太阳辐射监测卫星一号

**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豬功觀測太陽 X 媽媽和第一顆從地球軌道執佩奇控任務的衛星，還是第一顆與其他喬治衛星共同發射的人造衛星。

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

1957 年，蘇聯開始部署扇歌火控雷達控制的 S-75 地對空飛彈，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。

1958 年 3 月，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飛彈發射場地圖。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。

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）。1959 年 8 月 24 日，德懷特・艾森豪同意全力推進該計劃。

信息遭《紐約時報》泄露後，艾森豪取消計劃，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」，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。此時美國的太空發射不屬機密，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。

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，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。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。

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。海軍實驗室工程師馬丁・沃塔（Martin Votaw）帶領尚未轉移到美國國家航空暨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。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。

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，證明雙衛星發射技術已經成熟。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，艾森豪總統批准發射太陽輻射監測衛星。

## 太空飛行器

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，太陽輻射監測衛星一號的質量為 19.05 公斤，小於 23.7 公斤的先鋒三號。太陽能電池為九個串聯起來的 D 電池供電，共計產生 12 伏特電壓和六瓦特功率。

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。

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，監視在 S 波段（1550 至 3900 兆赫茲）廣播的蘇聯防空雷達。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太空飛行器上獨立的甚高頻發射機。經過蘇聯上空期間，衛星會在接收到飛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。

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，科學遙測的傳送頻率是 108 兆赫茲，這也是先鋒計劃使用的國際地球物理年標準頻率。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。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。

與早期大部分自動太空飛行器一樣，太陽輻射監測衛星一號雖能通過旋轉保持穩定，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。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。

 

## 發射和入軌

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。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。太陽輻射監測衛星一號起初每 101.7 分鐘繞行地球一圈，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，但這不會影響衛星目標。

## 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，此後陽光照射衛星實驗器材的角度就已無叢判斷。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。

太陽輻射監測 / 銀河輻射和背景衛星一號採用實時通信，這也意味著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。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，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。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裡傳感器都被影子擋住。

### 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。

如果 X 射線輸出超出正常範圍三倍，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。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。

### 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，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。

### 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）。

## 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艾森豪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，而且在連續多次軌道經過蘇聯時，不能每次過頂都傳送。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。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，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。

## 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。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。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國家航空暨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。此外，銀河輻射和背景計劃於 1998 年解密。

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）仍在地球軌道。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。

## 參考資料