先鋒號:仍然在軌運行的世界最早科學衛星

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在位於德國達姆施塔特(Darmstadt)歐洲空間運行中心(European Space Operations Centre)的辦公室,空間碎片專家蒂姆·福樓赫爾(Tim Flohrer)對約23,000個目前圍繞地球軌道運行的編目對象進行跟蹤分析。這些跟蹤對象包括航天器和衛星,其中一些仍在服役,還有些則已廢棄不用,此外還包括被丟棄的子火箭以及零碎的空間硬件等。所有這一切都是60年空間探索的結果。

通過由美國太空監視網(US Space Surveillance Network)(主要充當美國的預警系統)傳輸的雷達數據和從光學望遠鏡觀測到的資料,福樓赫爾要確保這些空間垃圾不會令運行中的航天器處於危險之中。

在我們談話之前,我請他檢查了一下編號為1958-002B的觀測對象,也就是我們所知道的先鋒1號(Vanguard 1)衛星。1958年3月發射時,這個葡萄柚大小的閃亮金屬球體被送到一個高橢圓率軌道。如今,它仍然在那裏,以650至3,800公里(406至2,375英里)的距離圍繞地球運行。

福樓赫爾說:"早期的衛星,例如斯普特尼克(Sputnik),都已經重新進入了大氣層。但我估計,先鋒1號將繼續留在軌道上,如果不是上千年,那也將會還有幾百年。"

先鋒號衛星由美國海軍研究實驗室(NRL)於1955年構思,是美國首個衛星項目。先鋒系統包括一顆三級火箭,其目的是發射一顆民用航天器。火箭、衛星和宏大的跟蹤站網絡將成為美國對1957-58年國際地球物理年(International Geophysical Year)獻禮的一部分。這一國際性科研合作涉及67個國家,包括鐵幕(Iron Curtain)兩方的國家。

"這並非是一場太空競賽," 美國海軍研究實驗室歷史學家安吉麗娜·卡拉漢(Angelina Callahan)說。"美國不會隱瞞衛星的發射和預期目的,而蘇聯總是試圖保密。"

因此,當蘇聯在1957年10月4日發射斯普特尼克時,全世界可謂猝不及防。卡拉漢說:"美國衛星研究團隊對斯普特尼克1號衛星有著諸多失望,因為在這一國際合作關係中,他們的合作伙伴並未告訴他們要發射一顆衛星。"

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Image caption 用於先鋒號衛星發射的火箭其設計基於德國的V-2火箭系統(圖片來源: Getty Images)

位於華盛頓特區的美國航空航天博物館(National Air and Space Museum)冷戰火箭策展人湯姆·拉斯曼(Tom Lassman)表示:"斯普特尼克造成了巨大的恐懼。"在該館位於杜勒斯機場(Dulles Airport)附近的烏德沃爾哈齊中心(Udvar-Hazy Center),展示了與先鋒1號衛星相同的"飛行備份"。

"斯普特尼克的成功發射讓軍事領導人意識到,蘇聯可能會通過導彈襲擊我們。"在蘇聯發射衛星後的幾周內,艾森豪威爾政府向美國海軍施壓,要求他們盡快發射一顆美國衛星。

1957年12月6日,原本計劃作為先鋒3號測試車(TV3)進一步進行的加成測試成為了一次重要的公開事件。蘇聯是在斯普特尼克衛星成功達到預定軌道才向世界宣佈的,但在美國發射衛星時,政界,高級軍事人物以及全世界的媒體都聚集在佛羅里達州的卡納維拉爾角(Cape Canaveral)。

在經歷了一系列倒計時延誤之後,當地時間上午11:44,先鋒號火箭從發射台上騰空升起。幾秒後,控制室有人喊道:"注意!哦,天吶,不!"當火箭在空中升起4英尺後,瞬時化作一團火焰墜毀在地面。前錐體被拋了出來——此時先鋒號衛星仍在發出嗶嗶聲。

《紐約時報》"將這次爆炸描述為"對美國聲望的打擊",參議員林登·約翰遜(Lyndon Johnson)稱之為"令人羞辱"。其他一些描述則更為直白——一些報紙將這顆美國衛星虐稱為"flopnik","kaputnik"和"stayputnik"。

對於美國海軍研究實驗室團隊來說,這樣的報道確實有失公允。 卡拉漢說:"成功的研發過程包含了很多失敗。而正是在這些失敗的過程中,他們開發出了一套非常棒的系統。"

前納粹火箭先驅韋恩赫爾·馮·布勞恩(Wernher von Braun)長期以來一直在推動將物體送入軌道的火箭發射。他抓住了這一次機遇。在美軍的支持下,他一直致力於開發木星火箭——他所研發的V2彈道導彈的改進版。

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Image caption 先鋒項目遭遇了數次發射失敗(圖片來源: US Navy)

拉斯曼說:"當務之急是盡快成功完成發射。"

1958年1月31日,馮·布勞恩的木星發射器成功發射了探險者1號衛星,並將其送入軌道,這是由位於加利福尼亞州帕薩迪納(Pasadena)的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)在短短3個月內設計並建造的衛星。美國的這一首顆衛星裝有用於測量空間輻射環境的宇宙射線探測器。該儀器由愛荷華大學(University of Iowa)的詹姆斯·範艾倫(James Van Allen)設計,揭示了被地球磁場捕獲的帶狀粒子,被稱為範艾倫輻射帶。

1958年3月17日,終於輪到了美國海軍的發射。在晴朗的天空下,美國海軍研究實驗室的先鋒號火箭將先鋒1號衛星送入軌道。這顆微型航天器很快就發回了第一個無線電信號。事實上,由於它是第一顆由太陽能電池供電的衛星,所以航天器一直在傳輸數據,直到1965年。而探險者1號僅僅維持了幾個月。

雖然不是第一顆衛星,但先鋒1號的成功發射依然是一項了不起的成就。除了很好地證明了新的發射系統、地面站網絡和太陽能電池的技術外,該衛星還顯示了地球在赤道周圍隆起的情況。它配備了一台測量大氣密度的儀器,從而提供了對地球稀薄的外部大氣的首次測量和對地球周圍微隕石數量的估計——這些信息對未來的航天器都是至關重要的。作為軍事資助的項目,這也為凖確計算洲際導彈(ICBM)的軌跡提供了數據。

先鋒1號不僅僅依然運行在軌道上,其技術傳承也延續至今。該火箭系統構成了世界上最成功的發射器之一——德爾塔(Delta)運載火箭的基礎。對這顆衛星的長期跟蹤繼續幫助科學家了解地球大氣對衛星的影響以及軌道隨時間的變化。

或許最重要的是,先鋒1號揭示了我們現在所依賴的衛星的巨大潛力。

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Image caption 在史密森尼航空航天博物館(Smithsonian Air and Space Museum)展出的先鋒3號衛星留下了由於發射失敗受到的破壞(圖片來源: Audin/Wikimedia Commons)

卡拉漢說:"美國海軍研究實驗室編寫了一份關於美國海軍未來幾十年需要的衛星的絶密報告,其中包括天氣、導航、通信和偵察衛星,報告涉及了要使這些系統能夠可靠運行的所有技術。"

60年來,當初設想的技術和預測都已經成為現實。助力推動這一切實現的這顆衛星,以及其背後的團隊值得銘記。

拉斯曼說:"這是非常了不起的,我們不僅在博物館裏有一顆人造衛星,我們還有一顆衛星正在太空中運行——這是鮮活的歷史。"

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