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太陽輻射監測衛星一號

人造衛星

太陽輻射監測衛星一號（英語：SOLRAD 1）是集電子監控、太陽X射線和紫外線觀測功能於一體的人造衛星，也是美國海軍太陽輻射監測衛星與銀河輻射和背景計劃的第一步，於1960年6月22日發射入軌。太陽輻射監測衛星一號不但是第一顆成功觀測太陽X射線和第一顆從地球軌道執行監控任務的衛星，還是第一顆與其他功能衛星共同發射的人造衛星。

太陽輻射監測衛星一號
存放在美國國家密碼學博物館的太陽輻射監測衛星一號備用衛星
任務類型太陽X射線
運營方美國海軍研究實驗室
哈佛命名1960 Eta 2
國際衛星標識符1960-007B
衛星目錄序號00046
航天器屬性
航天器太陽輻射監測衛星
製造方美國海軍研究實驗室
發射質量19.05公斤
尺寸直徑51公分
任務開始
發射日期協調世界時1960年6月22日5時54分
運載火箭雷神DM-21艾布爾星
發射場卡納維拉爾角LC-17B
承包方道格拉斯飛行器公司
任務結束
停用日期1961年4月
軌道參數
參照系地心軌道[1]
軌域近地軌道
半長軸7106 公里[2]
離心率0.0202487[3]
近地點591.2公里[2]
遠地點878.9公里[2]
傾角66.6908°[3]
升交點黃經291.0726°[3]
近地點幅角99.7704°[3]
平近點角262.6335°[3]
曆元1960年6月22日

衛星由美國海軍研究實驗室開發，從許多方面來看相當於美國第一個衛星項目先鋒計劃的後續。衛星成功完成科學觀測任務，持續傳送實用數據直至1960年11月，足以判斷太陽的正常X射線輻射水平，並確定太陽X射線活動增強與無線電淡出現象有關。

衛星的科學部件還為銀河輻射和背景的電子監控部件提供掩護，後者的任務是繪製蘇聯防空雷達網。監控任務同樣取得成功，持續運作至1960年9月22日，表明蘇聯防空雷達網的密度超出預期。地面控制部門於1961年4月關閉太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號，令其成為歷史上首枚遠程關閉的衛星。

背景

 
位於子午儀2A衛星頂部的太陽輻射監測衛星一號和四名主創人員，從左至右分別是馬丁·沃塔、喬治·克朗米勒、阿爾弗雷德·R·康諾弗，以及羅伊·A·哈丁[4]

1957年，蘇聯開始部署扇歌火控雷達控制的S-75地對空導彈，令美國轟炸機侵入蘇聯領空的危險程度加大。美國空軍開始出動電子偵察機在蘇聯邊境附近活動，希望能逐步確定這些雷達的大致方位和各自工作頻率。通過這種方法可以提供蘇聯外圍地區的雷達信息，但無法深入內陸。軍方還曾嘗試通過無線電望遠鏡尋找月球偶爾反射的蘇聯雷達信息，但事實證明這種方法不足以解決問題。[5]:362

1958年3月[6]:4，美國海軍研究實驗室正全力推進旨在為美國海軍發射人造衛星的先鋒計劃（Project Vanguard），實驗室工程師里德·D·梅奧（Reid D. Mayo）判斷，先鋒計劃的衍生產物可以用於繪製蘇聯導彈發射場地圖。梅奧曾為潛艇開發反潛飛機躲避系統，可以提前發現飛機雷達信息後規避。該系統體積小巧，機械結構堅固，可以經過改裝適應先鋒衛星框架。[5]:364

梅奧將構想告知實驗室對策部主任霍華德·洛倫岑（Howard Lorenzen），後者在國防部遊說。梅奧的設想在六個月後獲批，代號「告密者」（Tattletale）。[5]:3641959年8月24日，德懷特·艾森豪威爾同意全力推進該計劃[6]:4。

信息遭《紐約時報》泄露後，艾森豪威爾取消計劃，但在加強安全措施後以新代號「核桃」（Walnut）重啟，衛星部件代號「DYNO」[4]:140, 151，為避免再度泄密，不但監督更嚴，而且只有「必須知曉」的人員才能獲得信息[7]:2。此時美國的太空發射不屬機密[8][9]，為避免預期目標發現「DYNO」執行電子監視任務，最好能在衛星發射同期執行共享空間聯合飛行掩護任務[10]:300。

針對太陽電磁波譜的研究為發射「DYNO」提供理想掩護機遇。美國海軍此前就想確定太陽耀斑是否會導致無線電通信中斷[10]:300，以及紫外線和X射線輻射輻射對衛星和太空人究竟有多大危害[11]:76。受地球大氣層阻擋，地面觀測站無法獲得所需數據。同時，太陽光譜輸出無從預測而且波動劇烈，所以亞軌道探空火箭也不能有效完成觀測任務，只有衛星才能持續長時間研究完整的太陽光譜。[12]:5–6, 63–65[13]

 
如上圖所示，上層大氣會阻擋伽馬射線，X射線和紫外線，大部分紅外光譜也會被大氣吸收

海軍實驗室已經在1959年發射先鋒三號形式的專用太陽觀測衛星，上有X射線和紫外線探測器，但在范艾倫輻射帶的背景輻射下已經完全飽和[12]:63。海軍實驗室工程師馬丁·沃塔（Martin Votaw）帶領尚未轉移到美國太空總署的先鋒計劃工程師和科學家組成團隊，一起根據先鋒計劃開發DYNO衛星[14]。已有兩種用途的衛星更名「銀河輻射和背景」（Galactic Radiation And Background，簡稱GRAB），又稱「銀河輻射實驗背景」（Galactic Radiation Experiment Background，簡稱GREB），同時衛星又以科研用途命名為「太陽輻射監測」（SOLRAD），是太陽輻射（SOLar RADiation）的簡稱[4]:142, 149[10]:300。

1960年4月13日，美國在子午儀1B衛星上附加太陽輻射監測衛星質量模擬器並一起成功發射[10]:301，證明雙衛星發射技術已經成熟[15]。同年5月1日，弗朗西斯·加里·鮑爾斯駕駛的U-2偵察機在蘇聯領空被擊落，證明飛機監視十分危險。5月5日，艾森豪威爾總統批准發射太陽輻射監測衛星。[16]:32

航天器

 
標識主要外部特徵的太陽輻射監測衛星一號

太陽輻射監測衛星一號的外形和先鋒三號相似，大致呈球形，直徑51厘米，採用六個圓形太陽能電池片供電[7]:10，太陽輻射監測衛星一號的質量為19.05公斤[7]，小於23.7公斤的先鋒三號[17]。太陽能電池為九個串聯起來的D電池供電，共計產生12伏特電壓[7]:10:10和六瓦特功率[16]:32。

衛星的太陽輻射監測科學元件包括兩個萊曼阿爾法光度計（一氧化氮電離室），用於研究1050至1350埃格斯特朗波長範圍的紫外線；還有一個X射線光度計（氬電離室），可研究2至8埃格斯特朗波長範圍的X射線，這些設備都安裝在衛星赤道周圍[18]。

銀河輻射和背景監控設備用於檢測下方直徑6500公里的圓形區域[4]:108，監視在S波段（1550至3900兆赫茲）廣播的蘇聯防空雷達[16]:29, 32。衛星上的接收器已調到接近雷達頻率，接收器的信號輸出可以觸發航天器上獨立的甚高頻發射機。經過蘇聯上空期間，衛星會在接收到導彈雷達脈衝後立即向接收範圍內的美國地面站轉播，地面站記錄信息並發送到海軍實驗室分析。雖然銀河輻射和背景配備的是全向接收器，但多次尋找相同信號，並與衛星已經確知的位置對比，就可以推斷出雷達的大致方位和準確的脈衝重複頻率。[6]:4–7[4]:108

 
美國國家安全局數據縮減，表明衛星下行鏈路信息經過各層處理後所獲情報

遙測數據通過太陽輻射監測衛星赤道上四條長63.5厘米的鞭狀天線傳送[11]:76，科學遙測的傳送頻率是108兆赫茲[11]:78，這也是先鋒計劃使用的國際地球物理年標準頻率[19]:84, 185。地面指令和電子監控數據通過小型天線在139兆赫茲頻率收集[6]:7。地面獲得的信息記錄在磁帶上並寄回海軍實驗室，經評估、複製，再轉交位於馬里蘭州陸軍米德堡（Army Fort Meade）的美國國家安全局，以及位於內布拉斯加州奧馬哈奧夫特空軍基地（Offut Air Force Base）的戰略空軍司令部分析和處理[20]。

與早期大部分自動航天器一樣，太陽輻射監測衛星一號雖能通過旋轉保持穩定[10]:300，但缺乏主動姿態控制系統，所以只能掃描整個天空，無法聚焦特定信息源[12]:13。為了讓科學家能順利解讀太陽輻射監測衛星一號探測的X射線來源，衛星上裝有真空光電管，用於確認太陽光譜撞擊光度計的時間，以及陽光照射光度計的角度[12]:64。


發射和入軌

 
搭載子午儀2A衛星和太陽輻射監測衛星一號的雷神-艾布爾星火箭發射升空

1960年6月22日，搭載太陽輻射監測/銀河輻射和背景一號衛星的雷神DM-21艾布爾星發射系統在卡納維拉爾角LC17B發射台點火升空[15][21]。子午儀2A衛星也和太陽輻射監測衛星一號一起升空，此次發射因此成為人類歷史上首次使用一枚推進火箭把兩顆衛星送入軌道，證明雙衛星發射技術已經成熟[15]。太陽輻射監測衛星一號起初每101.7分鐘繞行地球一圈[22]，海拔高度在611公里至1046公里範圍變化，這主要是因為第二級火箭出現小故障，導致無法保持原計劃的930公里海拔圓形軌道[23]，但這不會影響衛星目標[21]。

科學成果

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號是世界上第一個軌道太陽觀測站，從1960年6月至1960年11月共傳送500餘批次科學數據[12]:64–65，此後陽光照射衛星實驗器材的角度就已無叢判斷[24]。不過，衛星還是繼續傳送數據，直至1961年4月被地面控制系統關閉，又成為人類歷史上首枚遠程關閉的衛星[23]。

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號採用實時通信，這也意味着只有衛星信號範圍內有追蹤站時才能傳送數據，這些追蹤站除先鋒計劃的迷你追蹤站（Minitrack）外還有為數不多的幾處[12]:64。這導致衛星每繞地球一圈地面接收太陽觀測數據的時間只有一到十分鐘不等[24]，僅占衛星活動時間的1.2%。事實證明，太陽輻射監測衛星一號安裝的永磁鐵效果良好，迫使帶電粒子偏離檢測器窗口，解決先鋒三號任務遇到的飽和問題，確保太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號成為首枚成功觀測太陽X射線的衛星。[12]不過，磁鐵與地磁場的反應導致衛星進動（像旋轉的陀螺一樣環繞軸線擺動），所以衛星在陽光下的半數時間裏傳感器都被影子擋住[12]:64。

X射線

太陽輻射監測衛星一號傳送的數據中約有兩成包含X射線測量值，足以確定太陽不活躍時的正常X射線輻射水平：不到6×10−11焦耳/平方厘米/秒。如果觀測到的X射線輸出超過該範圍，通常地面就能觀測到相應太陽活動。衛星數據還表明，X射線即便在一分鐘時間內也會大幅波動，證明持續觀測實屬必要[12]:64–65。

如果X射線輸出超出正常範圍三倍[12]:64–65，無線電信息會出現淡出現象，證明太陽X射線的變化和地球電離熱層強度有關[14]。除太陽耀斑外，區域日珥活動、亮度激增，以及太陽邊緣的次耀斑都會導致同樣的淡出情況[12]:64–65。

紫外線

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號的觀測結果不能證明太陽紫外線輸出和熱層擾動間存在關聯[12]:53，之後的太陽輻射監測衛星三號任務沒有再配備萊曼阿爾法探測器[25]:28。

核試驗監測

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號尚在設計和開發階段時，科研人員和政府官員一度期望增加識別地面核試驗的功能，因為核試驗能夠在衛星可檢測頻段產生強烈的X射線。如果美蘇兩國的禁止核試驗條約生效，太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號及後續衛星就可以探測蘇聯是否舉行未經授權的核試驗。但是，衛星最終獲得的數據無法同蘇聯已知核試驗聯繫起來。1963年部分禁止核試驗條約生效後，美國專門為此研發維拉號衛星（Vela）。[26]

 
銀河輻射和背景無線電控制室和海外工作組成員

銀河輻射和背景監視結果

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號是人類歷史上首枚監視衛星。為防蘇聯發現衛星的間諜使命，對1960年U-2擊墜事件心有餘悸的[27]艾森豪威爾總統要求每次銀河輻射和背景功能數據傳送都必須由他親自批准[16]:32，而且在連續多次軌道經過蘇聯時，不能每次過頂都傳送[27]。這導致衛星監控功能從開始到1960年9月22日失效共運轉92天，但卻只送回22批數據，其中首批於7月5日[23]傳送到夏威夷州瓦希阿瓦的傳送站，遠遠超出蘇聯的監測範圍[7]:3。即便如此，在受限情況下傳回的首批監視數據也足以令地面工作組數據分析和處理工作量飽和[7]:39，數據包含許多有價值的信息，表明蘇聯防空活動的密度超出預期[23]。

影響及現時狀態

太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星此後還經過四次發射，其中最後一次是1962年4月26日發射的太陽輻射監測衛星四B號。全部五次任務中只有太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號和太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星三號成功，其他均未抵達軌道。1962年，美國所有高空偵察項目均由美國國家偵察局管理，該機構決定從1962年7月開始配備代號「罌粟」（POPPY）的新一代衛星繼續並擴展銀河輻射和背景任務。[4][7]電子間諜衛星不再承擔太陽輻射監測衛星的實驗任務，而是獨立配備衛星，但仍與「罌粟」衛星共同發射，為「罌粟」提供一定程度的掩護[15]。從1965年11月發射的太陽輻射監測衛星八號開始，最後五顆太陽輻射監測衛星都是獨立發射的科學衛星，其中三枚還擁有美國太空總署的探索者計劃編號。最後一枚太陽輻射監測衛星於1976年升空，全系列衛星共計13枚。[10]此外，銀河輻射和背景計劃於1998年解密[23]。

截至2020年6月，太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號（國際衛星標識符1960-007B）[1]仍在地球軌道[2]。太陽輻射監測/銀河輻射和背景衛星一號的備用衛星在史密森尼學會的美國國家航空航天博物館展出[28]。

參考資料

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