探空火箭时代的空间天文学

在太空时代开始之前，甚至可以说是在卫星技术真正成熟之前，从事亚轨道飞行的探空火箭是空间探测的先锋。这些小家伙可以把轻量设备带到大气层之外飞上几分钟，虽然其有效载荷并不大，总的飞行时间也很短，其功用却不小：除了探查高层大气结构，填补探空气球与低轨道卫星之间的高度空白以外，还曾经造就了紫外与X射线天文学两大分支学科。</>典型的探空火箭由固体或液体燃料驱动，飞行轨迹一般是抛物线。在上升阶段，燃料被消耗殆尽，并与载荷舱分离。之后载荷舱减速继续上升，达到弹道顶点后返回地面，最后借助降落伞回收。由于在顶点附近飞行速度比较慢，火箭可以在此作较长停留。对于天文应用来说，这一阶段就是载荷的主要工作时间。所谓探空火箭时代，在本文中姑且用来指天文卫星大量出现前由探空火箭主导空间天文观测的时代。从时间上看，大抵是从二战结束到20世纪70年代左右。在此期间，由工程师和物理学家转行而来的空间天文学前辈们蹒跚起步，除了要忍受设备的原始和观测时间的短暂，还要面对光学同行的偏见与自身认知的欠缺。但谁也不会否认，此时的探空火箭创下了空间探测的无数个第一次，也因在人造卫星诞生前扮演了多年的先驱者角色而被载入史册。这段短暂的历史如今近乎被尘封，只缘空间天文学后起的辉煌足已让探空火箭时代的工作失色，亚轨道飞行也远没有真正进入太空那样让人倾心。　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测试基地。直到今天，对于美国的探空火箭任务来说，白沙仍旧是大本营。1945年夏末，美国从纳粹德国手中缴获的V-2导弹零件被运往白沙，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”，旨在以V-2为基础来生产弹道战术导弹，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300千米的射程，战斗部重约900千克，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180千米。第一枚从白沙发射的V-2研究火箭于1946年4月16日升空，主要载荷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5千米高度时即失控坠毁。1946年4月16日的V-2火箭发射。（图片提供：NRL）接下来的实验也是问题多多，有的是载荷因受冲击过大而损坏，有的是遥控系统半途失灵，更不用提那些火箭爆炸的事故。第一次成功是在1946年10月10日，由早年的火箭试验先驱Richard Tousey率领的研究组拍下了波长短至2300埃的太阳紫外光谱，尽管分辨率粗糙得可以，却拓展了人们对太阳的认识。这次飞行的详细报告可以点击这里查看。1946年10月10日拍摄的太阳紫外光谱。（图片提供：NASA）在随后的两年中，V-2携带的光谱仪进一步探察了紫外太阳。虽然分辨率一直没有提高到允许从事谱线分析的地步（也因此让研究者的兴趣衰退），却还是测出了低于预计值的流量，顺便给地球臭氧层的测量提供了一手数据。1948年，Burnight的箭载照相底片和热致发光物质还暗示了太阳X射线辐射的存在，同样身为火箭试验先驱的Herbert Friedman在海军实验室领导的小组于次年利用光子计数器证实了这一发现。指向系统的研制也于同期开始。1947年，约翰·霍普金斯大学主持开发的第一台太阳定位装置问世，它使用可旋转的镜面与狭缝寻找目标。但更精密的多轴指向还有待时日。美国缴获的最后一枚V-2于1952年发射。所幸在V-2耗尽之前，新一代的探空火箭已经问世，空间天文观测的重任也随之转移到了它们的肩上。　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11千克，不能满足大多数科研目的的需要。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68千克，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450千米之间，至1985年1月最后一次飞行，发射总量是1037枚。Aerobee 150的结构图。（图片提供：Smithsonian National Air and Space Museum）在Aerobee研发前后，WAC“下士”火箭还与V-2火箭结合，组装成了缓冲器（Bumper）二级火箭。缓冲器曾被用于宇宙线撞击大气的研究，并创下了400千米的飞行高度记录。值得一提的是，如今的美国航天重镇——卡纳维拉尔角的第一次火箭发射正是由缓冲器完成的。V-2耗尽后，Aerobee逐渐接过了亚轨道科学实验的任务。科罗拉多大学在其上搭载的掠射光谱仪拍下了Lyman-α线，并获取了Lyman-α波长的太阳影像；Friedman的小组发现了来自日冕和耀斑的X射线辐射，并给出了太阳的X射线流量。在Aerobee稍后研制的是维京，同样是为了克服载荷过小的限制（不过是针对Aerobee），毕竟V-2的900千克运载上限还是让不少人垂涎的。可以携带200至500千克载荷的维京探空火箭被认为是V-2的改进版：将外壳从钢铁改成了无磁性且轻质的铝材，采用了更为可靠的舵机控制系统，并且载荷允许的重量范围较大，在安排较轻载荷时也不必像V-2那样额外设置压舱物，方便使用。在经历了3次试验失败后，维京火箭最终于1950年5月从航行在赤道附近的诺顿湾（Norton Sound）号导弹测试舰上发射升空。只是由于相对高的开支，维京的应用并不如Aerobee来得广，前后一共只发射了12枚。1950年5月3日，维京探空火箭第一次发射成功。（图片来源：Beggs Aerospace）尽管如此，在早期的太阳空间探测上，维京探空火箭还是应该记上一笔的，这就是其针对X射线辐射强度的测量。当年测量太阳辐射的重要意义是为了查清维系地球大气电离层的力量，但由于仪器水准所限，关于太阳X射线可否造就电离层E层一直争论纷纷。直到1952年12月，Friedman安置在维京火箭上的仪器给出了确切结论：强度足够。此外，Tousey等人利用维京和V-2的实验也证明，来自太阳的Lyman-α辐射足以保持电离层的D层。接下来的探空火箭高潮是国际地球物理年（1957年7月1日至1958年12月31日）与国际宁静太阳年（1964年1月1日至1965年12月31日），分别对应太阳活动的峰年与极小年。如在国际地球物理年这短短的一年半时间里，为配合对太阳活动与地球环境的广泛研究，发射的探空火箭就超过了300枚，其中美国发射了200余枚，以Aerobee Hi为主。在这段时间里，人们认识到的太阳光谱紫端从2900埃拓展到了977埃，X射线谱的特性也得到了测量。　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了5年，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，业已积累了相当经验的探空火箭仍是空间天文学的主流选择。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，向本国相关部门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缘起，只因在大气层以内探测初级宇宙线实在困难，于是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，而Giacconi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。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。（图片提供：Leon Van Speybroeck）那么对传统的盖革计数器的改造又是怎么一回事？其实很简单，增加了闪烁计数器。背景噪声很大程度上来自宇宙线，盖革计数器本身并不能分清信号是来自光子还是带电的宇宙线粒子，但只有后者才能让闪烁计数器触发。只要设法扣掉闪烁计数器的信号，余下的就可以认为都是由高能光子引起的了。这项改造让盖革计数器的灵敏度提高了100倍，而类似的反符合宇宙线筛除机制仍然为当代最先进的高能卫星所延用。由于观测X射线深空的第一个提议被否决，Giacconi转而将月球作为首要X射线探测目标，理论依据是来自太阳的高能粒子会轰击月面诱发X射线辐射，当然还有月面对太阳光的反射。这个提议被空军剑桥实验室批准。以Nike-Asp小型探空火箭为平台的第一次实验因箭体故障而失败，Giacconi等人却更加野心勃勃。在随后的改进提议中，非太阳系的X源也成了可能的探测目标，空军实验室为此又提供了足够发射4枚Aerobee火箭的经费。Giacconi小组安装在Aerobee上的实验设备，左侧即为三台盖革计数器。（图片提供：NASA）在经历了因载荷舱门问题导致的第二次失败后，1962年6月18日，满月过后一天，Giacconi的Aerobee终于顺利升空。舱门如期打开，虽说三台计数器中有一台出了问题，剩下的两台还是满满地观测了5分钟。但在此次观测的过程中，Giacconi等人一开始与其说是兴奋，不如说是怀疑与沮丧。随着火箭的转向，小组成员一次次地看到了一个巨大的X射线峰。按照预期，月亮不是强X射线源，何况尖峰的位置与月亮还差了二十几度，这难免让人怀疑仪器本身的可靠性。直到数据分析完毕后，人们才确信，尖峰是真实存在的，而且来自深空——这就是后来人们所说的天蝎X-1，第一个被发现同时也是最明亮的深空X射线源。在X射线波段，它要比太阳亮上1亿倍。天蝎X-1的1962年观测数据。（图片提供：CXO/SAO）随后的发现接踵而至。Giacconi的第三枚Aerobee发现了包括蟹状星云在内的两个新源，证实了先前的猜想；第四枚则在确认天蝎X-1的存在性之外又给出了一个新源。Friedman利用更为灵敏的仪器也确认了天蝎X-1，还将其位置限制在1度以内；并证实了与蟹状星云成协的高能辐射源，连带探测到了X射线背景辐射。银心、天鹅X-1、开普勒超新星遗迹等强源由此陆续浮出水面。1964年，Friedman根据月球掩星的原理探明，蟹状星云属于展源辐射。1967年，更有对天蝎X-1耀发的观测，这也是第一次探测到太阳以外其他恒星的X射线亮度激增。1964年月掩蟹状星云的观测，如果蟹状星云流量陡降，可以认为辐射来自点源；而如果流量如上图所示是平滑变化的，那么该星云的X射线应该是展源辐射。（图片提供：NRL）后来，天蝎X-1的性质被确定为包含致密星的双星系统，这一理论可以追溯到Salpeter与Zel’dovich在1964年的工作。在这样的系统中，致密星从伴星吸积物质，在星体周围形成高温吸积盘，发出X射线辐射。天蝎X-1是X射线双星的典型代表，现在，这类天体已经发现了300余个。X射线双星示意图。（图片来源：The Nobel Foundation）　争流欧洲探空火箭时代的天文学主要是由美国牵头，但欧洲也并非无所事事。欧洲真正意义上的探空火箭计划始于1940年代末，初期的发展过程与美国类似，也是以服务军方为主要目的。直到1957年国际地球物理年的到来，才让科学飞行逐渐增多。几乎每一个主要的欧洲国家都有自己的探空火箭项目。其中的第一种火箭是法国的弗农电子（Véronique），于1949年开始研制，1952年首飞。其他比较著名的欧洲火箭包括法国的半人马（Centaure）、王太子（Dauphin）和龙（Dragon），英国的贼鸥（Skua）和海燕（Petrel）等。有关早期欧洲探空火箭天文应用的详细资料不是很容易找到，但可以确定的是，在所有的箭载实验中，太阳物理连带深空观测占据了相当大的部分。例如在法国，这个比例超过了20%，而在整个欧洲也超过了15%。1959年某次弗农电子火箭的发射。（图片提供：CNES）与空间科学关联更为密切的是英国开发的云雀（Skylark）。为了迎接国际地球物理年，英国皇家学会迫切需要一种能在高空工作的飞行器。在军方的参与下，只经过了不到两年的时间，云雀火箭即完成了设计，并在地球物理年期间完成试飞。以云雀探空火箭为平台的天文学项目还真不少，Leicester大学的网站给出了关于几十次实验的信息。从1961年第一次携带X射线照相机开始，期间进行过太阳的定向观测（1964年起）、最早的X射线巡天（1967年）、河外星系巡天（1968年）、背景巡天（1970年）、月球掩X射线源观测（1971年起）、恒星定向观测（1971年起），直到1978年天文应用正式停止，而云雀火箭本身一直到2005年才全部退役。在这些林林总总的工作中，X射线巡天可以算是其中的一个亮点。这样的尝试的确可贵，但也的确是不得已的权宜之举。实在不清楚在如此之短飞行时间里，究竟能巡视多大面积的天区，精度又能达到多少？云雀探空火箭，退役前发射总数超过400枚。（图片提供：Peter Rae）看看其他欧洲国家的情况。截止到1970年代，以探空火箭为平台，法国作过太阳耀斑的X射线分光与深空伽玛射线分光；德国进行过河内X射线源的观测与恒星紫外测光；意大利测量过深空伽玛射线辐射与南天的X射线源；荷兰研制过太阳X射线光谱仪与日像仪，并探测过宇宙线；瑞典研究过撞击地球的微流星体。1962年，当欧洲空间局的前身——欧洲空间研究组织（ESRO）成立后，与太阳相关的空间环境探测也成了该机构发射探空火箭的重点目标之一。　北方黑雁再回到1950年代，地点是加拿大。为了开发反导与远距离通信系统，需要对高层大气的性质作进一步的了解。加拿大武器研究与发展机构（CARDE）为此于1957年研制了推进测试火箭，并于1959年9月完成试飞。为了配合不同的使用目的和工作时间，推进测试火箭的原形非常之重。在试验中，CARDE逐渐发现了其作为探空火箭的潜力，其承包商——布里斯托航空航天公司为此目的专门进行了改造。改造后的产品，就是日后发射超过800枚的黑雁（Black Brant）探空火箭。黑雁也是个长寿的探空火箭家族，至今仍在使用。自从1959年首次飞行以来，黑雁共衍生出了20余种改型，有的注重升限，有的则以大载荷为追求。依据型号不同，有效载荷从70到850千克不等，升限则是从150千米到1500千米。黑雁I型火箭。（图片提供：CSA）加拿大地处北半球高纬度地区，极光活动频繁。与太阳活动和空间环境密切关联的极光给黑雁家族提供了丰富的探测目标，也造就了大量的探测计划。实际上，黑雁I型在刚刚投入使用不久即投身于极光研究，黑雁II型在1960年的第一次测试飞行也同时背负有探查极光的目的。正牌的天文任务始于1963年4月，由黑雁I型完成。随后是1964年的微流星体实验、1966年的太阳X射线观测、1967年的深空X射线观测、1969年的软X射线巡天、1970年的日全食观测和太阳极紫外望远镜的发射、1971年微波背景的亚毫米波测量等。早年黑雁火箭的主要精力是高空大气测量，与天文与空间科学相关的飞行次数并不算很多，只是门类倒是颇为齐全。黑雁家族对于空间天文的贡献其实有些慢热，更重要些的工作还要等到1970年代中后期甚至更晚，已经超出了本文涉及的时间范围。如今的黑雁以高达98%的成功率成为探空火箭的翘楚，除了加拿大空间机构，欧美各国也都是黑雁的老主顾。　探空回响1960年，第一颗天文卫星——索拉德1号发射，用于测量太阳辐射。1964年，前苏联的高能天文卫星宇宙51号升空。4年后，美国的射电天文卫星RAE-A与紫外观测卫星OAO-2进入了轨道。再过2年，第一颗X射线卫星——乌呼鲁也成功入役。从此，空间天文学进入了新时代，探空火箭的风头逐渐被接二连三的天文卫星盖过了。也是，有了能够长期稳定工作的卫星，又有谁会稀罕探空火箭那区区几分钟的飞行时间？但是事情没有到此为止。火箭的优势在于快捷与廉价。没有谁有胆量把新近开发但尚不成熟的设备直接装到昂贵的卫星上，于是价格相对便宜的探空火箭在此就起到了关键的测试作用，飞行结束后，回收的箭载仪器还可以在今后移作他用，比一般的卫星要经济得多。而由于相关课题的典型周期不会长于研究生的学习时间，对于专业教育来说，探空火箭也有独到之处，因此众多知名大学都设有自己的火箭飞行项目。那么有多少空间天文计划所用的技术是经过火箭先行验证的呢？NASA给出的名单包括COBE、CGRO、EVUE、SOHO和TRACE，当然还有更多并不十分出名的计划。除了技术验证，局部瞬变现象（如日食与耀斑）的观测也有探空火箭的参与。由于发射方式和场地的灵活性，探空火箭的准备过程耗时较少。在需要时，甚至还可以作好随时发射的准备，一旦感兴趣的事件发生，立即起飞。从这一点来看，火箭的应变能力也要优于一般的卫星。最近一次在空间天文相关的研究中看到探空火箭的踪影，是和SUMI也就是太阳极紫外磁象仪有关。这架利用塞曼效应来探索太阳过渡区磁场的望远镜预计将在明年4月搭乘黑雁火箭从白沙升空。此次飞行的主要目的是概念论证，8分钟的飞行不会让望远镜采集太多数据，但足以说明SUMI的设计是否可行。如果可以，也许在未来的某天，人们会将类似的仪器送上卫星长久工作。　参考资料：[1] New Cosmic Horizons – Space Astronomy from the V2 to the Hubble Space Telescope by David Leverington
[2] The History of Sounding Rockets and Their Contribution to European Space Research by Günther Seibert
[3] NASA SOUNDING ROCKETS, 1958-1968: A Historical Summary by William R. Corliss
[4] NASA Sounding Rocket Science
[5] The Story of SCO X1
[6] The Black Brant rocket, a Canadian invention内容来自 Bo Zhang's Homepage

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