任务来说,白沙也是大本营。
1945年夏末,美国从纳粹德国手中缴获的V-2导弹零件被运送到了白沙,冯·布劳恩等投诚的德国专家在这里将其组装成形。与之相关的计划最初名为“赫尔墨斯”,是以V-2为基础来生产战术弹道导弹,后来又将大气层相关的基础科学研究纳入计划之中,并招募了包括范艾伦在内的一大批科学精英参与其中。
V-2有着300公里的射程,战斗部重约900公斤。如果将战斗部改装为等重科学仪器,预计垂直升限可以达到150至180公里。第一枚从白沙发射的V-2研究火箭于1946年4月16日升空,主要仪器是用于研究初级宇宙线粒子的盖革计数器。可惜这枚火箭在飞行至5公里高度时即失控坠毁。
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第3楼2011/06/06
1946年10月10日拍摄的太阳紫外光谱
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第4楼2011/06/06
奔向太阳
要说美国早期的探空火箭种类不算少,ASP,Cajun,Nike家族,不过在空间天文史上最为出名的,首先还要数从太阳观测起家的Aerobee。
Aerobee的前身是WAC“下士”(WAC Corporal)火箭,这是喷气推进实验室在1944年至1945年间的成果。下士的载荷很小,只有11公斤,不能满足大多数科研目的需要。为了克服这一缺陷,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室在1946年对其进行了改进,把最大载荷增加到了68公斤,重新命名为Aerobee,并于1947年试射成功。
Aerobee由固体火箭与硝酸/苯胺冲压式发动机推进,前后共有30余种改型问世,早期太阳观测主要是利用150型完成的。依照型号不同,Aerobee的升限在80至450公里之间,至1985年1月最后一次飞行,发射总量是1037枚。
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第6楼2011/06/06
Aerobee 150的结构图
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第7楼2011/06/06
1950年5月3日,维京探空火箭第一次发射成功
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第8楼2011/06/06
目击深空
说来Aerobee对太阳X射线流量的探测还是给早期的高能天文学研究者泼了冷水的。在整个X射线波段,太阳辐射的流量只有1尔格每平方厘米每秒。如果象大多数人所认为的那样,太阳是一颗典型的G型恒星的话,倘或探测器技术没有重大突破,对于距离地球几光年甚至更远的天体来说,它们的X射线辐射几乎就是不可探测的,除非其流量比太阳大上几百万倍。
不过Friedman等人还是给X射线天文学带来了一线希望:在1955年11月的一次夜间飞行中,他们发现了大量来自其他恒星的远紫外辐射。1956年7月,他们又察觉到,存在并非来自太阳方向的硬X射线,只是受条件限制,尚不能解析出单个点源而已。
接下来呢?如果对2002年的诺贝尔物理学奖还有些印象的话,应该知道其中一位获奖者,也就是Riccardo Giacconi,获奖理由是在X射线天文学领域的先驱性努力。这项工作的观测对象可不是X射线太阳,而是深空X射线源,时间是在1962年。虽说此时距离第一颗人造地球卫星升空已经过去5年了,虽说第一次伽玛射线天文观测已经归功于1961年发射的探险者11号卫星,但是比起仍然稚嫩的卫星技术,已经积累了相当经验的探空火箭仍是空间天文学观测的主流选择。
根据太阳的X射线辐射合理推测,能够辐射强X射线的天体理应不是正常恒星。这类天体的存在在当年也是有观测依据的:射电观测表明,有很多射电亮源没有显著的光学对应体。因此完全可以推论,类似的情况在其他波段也存在,因为各个波段的辐射机制并不相同。1950年代末,美英两国的科学家各自写成了报告,建议以探空火箭为平台,开展多波段观测。
这中间又能牵扯到许多著名的名字。除了后来的诺贝尔奖得主Giacconi,还有美国科学与技术公司(AS&E)的Bruno Rossi、George Clark这样的名人。研究宇宙线出身的Giacconi在当时还是个小字辈,他参与探空火箭计划的原因,只因在大气层以内探测初级宇宙线实在困难,希图能够凭借火箭这一新生事物,改进先前的手段。
既然说要探测来自深空的X射线,那么首先要提出几种可能的X射线辐射机制,才好说服他人。Giacconi、Clark与Rossi三人提出的辐射源包括热星、强磁场快自转的恒星、超新星遗迹以及恒星的耀斑,并特别指出,可以从探测拥有强射电辐射的蟹状星云入手。
升级仪器的需要依旧存在。当时的太阳观测普遍使用的是背景噪声相对大的盖革计数器。在着手对其进行改造的同时,1959年,Giacconi偶然了解到了一个概念:数年前,德国人Hans Wolter从理论上证明,可以用一系列的抛物面与双曲面反射镜让掠射X射线聚焦。由于制造上的难度,Wolter没有让这个概念变为现实,Giacconi还是作了尝试,但Wolter掠射镜的崭露头角是在1963年的一次太阳而非深空观测上。
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第9楼2011/06/06
第一架掠射式X射线望远镜,由Giacconi的小组建造,直径3英寸即7.5厘米
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第10楼2011/06/06
Giacconi小组安装在Aerobee上的实验设备,左侧即为三台盖革计数器