那些“造星星”的人
2019-08-06 21:23

那些“造星星”的人

Photo by Donald Giannatti on Unsplash,本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士



本文是小火箭军用与商用卫星测控系列报告的第7篇,同时也是该系列的完结篇。


小火箭努力用风云录的方式,以发展最早、规模最大、投入最多的美国测控系统为主线,理清测控系统的发展史。


测控


航天测控


测控,取测量控制这两个词的含义。


按小火箭的理解,航天测控的主要工作内容,包括3个:


  • 遥测(知道飞行器在哪里)

  • 遥控(告诉飞行器该往哪儿飞,该做什么)

  • 通信(双向的信息流)


更具体来说,小火箭对航天测控给出如下描述性定义:


航天测控系统需要对航天飞行器的弹道或轨道以及姿态进行精确跟踪、测量和控制,在统一的时间体系和标准化的空间体系中,对所需参数进行测定,对星载或箭载系统设备进行监控;同时能够有效获得航天器的下行信息和可靠传输对航天器的上行控制指令。



那我们就开始吧!


发轫


测控技术照样也难逃小火箭定律:


小火箭定律:


迄今为止,在人类工程技术发展史上,几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心,最终这些家伙大多都被拿来用于增强军队的作战效能了。


人类最早的对航天飞行器的系统化测控技术,发源自在第二次世界大战期间诞生的人类最早的实用性弹道导弹V-2。


上图为盟军工程师在英国伦敦特拉法尔加广场查看一枚缴获的德国V-2弹道导弹。


这张照片,摄于公元1943年6月21日上午10点31分。


这枚V-2导弹,是整个二战期间生产的5206枚V-2弹道导弹中的其中一枚。看似比较平常。


但是,实际上,这是罕见的德国第7号导弹测试基地的一张科研发射照片。


这张照片,由该测试基地的光学跟踪设备拍摄。这是人类航天测控系统的发端。


军事摄影师拿着带有特殊刻度标记的摄像机,全程拍摄导弹的发射和爬升过程,以此来帮助工程师分析弹道和导弹的飞行姿态。


(上图那枚V-2导弹身上的黑白格子涂装,就是为了方便人眼辨识导弹的位置和滚转角度。)


上图为从第3批次的V-2弹道导弹上拆卸下来的陀螺仪系统(一个水平陀螺仪和一个垂直陀螺仪,组成一对相互正交的空间坐标轴。)


V-2弹道导弹,是人类太空产业和事业的鼻祖,详见小火箭的公号报告《V-2导弹:现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》,留下了诸如惯性导航与制导技术、液氧酒精液体火箭发动机技术和测控技术。


不过,这些技术差点儿就没了。





1945年4月23日,第二次世界大战进入收尾阶段。是日,首支苏联地面部队攻入柏林郊区。


4月27日,柏林被苏军完全包围。


公元1945年5月2日,在殊死抵抗数日之后,柏林城防司令魏德林将军向苏联第8近卫军团司令瓦西里·崔可夫中将投降。



1945年5月2日,在德军投降当日,阿尔卑斯山脚下某秘密基地中,120位火箭科学家在33岁的V-2导弹总设计师冯·布劳恩的组织下,开始把500多箱与V-2导弹相关的技术资料、图纸和设备封存到矿井中。


就在这一天,一个狂热的德军军官抄起冲锋枪就冲向了火箭科学家们:不能让这些人落在苏联人手里!


不过,在悲剧发生之前,守护布劳恩的士兵们也都拿起了冲锋枪,誓死保护科学家和工程师们:这是民族乃至人类最优秀的头脑,绝不可以因任何原因受到任何伤害!


当日,基地的日志清楚地记录着:


最低气温13℃,最高气温28℃;

相对湿度 88%;

风速:4米/秒。


但是,当时对峙和撤离的细节,没能留下。


当然,从美军的记录中,我们还是能够得知一些细节:


1945年5月2日午后,在阿尔卑斯山的蒙蒙雾气下,一个德国小伙子骑着自行车冒冒失失地闯入了美军阵地。


在美国陆军第44步兵师如钢铁草丛般密集的枪口注视下,那个小伙子举起双手,用极其蹩脚的英语,大声说道:


我哥哥是布劳恩博士,他发明了V-2火箭,救他



后面的情况,大家就都比较清楚了。


冯·布劳恩博士连同与火箭和导弹相关的100多位科学家,全部获救,被运往美国。


上图为多恩伯格和冯·布劳恩等德国工程师被盟军俘虏时的照片。(前排左边,头戴礼帽、左手拿烟、右手插兜、淡定微笑的那个,就是多恩伯格。前排中间左手打着石膏的是冯·布劳恩。)


上图从左到右:


美军士兵、瓦尔特·多恩伯格、赫伯特·阿克斯特、冯·布劳恩、汉斯·林登伯格和伯恩哈德·特斯曼。


瓦尔特·多恩伯格推动了美国空天战斗机项目和测控系统的发展。


瓦尔特·多恩伯格是现代火箭武器的开拓者之一。他毕业于柏林工业大学,后来进入库默斯多夫实验室研制火箭。二战期间被调入佩内明德,成为V-1导弹和V-2导弹的核心研发人员。


1945年,被盟军俘虏后,囚禁在英国监狱。1947年,美国设法将其从英国带出,并直接带到美国空军的实验室参与研究工作。1950年起,开始担任贝尔公司高级顾问,后任X-20空天战斗机验证机首席科学家。后来,他得以返回德国老家。


1947年,美国从英国不仅带回了多恩伯格,还带回了当年拍摄V-2导弹点火画面的人类最早的使用光学跟踪设备拍摄导弹的工程师。


那些工程师拥有极好的视力和令人敬佩的勇气。他们甚至拍下了V-2导弹冲向他们坠向地面的画面,可惜这些场景因为不利于宣扬V-2导弹的作战能力而被销毁了。



二战结束后,美军从德国运回了100多枚V-2弹道导弹。连同以冯·布劳恩为首的100多位火箭工程师,美国从此开启了导弹与火箭事业的快速发展阶段。



1946年,美军开始尝试向太空进军。V-2导弹的弹道程序被改写,由追求300公里射程的低伸弹道改为追求射高的高抛弹道。


上图这枚V-2导弹,是美军最早进入太空(跨越100公里卡门线)的弹道导弹。


该弹的液体火箭发动机工作了59.5秒,随后导弹继续上升。


测控系统显示,该弹的弹道最高点达到了114.1公里。


随后,这枚V-2导弹再入稠密大气,坠入了距离发射点49.91公里外的新墨西哥州的沙漠中。


选址



拥有了100多枚现成的V-2导弹,那么紧接着问题就来了:


这么好的科学试验设备,需要有足够宽阔的地方来施展。


也就是说,发射场和测控中心应该选址在哪里?



一开始,有3个方案:


A方案:阿留申群岛。


总部设在华盛顿州,发射和测控则沿着阿留申岛链向东向南延展。


优点:第二次世界大战期间,在阿留申群岛有大量对日作战准备的物资和人员,可以很方便地就地调动。


B方案:南加州埃尔森特罗。


总部设在埃尔森特罗,发射和测控则在新墨西哥州的白沙导弹基地向西向南延展。


优点:距离美国新近建立的基于V-2弹道导弹的自研弹道导弹工厂非常近,可以就近发射。


C方案:佛罗里达州卡纳维拉尔角。


优点:帕特里克将军的梦想寄托之地。


(帕特里克是美国最早提出要把空军建成独立兵种的将军,同时也是最早批准进行环球飞行壮举的人。)





阿留申是个好地方。


整个导弹测试团队也对这壮美的风景所折服。


但是,导弹保障车辆的燃油系统也被阿留申所折服:这里太冷了,柴油卡车如果不做特殊处理,根本没法正常完成任务!


于是,A方案在1946年冬季的一场大雪之后,由导弹和运载火箭测试靶场变成了工程技术人员的旅游目的地。



南加州也是个好地方。


壮美的帝王谷和墨西哥的异域风情,让这里有着足够的吸引力。


而且,从南加州和新墨西哥州发射的导弹,其落点不会对美国居民造成太大影响。


(当然,这就是小火箭字面上的意思,不会对美国造成太大影响,但是对墨西哥有没有影响,就另说了。)



上图为B方案导弹发射与测控基地附近的美墨边境卫星照片。


横贯照片中心的,就是国境线;上半部分是美国,下半部分是墨西哥。




1946年,美国西南靶场和测控基地建成。上图为冯·布劳恩在西南靶场的白沙基地与他的V-2弹道导弹的合影。



白沙靶场,顾名思义,就是拥有白色沙丘的靶场。



这个地方的确适合做弹道导弹的发射试验。


而且,人类最早的系统化对太空的探索,就是从这里开始的。



公元1946年10月24日,白沙导弹靶场,美军和德国火箭工程师通力合作,在第13号发射架,发射了一枚V-2弹道导弹。


导弹按最优弹道爬升,重力转弯,然后在接近弹道最高点的时候,开启了安装在弹头位置的照相机。


该相机以1秒1幅的频率,自动拍摄照片。


上图就是这枚V-2弹道导弹在105公里弹道高点拍摄的地球,由35毫米胶片冲印。


这是人类飞行器首次在外太空拍到地球。


同时,这是地球上的智慧生物人类,借助火箭技术,为地球拍的第一张自拍照。


技术有限(那时还没有卫星),设备简陋(那时还没有数码摄像设备,也没有滤镜),准备仓促(这家伙原本是用于人类互相伤害的,在战场上草草由战俘加工而成),还请地球多担待。



导弹飞到了太空!拍到了地球的样貌!


那可把大家厉害坏了。


于是,在白沙导弹靶场这个地方,更多红色的发射架开始竖立,更多的导弹型号开始诞生。



白沙导弹靶场,放飞导弹,同时也在放飞人类进入太空的梦想。


相关的测控设备也在飞速发展中。


德国工程师的一系列锻炼视力的方法,在美国工程界也得到了推广。(和咱们的眼保健操不太一样,他们更多的是在饮食方面加强营养,比如多吃蓝莓。)


自上世纪40年代末到60年代初,光学跟踪设备在持续发展中。


上图就是赫赫有名的Mark IV型导弹与运载火箭光学跟踪测控机。


白沙靶场的工程技术人员正在进行大仰角对空光学跟踪作业。


哈!眼神好的小火箭好友可能已经发现了:


上图那个光学跟踪设备(人类第一款量产型导弹与测控设备)非常非常眼熟。


没错!这家伙其实就是在90毫米口径防空炮的基础上加了一套望远镜罢了!


嗯!仔细看的话,那根90毫米口径的炮管甚至都没拆掉!




以上是原版的90毫米口径防空炮。或许在第二次世界期间,人类用这家伙杀红眼的时候,根本就不会想到它们会被改装成火箭光学测控系统的通用平台吧!



这就是二战刚刚结束之后,人类的状态:


刚刚迎来和平,有太多梦想要去实现。从战场上归来的幸运儿,找寻自己的另一半,开荒种田,牧马放羊,共同为制造战后婴儿潮而努力奋斗;从互相伤害的博弈中解放出来的工程师,带着导弹技术与核技术,开始努力进入太空,开始试着让火箭的力量与核力量为生产建设服务。


岁月静好,彷佛一切皆有可能;

争分夺秒,努力弥补在愚蠢的战争中浪费的所有时间。


人类,在这样的大战中,存活下来了,还有什么做不到的!


防空炮,能够在枪林弹雨中跟住轰炸机,如今盯住那冉冉上升的火箭,也没什么问题。



这是当年的《大众科学》杂志为火箭光学跟踪设备专门绘制的原理图。


红色实线标明了光学跟踪的光路;红色虚线则指示出了跟踪设备里的录像系统光路。


嗯,即使是最早的光学跟踪设备,也在一开始就设计了记录装置,以便后期对弹道进行详细分析。


另外注意,上图右侧中间位置,忠实地标注出了90毫米口径防空炮的炮管。


小火箭不禁想脑洞一下:这防空炮如果还能射击的话,岂不是能诞生一款具备上升段拦截能力的武器装备了?




对空搜索,原本用于防御自保,现在用于探索向前。





同样,拜第二次世界大战所赐,雷达技术的萌芽和迅猛发展,让人类的航天测控系统,一开始就拥有了光学系统之外的新选择。



这是特立尼达老天线。目前现存最完整和最古老的雷达测控系统天线。


60多年过去了,历久弥新。虽然风雨赋予了她沧桑,但是这挺拔的身姿,仍然在向全世界自信地展示:她就是航天雷达测控系统的雏形。


出事了



1946年至1951年间,美国陆军从白沙靶场发射了67枚V-2火箭,全部跟踪正常。


这些发射积累了大量宝贵的工程数据,磨合了德国和美国工程师,培养了整整一代优秀的火箭工程师,为今后的载人航天和登陆月球提供了技术基础。


上图为白沙靶场的V-2导弹发射架。现已加入肯德基早餐,噢不,是现已加入美国历史地标名录。


现存两个建筑,一个是23米高,7.65米宽的钢制发射架。这个发射架有4层平台,可以适应多款不同型号的弹道导弹;


另一个是上图左下角的那个钢筋混凝土金字塔形建筑。实际上就是美国第一个测控指挥大厅。8.2米厚的浇筑混凝土保护着测控指挥大厅里的工程师。



导弹,大量;人员,优秀;测控设备,先进。


一切都还算顺利。


但是,命运就是喜爱捉弄人类。


就在大家认为一切顺利,开始试着突破500公里射程,甚至开始设计射程超过1000公里的弹道导弹,研究怎样把人类送入太空的时候,出事了。


那是一个阳光明媚的上午。


一枚V-2弹道导弹从白沙导弹基地拔地而起。


20秒后,测控人员报告:弹道异常,导弹正快速向墨西哥飞去!


赶紧自毁!


但是,V-2导弹飞行弹道开始变得诡异,而对自毁指令则毫不理会。


基地指挥人员迅速打开军事地图,并且与弹道工程师分析弹道落点。


这下事情可大了。


第一次分析,认为这枚导弹会直接命中一个拥有12万人口的小城的郊区。预计会有10到60人的伤亡。


第二次分析,认为这枚导弹会命中市中心,如果打中了学校或者教堂的话,伤亡有可能会是百人量级。


基地里的德国工程师卡尔,面色发白,额头已有汗珠。


他看着手中秒表那焦躁不安地前行中的秒针,口中念念有词。


那块秒表,是他已故的德军U艇副艇长堂弟给他的礼物。在这块秒表的嘀嗒声中,有6枚鱼雷命中过多型舰只。


卡尔明白,战争早已结束。到美洲的他,虽然没有受到明显地排挤,但是德国工程师们,绝对不能在美洲闹出人命。


好消息来了:光学跟踪人员汇报,这枚导弹因为弹道过于异常,姿态变化过于剧烈,已在空中折断。


嗯,应该没问题,解体后的V-2导弹射程非常有限了,是不会飞到墨西哥的居民区的。


不过,当天,就在基地工程人员准备神不知鬼不觉地悄悄翻越边境去运回V-2导弹弹头舱的时候,一份措辞严厉的电报直接派发到了基地。


这份电报,来自白宫。内容大意:


墨西哥总统向我方提出严正交涉,并且对由我方发射的不名快速飞行物体炸毁6座墓地的行为提出严重抗议!


工程人员松了一口气,总算没有炸到活人。


但是,把人家的墓地给轰了,的确也是不太对的。


随着导弹射程的增加,每次向南打的时候,必然要飞越墨西哥领土。既然被提出了严正交涉,那么大家也不能不有所行动了。


于是,往新址的搬迁工作,在当月就启动了。


卡角



还记得小火箭前文讲到的,当年的三个方案么?


A方案,阿留申群岛,靠近北极圈,太冷;


B方案,南加州和新墨西哥州,导弹飞掠墨西哥,太玄;


C方案,佛罗里达州卡纳维拉尔卡纳维拉尔角,试试看吧。



1948年6月1日,美国海军将从前的巴那拿河(其实就是香蕉河)反潜巡逻机基地转交给刚刚成立不久的美国空军。



1949年6月10日,美国空军将之改名为弹道导弹联合远距离试验基地。


上图为美国海军香蕉河巡逻机基地。4条相互交叉的跑道清晰可见。


佛罗里达州的这个地方,地质结构不够稳定,地下河流密集,美国海军非常庆幸摆脱了这个难以使用的基地。


1950年8月,美国空军把基地改名为帕特里克空军基地以纪念最早提出把空军作为独立军种来建设的梅森·帕特里克少将。



公元1950年7月24日,帕特里克空军基地发射了她的第一枚V-2导弹,标志着一个传奇的航天发射和测控中心的诞生。


1951年,美国空军在这里成立了空军导弹测试中心。


年轻的美国空军(1947年9月18日才成立,之前作为美国陆军航空队,是陆军的小跟班,受尽了海军和陆军其他部门的欺负),对刚刚到手的基地倍加珍惜。


这里,原本仅仅是用来测试射程稍远一些的弹道导弹用的。


但是,在经过细致地研究之后,美国空军认为,在卡纳维拉尔卡纳维拉尔角沿海一带,有足够坚固的岩石来撑起整个发射场。


于是,基础设施建设的步伐,开始迈出,并且一发不可收拾。



从1950年开始建设V-2导弹的发射架,到上世纪60年代,十来年的时间,这里已经变成了发射架林立的模样。


帕特里克空军基地,这个名字如今甚至已经鲜为人知。而以该基地为基础,扩建了10倍以上的地方,叫做 卡纳维拉尔卡纳维拉尔角航天中心!


美国海军如果有心,那么肠子应该已经悔青了。


卡角,建成并投入使用的发射架,足足有47个!


然后,美国空军开始抢人。



第二次世界大战期间,红石兵工厂研制和批量生产了大量炮弹和炸弹。其中,最为有名的当属专门为轰炸东京而研发的燃烧弹了。



红石的名称来源于这里大片的红色岩石和土壤。



上图为红石导弹。(布劳恩给导弹起名字向来比较随意,之前在德国的时候,研究的火箭叫做A-1、A-2、A-3、A-4,A-4就是后来被德国军方改名为V-2的导弹。在红石研究中心研制的导弹,干脆就叫红石导弹得了。)


红石弹道导弹全长21.1米直径1.8米,可携带一枚350万吨TNT当量的核弹头(或一枚50万吨TNT当量的核弹头),起飞重量为27.763吨,设计射程为320公里



冯·布劳恩博士作为红石研究中心的首席科学家,主导了美国陆军第一款弹道导弹的研发工作。



年轻的美国空军,开始争取各自资源。


成果显著:他们不仅稳住了战斗机、轰炸机和运输机的基本盘,还把远射程的弹道导弹和航天测控拿下了。


时至今日,我们聊起美国空军的装备,不仅仅指现役的5597架飞机和预备役的2356架飞机,其实还有5299枚空射巡航导弹和3205枚各型远程和洲际弹道导弹。



另外,美国空军把冯·布劳恩博士给争取过来了!


在日常生活待遇和项目经费方面,美国空军都摸索出了一整套能够直接支付给布劳恩博士本人的方法。甚至其子女的教育问题,也被考虑到了。


上图为准备前往卡纳维拉尔卡纳维拉尔角工作的冯·布劳恩博士和他的爱妻玛丽亚·布劳恩以及两个可爱的女孩儿爱丽丝和玛格丽特的合影。


珍珠




卡纳维拉尔卡纳维拉尔角的地理位置太优越了。


从这个地方,向东南发射弹道导弹的话,一路上,星罗棋布着小岛和礁石。其中有一串小岛,如同一串珍珠,刚好能够满足:


300公里、500公里、1000公里、2000公里、3000公里的导弹测控雷达的布置位置需求。


而如果和英国的阿松森基地打个招呼的话,10000公里射程的洲际弹道导弹的弹头,都能给方便地找到落点。


而且,全程在大西洋上空,几乎不会居民带来任何影响。




这就是美国空军得天独厚,让人嫉妒的东靶场。


12个测控站,从卡纳维拉尔卡纳维拉尔角一路向东南方向,一直穿越赤道,来到位于南大西洋的阿松森基地。


不过,规划仅仅是规划。


年轻的美国空军,虽然可以聘请地方上的基建团队。但是,他们对在热带小岛上进行大规模土建施工的任务,几乎毫无经验。


毕竟,虽然作为美国陆军航空队,经历了二战的洗礼,在太平洋战场上,飞机是他们开的。但是,小岛上的那些机场,是人家陆军的工兵修建的。


而且,把大量物资和人员运送到远离美国本土数百海里之外的小岛上,没有美国海军的鼎力支持,也是不行的。


可是,美国空军把香蕉河基地从美国海军手里拿来之后,扩建了10倍,独占了天文数字级别的军费,和海军的梁子,结下了。


美国空军把布劳恩博士从陆军导弹项目里争取到了空军导弹项目里,甚至把所有射程超过300公里的弹道导弹的研发和采购权都拿到了,和陆军的梁子,也结下了。


美国空军有好的规划,有基地,有人才,但是美国海军不给运设备,美国陆军不给建岛上基地,这规划,也只好停留在图纸上了。


合作


一串珍珠,象征美丽和温润,同时也象征美国空军发射和测控队伍的大眼瞪小眼。


不过,到了1957年,情况发生了巨大的变化。


美国和苏联的冷战,进入白热化阶段。


苏联的洲际弹道导弹技术,发展神速。而美国方面,则不太顺利。



1957年开始,美国对其首款洲际弹道导弹宇宙神,进行了试射。这款设计射程为10000公里以上的导弹共进行了8次试射,其中有6枚导弹在发射台上或者升空后不久爆炸,其中2枚试射部分成功,最远射程为966公里


而当时苏联人的R-7洲际弹道导弹已经试验成功,设计射程8000公里。宇宙神刚诞生的时候,射程也就只是R-7的一个零头。



上图为从天上拍摄的苏联R-7洲际弹道导弹位于拜科努尔发射中心的发射塔架。这张珍贵的照片来源于美国中央情报局,感谢小火箭好友的提供!


该照片由飞临拜科努尔上空的一架刚刚入役的U-2侦察机拍摄。




1957年10月4日,人类成功发射了第一颗人造地球卫星。


小火箭风格,具体的时刻为:


协调世界时UTC公元1957年10月4日19点28分34.00秒


这是人类太空探索时代正式开始的时刻。


小火箭搜集了目前能够找到的全球在1957年对斯普特尼克1号卫星信号的跟踪录制记录,并把它们整合为一段音频。


上段音频分为4段。


第1段:斯普特尼克1号卫星测试的声音,时长4.06秒


第2段:在捷克斯洛伐克捕获到的斯普特尼克1号卫星信号,时长12.17秒


第3段:在德国收听到的斯普特尼克1号卫星的信号,时长21.03秒


第4段:在美国华盛顿特区,用高灵敏度监听设备截获的斯普特尼克1号卫星的信号,时长1分37.04秒


同样是哔哔声,听起来各不相同,这有电离层干扰的因素,也有卫星高速绕地球转动而产生的多普勒效应的因素。


这是LIFE在1957年10月份的刊物上登出的封面。该封面用漫画的形式重现了美国科学家跟踪和绘制斯普特尼克1号卫星轨道的场景。


好不容易,美国的工程师计算出了苏联发射的人类第一颗人造地球卫星的轨道:


斯普特尼克1号卫星的近地点为215公里,远地点为939公里,轨道周期为96分钟12秒,轨道倾角为65.1°


两点启示:


第一,从此人类的航天测控系统,不仅仅要满足跟踪亚轨道飞行的弹道导弹的需要,还要具备跟踪和测量在绕地球轨道上运行的人造地球卫星的需要;


第二,美国人在航天领域已经落后于苏联。


于是,美国空军、美国海军和美国陆军团结了起来。


或许,只有来自外部的压力,才能够促使人们去真正努力协调各个庞大的体制吧!





在美国海军的运送下,美国陆军的工程队海量的拖拉机和推土机登上那串大西洋上如珍珠般分布的小岛。


那些让日本陆军羡慕得流口水的推土机,推走了小岛上的浮沙和鸟粪,也推来了人类航天测控系统的未来。


建设



到上世纪50年代末,美国第一代地基航天测控网建成。


该系统基于美国空军早些年规划的那串珍珠,但是规模要大得多:


13个主干测控基地(光学+雷达),92个外围测控站。


这是什么概念?


答:从卡纳维拉尔角航天中心发射的弹道导弹或者运载火箭,在上升段,每飞行1.5个经度或1.5个纬度,必会飞掠一个测控主干基地。


远程弹道导弹和洲际弹道导弹全程,包括落点,均在测控网络覆盖范围内。实际上,支持从卡纳维拉尔卡纳维拉尔角发射的射程为1.83万公里的洲际弹道导弹的全程无死角测控。(当然,考虑到工程实际情况,这个布置的确比较超前了。)






0号雷达,位于帕特里克空军基地扩建工程的第一块砖原址。


小火箭风格,具体坐标为:


北纬28°29'03″N西经80°34'21″W



1号雷达,具体坐标为:


北纬26°58'57.6″N  西经80°06'29.7″W



第一代测控网已经比较庞大了。


小火箭给出上表,列出当年那些比较关键的测控基地的坐标。


咦?阿松森岛不是英国的么?





的确,这是驻有英国皇家空军的具有重要战略意义的一个小岛。



这个岛位于南美洲与非洲之间(上图正中的小红点),扼守大西洋。



阿松森岛的制高点,猫山,上面有个雷达站。


这个站,包括整座猫山,由美国空军的测控工程师实际拥有。


后来,第一代航天测控网的地面基地,延展到了南非的最南端,最终到1963年9月2日,印度洋的马赫岛建站完成,其扩建工作这才告一段落。



红石导弹、朱庇特弹道导弹、潘兴导弹、北极星导弹、雷神导弹、宇宙神洲际弹道导弹、大力神导弹和美国目前唯一在役的陆基洲际弹道导弹民兵导弹都是在该测控网的支撑下完成的。





德尔塔、宇宙神等系列的商业运载火箭,实际上也可以追溯到美国空军的导弹和测控项目。


载人



1961年,肯尼迪总统上台。他一改艾森豪威尔的风格,开始大力支持科学技术的发展,尤其对航天领域进行了大力扶持。


上图为时任美国总统肯尼迪与51岁的布劳恩博士在美国陆军弹道导弹研究中心(红石研究中心)一起散步的情形。摄于1963年5月19日,此时距离肯尼迪遇刺身亡还有6个月的时间。


肯尼迪在早些时候,宣布了载人登月的计划:


我们决定去载人登月,不是因为它简单,而恰恰是因为它困难!


照片中的肯尼迪,忧心忡忡,压力巨大。


而布劳恩博士,虽然已经老了,但是那莞尔一笑,仍显出翩翩少年的风度。


他再次拥有了少年,再次研究着火箭,只不过,这次不是在德国的战场,而是在人类文明渴望触及到的遥远的地方!





为进一步增强载人航天测控系统的可靠性,第二代航天测控网诞生。


上图为美国载人航天测控网的戈达德测控中心的大厅内场景。




考虑到航天器在轨对接等精细操作对时间统一性的要求,短波授时系统得到了格外地重视。


小火箭在上表给出了不同频率的授时天线的精确坐标。



上图是遍布全球的美国地基测控站的分布图。


该测控系统,能够支持航天器在每90分钟的一圈轨道内,有不少于15分钟的天地互联时间。


南大西洋的阿松森基地,南亚的巴基斯坦基地,地中海的克里特岛基地,南太平洋的澳大利亚基地和马达加斯加岛基地以及南美洲的智利基地成为了美国航天测控网遍布全球的有力支撑,为其载人航天发射和运营提供了保障。



中国作为世界上第三个掌握载人航天技术的国家,当然也需要遍布全球的航天测控网。详见小火箭的公号报告《天宫与天舟的背后:中国航天测控网已傲然崛起》。


小火箭总结中国航天测控网全球布局:国内有主场站、喀什站、和田站、东风站、厦门站、青岛站、渭南站7个地面测控站;国外有卡拉奇站(巴基斯坦)、马林迪站(肯尼亚)、阿尔坎特拉站(巴西)、圣地亚哥站(智利)、内乌肯站(阿根廷)、当加拉站(澳大利亚)、纳米比亚站(纳米比亚)、奥赛盖尔站(法国)、凯尔盖朗站(法属)、基律纳北极站(瑞典)等海外地面测控站;在大洋上则有多艘远望远洋测量船。


海基


为确保载人航天的遥测和通信覆盖率,远洋测量船是必不可少的。


美国陆军的工程队伍在接到了庞大的海外测控站的基建任务之后,分得了美国全球航天测控网的大量资源,与美国空军和解。


美国海军则主动提出了为美国载人航天测控网和深空测控网贡献力量的想法。



上图为美国海军先锋号远洋测量船。


先锋号测量船在1966年到1969年期间,为阿波罗载人登月任务做出了突出贡献。


首个载人登月飞船阿波罗11号的关键变轨调姿指令,就是从这艘船发出的。


先锋号满载排水量2.22万吨,长160米,在1943年8月26日下水,其设计初衷是为太平洋战争期间的对日作战美军提供燃油补给。


二战结束后,这艘在战争中两次获得战争效率勋章的功勋油轮并未歇息,而是继续执行远洋运输作业。


1965年9月,完成改装的她开始踏足航天测控事业,为多艘阿波罗载人登月飞船提供测控服务。



先锋号远洋测量船,执行的测控任务,100%圆满完成。只在上世纪60年代末出现过一次险情。


硫磺岛附近海域,暴雨和巨浪让先锋号剧烈摇晃,甚至有倾覆的可能。但是,她没有接受辅助拖进海港的建议,而是自主航行出了危险海域。


20多年前,这样的风浪,先锋号也遭遇过。跟那天不同的是,旁边那座叫做硫磺岛的地方,炮弹和炸弹比大雨更磅礴:有2.4万吨弹药被倾泻到了那座小岛上!


当年驾驶轰炸机的小伙子们如果在起飞之后向海面望去,应该能够看到这艘船的身影。而这轰炸机的燃油,很有可能就是她运来的。


1980年9月,先锋号退出载人航天科研设备序列,深空雷达被拆除,然后换装现代导弹测控天线。


海神潜射弹道导弹、三叉戟I型和三叉戟II型潜射洲际弹道导弹的制导控制系统的发展,与先锋号有着密切联系。


美国海军也终于在被美国空军抢走战略核打击力量多年之后,拥有了自己的三叉戟潜射核打击体系。






美国在上世纪60年代,基于二战幸存的油轮和商船或者军用运输舰改装出了23艘航天测控船,为水星计划、双子座计划和阿波罗计划3大载人航天计划提供了可靠的遥测、遥控和通信技术支持。




这23艘航天测控船,如今已经大多被拆除了雷达天线,等待寿终正寝的时刻(已服役76年到85年了)


空基



上世纪60年代,8架EC-135电子战飞机被改装成阿波罗航天测控空基网飞机。上图为天线罩取下后,展示出来的直径达2.128米的S波段航天测控天线。



为了容纳直径2.128米的天线,飞机也就顾不上那么多了。



在空基测控网飞机的大鼻子侧面画的这幅漫画展示了该机的任务特征:像老鹰一样捕获飞行中的导弹或者火箭。(用雷达或者相机捕获影像)



土星5号运载火箭的5台F-1火箭发动机奋力工作的场景,就是该机拍摄的。



土星5号运载火箭第一级和第二级分离的场景,也是该机捕获的。


深空



美丽的星空,是对人类的永恒魅惑。



以布劳恩博士为代表的大量火箭工程师开始从研制弹道式打击武器的工作中解脱出来,为人类的深空探索事业贡献力量。




去的地方更远了,对航天测控系统的要求当然就更高了。于是,更大更多的测控天线开始布置。



澳大利亚堪培拉金银花溪测控基地:人类第一次登月,阿波罗11号宇航员阿姆斯特朗那句,个人一小步,人类一大步的话,就是由这个雷达天线接收到的。




在南非约翰内斯堡的12米口径深空测控天线在上世纪70年代也完成了建设。



澳大利亚地理位置特殊,在航天器的星下点进入南半球或者太平洋范围的时候,设立在澳大利亚的测控基地就能够发挥不可替代的作用了。


上图为美国载人航天测控网设置在澳大利亚的一个测控基地,位于澳大利亚首都堪培拉以南50公里处。这样规模的测控基地,在澳大利亚有七个。


这些基地在1963年开始具体选址,到1965年5月全部建成。



土星1号运载火箭拔地而起。人们在关注运载火箭本身的时候,或许也应该多注意一下那些默默做着支持工作的测控系统。



抬头望天测控站,风吹草地牛成片。这是澳大利亚首都堪培拉郊区的别致景色。


在牛儿啃食甜美青草的时候,有关木星土星和冥王星的奥秘,正源源不断地传回地球,由这些巨大的雷达天线所接收,然后变成全人类所共有的关于宇宙奥义的知识。


天基



上世纪60年代和70年代,是地基航天测控的时代。



自上世纪80年代开始,测控系统开始在遥感和侦察卫星对数据传输的强大需求的牵引下,进入太空。




这是大名鼎鼎的哈勃太空望远镜。



与哈勃望远镜在同一条生产线上诞生,同样是洛克希德公司出品的KH-11侦察卫星,其外形与哈勃望远镜是非常接近的。


上图是KH-11侦察卫星的示意图。



几十年来,美国国侦局不惜血本,精心运作,其锁眼系列超高分辨率对地观测卫星已经组成了星座。



洛克希德厂房里的锁眼-9侦察卫星。


我猜吊运组工程师的压力还是挺大的。这颗卫星,在当年,造价与一艘核动力航空母舰相当。实际上,算上发射价格的话,这颗锁眼卫星比核动力航母贵多了。



在2010年9月3日,划过夜空的这道亮线,实际上就是美国国侦局锁眼系列侦察卫星的锁眼-11号卫星。


遥感卫星的军事和商业价值,长期以来,都是被低估的。


遥感技术,用在军事上,可以使得进攻方获得大量战略和战术级别的情报。在发起首轮打击的时候,对对方的导弹发射井、机场和其他军事要地做到心中有数。



结合遥感星座和天基测控星座,现在或者不久的将来,进攻方能够在首轮打击30分钟以内,获得详尽的打击效果评估报告。


这样,进攻方的战斗机、轰炸机编队和舰队,可以在当次打击返航之前,进行是否进行二次打击的决策。


这种决策对于战场态势的影响往往是决定性的。第二次世界大战期间,如果日本海军能够对偷袭珍珠港的前两个波次的打击效果进行现场快速评估,从而决定实施针对重油油库的第三波次打击的话,很多历史场景就得改写了。


侦察和遥感卫星星座给出的海量数据,需要交给天基测控系统来传输,才能保证可靠和不间断地传回地面指挥中心。



这是美国天基测控星座的发展与布置情况。


天基测控和数据中继系统虽然不像重型猎鹰火箭那样引人注目,但是作为太空系统的重要基础设施,不可不察。


关于军事与商业遥感卫星的测控,目前有这样的一些解决方案:


鸽群遥感卫星星座采用的是UHF频段的测控方案。具体来说,其上行的频率选用450MHz频段,下行的频率则采用401.3MHz频率。


为确保可靠性,鸽群卫星还支持S频段的上行测控,拥有250kbps的带宽。而高清图像的下行还能让原本用于在军事领域非常流行的X频段派上用场。100Mbps的带宽可以让卫星在单位时间内回传更多宝贵数据。



单圈4.2G的数据量,结合UHF/S/X的三频段测控系统,使得鸽群在数据量和测控可靠性方面,拥有不错的市场竞争力。


上图为鸽群星座拍摄的加利福尼亚州(局部)



美国第一代天基测控星座融合了军事和商业的应用。上图为该星座在美国白沙军事基地的地面设施。


之所以把地面设施选在白沙,是因为这里常年气候干燥,年均阴雨天不足15天,能够尽量避免降水对Ku波段上下行链路的影响。


另外,白沙军事基地当年发射的大量V-2弹道导弹,培养了美国第一代导弹与运载火箭工程师。当年把墨西哥的墓地给轰了,忍痛把发射中心的地位让给了卡纳维拉尔角。



几十年来,白沙军事基地没有了战略武器发射的壮丽场景,而仅有战术武器一头扎入沙漠的叹息。


但是,到了天基测控时代,白沙靶场显然是把荣誉又拿回来了。



放一个小火箭风格的白沙天基测控系统地面设施的注释照片。



1998年7月15日,关岛天基测控地面设备正式投入使用。


这套天线的加入,使得美国天基测控系统真正实现了全球100%范围的实时覆盖。



南极洲的地面设备升级工作也完成了。



讲到这里,还没有和大家探讨TDRS卫星本身的样貌呢。


上图就是美国第一代天基测控卫星(跟踪和数据中继卫星)完全展开后的样子。



小火箭给该星做了一些注释。



美国国侦局设置在伯克莱空军基地的绝密军事侦察卫星的地面天线。


感知



这份小火箭报告至此,已经接近1.4万字了,为确保全文不超过2万字,基本上要收尾了。


目前,人类的航天测控系统的感知能力已经到了什么样的程度了呢?


小火箭用1个设备和2个故事来讲述吧!



部署在佛罗里达州的AF-85雷达,是人类第一台大型相控阵雷达,于1969年开始正式运行,开始防备从苏联发射打过来的洲际弹道导弹。


等一下!


从苏联发射打美国的洲际弹道导弹,不都是从北极上空飞掠,经阿拉斯加或者加拿大来打击美国本土的么?


所以如果作为早期预警雷达来使用的话,不是应该部署在阿拉斯加,或者至少是在美国北部么?


放在佛罗里达州这个本土最东南端,想干什么?


答:当时美国对苏联的洲际弹道导弹的能力非常忌惮,害怕苏联发展出一种不经过北极,而是经过南极,飞掠南美洲或者南太平洋,绕地球大半圈然后从美国南部打击美国本土的超级洲际弹道导弹。


所以在美国本土的最东南端佛罗里达州部署了这么一台超级相控阵雷达,并且雷达是朝南边看的。


按设计,该雷达能够同时跟踪200枚洲际弹道导弹的核弹头。


冷战结束,这部峰值功率32兆瓦带着号称全球功率最强雷达头衔的雷达差点儿就要被拆除。


但是,相控阵雷达理想的多目标监测能力和朝南的方向,让它对近地轨道卫星和地球同步轨道卫星有着得天独厚的优势。



2座朝南的天线,安装在倾斜45°的基座上。左边那个是发射天线,由一个矩形的72x72阵列组成,其5184个交叉偶极子天线间距37厘米,以442MHz的频率发射,每个发射机模块的输出功率为10kW。


右边那个接收天线呈八角形,更大一些,外接圆直径58米。


这个设备,维护起来很吃力。平均每天要更换17个损坏的工作模块,除电费之外,每年仅维护费用就高达230万美元。


当然,考虑到这设备的性能,这些费用花得还是很值的:


这个巨大的设备,现已加入人类航天测控网,能够对地球同步轨道(赤道上空3.6万公里)上的篮球大小的飞行物进行遥测。


故事一



公元1996年4月24日,协调世界时12点27分03秒,美国加利福尼亚州范登堡空军基地,一枚德尔塔II运载火箭点火成功。


随后,把美国空军的空间监视红外卫星送入预定轨道。这颗卫星运行在898公里高的太阳同步轨道上。美国空军的测控系统显示,该卫星,精确地维持着99.16°的倾角。


公元1997年1月22日,一位叫威廉姆斯的姑娘正在塔尔萨公园里慢跑。突然她感觉有人拍了她的右肩一下。


她回过头,却没有发现任何人。


但是在眼角的余光里,一块黑乎乎的大概15厘米长的物体越过她的肩膀,翻滚着冲向地面,然后懒洋洋地躺到了她右前方的草地上。


正当她捡起这块黑乎乎的金属碎片,琢磨着是谁恶作剧向她扔东西,又是怎么神不知鬼不觉地躲藏在公园某处的时候。当地的2辆警车已经停在了公园门口。


原来如此!这姑娘不是被人拍了肩膀,而是被1996年4月24日发射的那枚德尔塔II型运载火箭再入大气后的碎片击中了!


威廉姆斯成为了人类有史以来第一次明确有记录的被火箭再入大气的碎片击中的人类。


在稠密大气中,大块的碎片解体,而较小的碎片则拥有不太高的终止速度。


这位幸运的姑娘没有受伤,并且在随后接到了美国空军和美国宇航局的致歉和致敬。


1996年4月24日发射的那枚德尔塔II型运载火箭,其上面级时刻被监视着。到1997年1月22日再入当天,所有尺寸超过10厘米的碎片都被精确定位。


这是人类航天测控系统的技术水平。


小火箭期待,在不远的将来,人类对于冒冒失失地闯入地球引力范围的小行星也有类似的预警和监控能力。


故事二



1996年至1998年,联合国统计小行星的部门,接连收到新发现小行星的报告。


这些发现,轨道精准,汇报格式讲究,成果斐然!


而且,发现方非常大度也非常低调,并未准备拍卖小行星的命名权,也没有召开新闻发布会,甚至他们多次强调成就属于所有纳税人。


这是个什么组织?


答:空军某测控和空间态势感知部门。





这个部门位于夏威夷的毛伊岛的一座休眠火山的顶部,海拔3058.1米。


小火箭风格,具体坐标为:


北纬20.701°N;西经156.312°W




上上图为当年第一代航天测控系统的光学跟踪设备,由一门90毫米口径防空炮改进而来,炮管都没拆。光学设备的口径和90毫米口径防空炮的口径相当;


上图为最新一代航天测控和空间态势感知系统的光学设备,口径3.67米。


在战备值班间隙的闲暇时光里,这口镜子,到2019年8月5日,已经发现了67颗小行星了。



航天测控,是一个能够把海陆空天电团结起来的复杂大系统。


本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士

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