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国际地球物理年火箭与卫星计划美国发行集邮品研究

刘 闯(1) 王晋年 (2)

(1) 中国科学院地理科学与资源研究所,北京市 100101,(2) 中国科学院遥感应用研究所, 北京市 100101, 2012.03.27

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3.2 美国首颗人造地球卫星-探索者1号发射成功纪念封

在美国东部时间1958年1月31日下午10:48 时(世界标准时1958年2月1日上午03:48时), 美国继苏联斯普特尼克1号和2号人造卫星进入太空后发射成功的人类第三颗(美国第一颗)人造卫星-探索者1号卫星 ( Explorer 1)。探索者1号卫星发射于美国佛罗里达州卡拉维纳尔角 (Canaveral Florida) ,发射火箭是丘比特C型 (Cupiter C) 。探险者一号卫星总重13.97公斤,其中仪器重8.3公斤,它的轨道近地点为360公里,远地点2520公里,绕地球一圈需要114.9钟,每分钟自转50周。探索者1号卫星是由美国加利福尼亚技术研究所火箭推进实验室(JPL)设计和建造。卫星的主要科学目标是测量宇宙射线、观测陨石和测量卫星温度。 星载科学仪器包括测量高能带电粒子通量的宇宙射线计数器 (Cosmic-Ray Detector),陨石探测器 (Micrometeorite Detector),卫星阻力大气密度仪 (Satellite Drag Atmospheric Density),分别由美国衣阿华州立大学天文物理学家詹姆斯·范·艾伦(James Van Allen)教授,E Manring 教授和 Luigi Jacchia 教授担任首席科学家。探索者1号卫星共收集到11套科学数据, 其中包括由宇宙射线计数器 (Cosmic-Ray Detector)记录到1958年3月16日止记录的2套数据,陨石探测器 (Micrometeorite Detector)收集了8套数据,卫星阻力大气密度仪 (Satellite Drag Atmospheric Density)收集1套数据。 根据卫星返回的数据分析, 科学家们对外层空间粒子、陨石和卫星温度等进行了研究。其中一个重大科学发现是范艾伦教授发现,在距离地球8000公里的宇宙射线计数器记录的粒子数字为零。范艾伦教授在认真分析这2套数据之后推测,计数器停止计数,可能并不是由于粒子数目降到零,相反倒是由于粒子数目太多,超出了设计的仪器设备接收记录的最高限, 在仪器记录这些粒子后数据溢出的缘故。

探索者1号的发射成功, 不仅开创了美国卫星发射的新时代, 促进了美国国家航空航天局(NASA)迅速成立的进程,同时由于范·艾伦领导的科学家们在分析探险者1号传回的数据中,首次发现了在地球外层存在辐射带的科学论断, 该发现被接下来的探索者4号卫星所证实。

一个后来被命名为范·艾伦辐射带的大气外层由二条辐射带组成的磁层被发现, 成为国际地球物理年最重大的科学发现之一。

 

 

 

可能是由于时间仓促,或是由于探索者1号卫星之前的先锋号卫星没有能够成功送入轨道(1957年12月6日),或是由于卫星发射晚于苏联等缘故, 具有广泛集邮文化影响的美国在当年没有发行探索者1号卫星纪念邮票,这不能不说是一个很大的遗憾。对于集邮爱好者来说,对于在后来对人类太空探测做出卓越贡献的美国航空航天局(NASA)的成立之日(1958年7月29日),美国在当日也没有发行任何集邮品,也深表遗憾。

但是,数量不多的探索者1号卫星发射纪念封在佛罗里达州卡拉维纳尔角空军基地当日(1958年1月31日)发行。这些纪念封在宇航集邮领域成为珍品。图22是其中一枚。

图25(US19581011606):1958年1月31日在佛罗里达州卡拉维纳尔角空军基地成功发射探索者1号人造地球卫星发射地首日封
 

 
图26 (US19581011608):探索者1号发射成功后集邮爱好者于1958年1月31日自制首日封
图27 (US19581011605):俄亥俄州哥伦比亚集邮协会在1958年3月1-2日邮展中发行的探索者1号成功发射纪念封
图28 (US19581261532):以探索者1号卫星为主图案的美国国际地球物理年邮票首日封于1958年5月31日在芝加哥市发行

图68是美国 集邮者自制的探索者1号发射成功盖有Summers镇当日邮戳的纪念封。俄亥俄州哥伦比亚集邮协会于1958年3月1-2日举行邮展, 并为此发行了以探索者1号卫星为主图案的纪念封(图24)。 1958年5月31日, 美国伊利诺伊州芝加哥市在芝加哥发行美国国际地球物理年纪念邮票, 同日发行了一系列以国际地球物理年科学内容为主题的首日封, 其中包括以探索者1号为内容的首日封(图25)。

3. 3 美国探索者3-7号卫星发射成功纪念封

3.3.1 探索者3号卫星发射成功纪念封

美国探索者系列卫星是最有特色的卫星系列。自探索者1号发射成功以后, 自今已经有90余颗陆续发射成功。在国际地球物理年期间,共发射了8颗, 其中探索者2号、5号和7X号发射失败,成功发射了5颗(1-7号)。它们发射和结束的时间、主要科学任务列于表3.

表3:1958-1959年期间美国探索者系列卫星发射一览表

名称
发射日期
任务
结束日期
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探索者1号
1958年01月31日
高能粒子研究
1958年05月23日
1970年03月31日
探索者3号 (Gamma 1)
1958年03月26日
高能粒子研究
1958年06月27日
1958年06月27日
探索者4号
1958年07月26日
高能粒子研究
1958年10月05日
1959年10月23日
探索者6号 (S-2 艾布尔3号)
1959年08月07日
磁气圈研究
1959年10月06日
1961年07月01日
探索者7号(S 1A
1959年10月13日
高能粒子研究
1961年08月24日

【探索者2号(1958年3月5日发射)、探索者5号(1958年8月24发射)、探索者7x号 (S 1)(1959年7月16日发射)均未成功

图29 (US19581011603):1958年3月26日, 美国第三颗人造地球卫星-探索者3号在佛罗里达州卡拉维纳尔角发射成功发射地首日封。

1958年3月26日17:31:00 (标准时UTC), 美国第三颗人造地球卫星-探索者3号在佛罗里达州卡拉维纳尔角发射成功。美国发行卫星成功发射首日纪念封(图75)。探索者3号的任务是继续探索者1号的科学发现对外层空间的高能粒子进行观测,用于支持天文学和空间物理学研究。卫星重14.1公斤,有效载荷包括宇宙射线计数器盖革 - 米勒(Cosmic ray counter-a Geiger-Mueller tube) 陨石探测器 (micrometeorite detector )。探索者3号继承1号的任务, 力图进一步确认外层空间高能粒子带的存在,它成功地测量了高能粒子,并向地面传回了13套科学观测数据,探索者3号重复了探索者1号的发现。这对范 艾伦 有目标地改进观测仪器指出了明确的方向。

3.3.2 探索者4号发射成功纪念封

1958年7月26日标准时15:07时,美国在佛罗里达州卡拉维纳尔角 (Canaveral Florida) 成功发射探索者4号卫星。卫星重量公斤, 卫星运行轨道近日点263公里, 远日点2213公里, 110.2分钟绕地球运行一圈。

探索者4号卫星上载了4个辐射探测器,其目的是即探索者1号和3号发现的外层空间有可能存在辐射带进行实际观测。在测试过程中, 美国同时在三个高海拔处做了人工核辐射试验,用这4个辐射探测器同时进行计数测量。

图30 (US19581011610):探索者4号发射成功发行首日封 图31 (US19581011604):国际地球物理年为探索者4号发射成功发行首日封

与探索者1号和3号星载辐射探测器不同, 在探索者4号上星载的辐射探测器上,范 艾伦教授安装了屏蔽计数器,以便在粒子密度高的时候也能够计数。这一改进,是探索者4号获得的数据可以证明外层空间存在辐射带的关键。 有二个辐射探测器工作到1958 年9月3日,另外二个工作至19589月19日这次观测汇集成一个数据库。 范 艾伦教授在分析这些数据后,终于证实了在探索者1号和3号卫星数据发现中提出的设想 - 在地球外层存在辐射带。该辐射带被命名为范 艾伦辐射带(Van Allen radiation belt )

范 艾伦辐射带是地球赤道至磁纬度40度、距离地球表面10,000-5,000公里存在一个辐射带,被称为内辐射带,地球赤道至磁纬度50-60度的上空14,500-9,000公里处存在一个辐射带,厚度约6,000公里。它们在向阳面和背阳面各有一个区。它的形成是由于 太阳风与地球磁场碰撞的结果。范 艾伦辐射带的发现是人造卫星发射成功后天文探测上的第一个重大发现,也是国际地球物理年最重要的科学发现之一。范艾伦辐射带的发现也促进了一个崭新的科学领域-磁层物理学的诞生。范艾伦辐射带理论有效地揭示了出现在南北极的极光现象的基本原理,也指导了国际地球物理年科学家们对南北极地区极光的地面同步观测和对比研究工作。

图29 :范艾伦带图解,引自: http://astroprofspage.com/wp-content/uploads/2006/11/magneto.jpg

范艾伦教授1914年9月7日生于美国艾奥瓦州,1939年在艾奥瓦大学获得博士学位,1951年起任该校物理系主任。从1958年1月31日探索者1号担任宇宙射线计数器 (Cosmic-Ray Detector)项目首席科学家开始, 总计担任了32个项目的首席科学家,在国际地球物理年期间担任6项科学计划首席科学家(PI)。

范艾伦于1958年获得了美国宇航学会的空间飞行奖,也因此成为1959年5月4日一期的美国《时代》杂志封面人物。1959年范艾伦成为美国国家科学院院士。1963年,获得美国地球物理学联合会的费莱明奖,1987年,时任美国总统罗纳德·里根将美国科学界最高荣誉“国家科学奖章”授予范艾伦。1989年,瑞典皇家科学院将克拉福德奖颁发与他,2006年8月9日范艾伦病逝,享年92岁。

国际地球物理年期间范艾伦教授担任卫星观测首席科学家项目一览表

有效载荷项目名称(英)

有效载荷项目名称(中)

卫星名称(英)

卫星名称(中)

发射年 

1
宇宙射线探测仪
探索者1号
1958
2
宇宙射线探测仪
探索者3号
1958
3
带电粒子探测器
探索者4号
1958
4
盖革计数器
前驱3号
1958
5
俘获辐射和太阳质子观测仪
探索者7号
1959
6
俘获辐射仪
前驱4号
1959

(美国国家空间科学数据中心 http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/PersonQuery.jsp

3.3.3 探索者6号卫星发射成功纪念封

 

探索者6号于1959年8月7日标准时14:23时在美国佛罗里达州卡拉维纳尔角 (Cape Canaveral, Florida)由Thor-Able型三级火箭成功送入太空。 探索者6号重64.4公斤,是一个球状的小卫星。卫星运行轨道近日点237公里, 远日点41900公里。卫星绕地球运行一圈需要754分钟。卫星载有9个科学探测仪器 (Proportional Counter Telescope,Scintillation Counter,Ion Chamber and GM Counter, Search-Coil Magnetometer, TV Optical Scanner, Micrometeorite, VLF Receiver (15.5 kHz), Fluxgate Magnetometer, Beacon (108 + 378 mHz), 它们的主要作用是观测外层空间各种能量的辐射情况, 银河系的宇宙射线,地磁, 高层大气无线电的传播,小陨石通量观测等。此外, 还有一个高层大气云层扫描仪, 4个太阳能储电池。卫星有效载荷的最后工作截至1959年10月6日。科学家从探索者6号卫星上共获得15个数据库,这些数据包括827小时观测的模拟信号数据和23个小时观测的数字化数据。

图是探索者6号卫星发射日(1959年8月7日)在佛罗里达州卡拉维纳尔角发行的纪念封。在该纪念封上, 详细地记载了发射时间、地点、卫星特点等信息。

图32 (US19591011601):1959年美国发现探索者6号发射成功首日纪念封

3.4 先锋号发射成功纪念封

3.4.1 先锋1号发射日首日纪念封

1958年3月17日,美国海军成功发射了美国第二颗人造地球卫星-先锋1号(VANGUARD 1)。先锋1号呈球形状,外壳为铝合金构成。直径15.2公分,重量仅为1.47公斤,堪称是一颗微型卫星。星上装有4根周向对称天线和2根垂直轴向天线、4块太阳能电池板。

该卫星虽然体积小,重量轻, 但在科学研究上做出了重要贡献。首先,它成功地测试了三节火箭飞行器的发射能力,首次试用了太阳能电池,这样,可以保障卫星长寿命。此外, 在地球测量上,科学家根据先锋1号传回的数据分析,首次采用卫星观测数据测量了地球的形状,并提出了地球的形状不是正球体,而似梨状的科学论断。这个结论,也被后来多次地球测量结果所证实。

 

 
图33 (US19581011602):1958年3月17日在佛罗里达州卡拉维纳尔角空军基地成功发射先锋1号人造地球卫星发射地首日封
图34 (US19581011602):1958年3月17日在佛罗里达州卡拉维纳尔角空军基地成功发射先锋1号人造地球卫星发射地首日封

与美国第一颗卫星成功发射相同,美国邮政没有为先锋1号卫星发射成功发行纪念邮票。美国在佛罗里达州卡拉维纳尔角空军基地当日(1958年3月17日)发行纪念封。纪念封上印制了卫星发射地点和卫星形状,特别印制了美国总统艾森-豪威尔的一句话 “我很高兴” ( I am delighted !)

3.4.2 国际地球物理年纪念邮票发行首日封中纪念先锋1号首日纪念封

1958年5月31日, 美国伊利诺伊州芝加哥市在芝加哥发行美国国际地球物理年纪念邮票, 同日发行了一系列以国际地球物理年科学内容为主题的首日封。在这些首日封中, 有三个首日封的设计纪念先锋1号卫星发射成功。其中,包括一封是先锋1号成功在佛罗里达州卡拉维纳尔角发射成功 (图78)和二封纪念国际地球物理年火箭和卫星计划中先锋1号成功的首日封(图79和图80)。

 

 
图35 (US19581261514):以先锋1号卫星为主图案的美国国际地球物理年邮票首日封于1958年5月31日在芝加哥市发行
图36 (US19581261515):以先锋1号卫星为主图案的美国国际地球物理年邮票首日封于1958年5月31日在芝加哥市发行
图37(US19581261516):以先锋1号卫星为主图案的美国国际地球物理年邮票首日封于1958年5月31日在芝加哥市发行

3.4.3 国际地球物理年纪念先锋3号卫星发射成功首日封

 
图38(US19581261518):以先锋3号卫星为主图案的美国国际地球物理年邮票首日封于1958年5月31日在芝加哥市发行  

 

主要参考文献:

  1. Luigi G. Jacchia,Two Atmospheric Effects in the Orbital Acceleration of Artificial Satellites, Nature 183, February 1959
  2. Moscow Meeting of the Joint Commission on Solar and Terrestrial Relationships,Geophysical Journal of the Royal Astronomical SocietyVolume 2, Issue 4, December 1959;
  3. Adriaan Blaauw, History of the IAU: The Birth and Half -century of the Internaitonal Astronomical Union, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994;
  4. 朱岗崑,关于“国际地球物理年”, 科学通报,1976年2号
  5. Sydney Chapman, IGY: Year of Discovery, the Story of the International Geophysical Year, the University of Michigan Press, 1959.
  6. Hugh Odishaw, National Bureau of Standards, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington, D.C., Executive Secretary (later, Executive Director) of The International Geophysical Year, http://www.gi.alaska.edu/chapman/igy.html
  7. Geophysical Monograph Number 2, Geophysics and the IGY, Proceedings of the Symposium at the Opening of the International Geophysical Year, Conducted by the United States National Committee for the International Geophysical Year, National Academy of Sciences, Washington, D.C., June 28-29, 1957. Edited by Hugh Odishaw and Stanley Ruttenberg, American Geophysical Union of the National Academy of Sciences, National Research Council, Publication No.590, 1958.

 

(1)(2)

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