主题：【分享】探空火箭时代

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。

1946年4月16日的V-2火箭发射

接下来的实验也是问题多多，有的是载荷受冲击过大而损坏，有的是遥控系统半途失灵，还有火箭爆炸的事故。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230纳米的太阳紫外光谱，尽管分辨率粗糙得可以。

1946年10月10日拍摄的太阳紫外光谱

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谱线研究的地步（也因此让研究者兴趣衰退），却还是测出了低于预计值的流量，顺便给对地球臭氧层的分析提供了一手数据。1948年，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。

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了，这就是一直沿用到1985年的Aerobee。

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。

航空有待发展

Aerobee 150的结构图

在Aerobee研发前后，WAC“下士”火箭还与V-2火箭组合，造出了缓冲器（Bumper）二级火箭，曾用于宇宙线撞击大气的研究，并创下了400公里的飞行高度记录。值得一提的是，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，毕竟V-2的900公斤上限还是让不少人垂涎的。可以携带200至500公斤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次发射失败后，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

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弄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辐射也足以保持电离层的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。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，人们认识到的太阳紫外光谱从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。

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

那么对传统的盖革计数器的改造又如何呢？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。但只有带电粒子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，而类似的宇宙线筛除机制仍然用在当代最先进的高能卫星上。

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。这个提议被空军坎布里奇实验室批准。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

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终于顺利发射。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座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。