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1992年发现奖:航空航天

通过康普顿伽马射线天文台的见解,探索伽马射线如何揭示从中子星到黑洞的宇宙事件。

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伽马射线是电磁波谱中的精英,是原子和原子粒子相互作用产生的最强大的能量包。它们强大到足以穿越数十亿光年而不衰减,并能将DNA变成变异的混乱。但是,尽管这种凶猛的辐射源定期沐浴我们的太阳系,伽马射线却被地球的保护性大气层非常有效地吸收了。这对于那些重视染色体健康的人来说可能是幸运的,但对于天体物理学家来说却是令人沮丧的。

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令人沮丧的原因是伽马射线带来了宇宙历史上最轰动事件的消息。它们来自恒星碰撞和爆炸、物质-反物质湮灭、类星体的狂热燃烧以及黑洞灾难性的吞噬习性。直到最近,这些猛烈的宇宙事件一直只是吊着伽马射线研究人员的胃口,他们一直局限于用气球、火箭或短期的轨道任务将探测器送入大气层之上。

然而,这一切在1991年4月发生了变化,当时航天飞机宇航员释放了美国宇航局的康普顿伽马射线天文台。这座由TRW公司建造的卫星现在停泊在地球上方268英里的圆形轨道上,尽职尽责地捕捉着来自宇宙各个角落的伽马射线的证据。康普顿的读数已经让高能天体物理学界陷入了一片狂喜。用美国宇航局戈达德太空飞行中心的康普顿项目科学家尼尔·盖雷尔斯的话说:“到目前为止,我们已经完成了一项梦幻般的任务。”

然而,如果没有TRW公司一些快速而创新的设计工作,这个梦想很容易变成一场噩梦。因为伽马射线稀少,并且只有当它们撞击物质时才会显现出来,所以探测器必须非常庞大。整个卫星重达17吨,这使其成为航天飞机发射过的最重的无人飞船。

“我们拥有的系统比我们的人员习惯处理的要大得多,”TRW公司项目经理杰里·格利克斯曼在1985年至1988年关键设计阶段说道。TRW公司的主要航天器是通信卫星,通常重约2.5吨。虽然康普顿伽马射线天文台是作为一个单一平台发射的,但它实际上是四个独立的伽马射线实验。探测器本身在TRW赢得合同的1983年就已经开始设计了。其中一些最初计划用于一系列小型火箭发射平台上的单独发射。修改笨重的仪器以适应一个共同的运载工具是不可行的。

其中两个探测器,康普顿望远镜和高能伽马射线实验,每个重逾3000磅。它们巨大的惯性可能在发射过程中使单个平台扭曲和受力,达到不可接受的应力水平。“我们设计的结构就像一个减震器或调谐杆,”格利克斯曼说。这有助于将大型仪器与航天飞机发射的巨大力量隔离开来。“这是我们第一次为如此大的系统这样做。”计算机得出的解决方案是为每个元件找到完美的位置,以便整个平台保持平衡。

但设计团队并不满足于仅仅在计算机上模拟解决方案。TRW的工程师建造了卫星的全尺寸模型,这是建造新飞机的一个正常步骤,但在卫星设计中闻所未闻。

这个复制品由金属和亚克力制成(并用J. C. Penney的床单模拟成品航天器上使用的金色隔热层),使工程师能够尽可能智能地封装仪器、电子控制器、推进器和太阳能电池板。

这个模型也证明对康普顿的最终操作者——亚特兰蒂斯号航天飞机的全体乘员来说是一个福音,他们负责将这艘巨大的航天器从轨道器的有效载荷舱中卸下。1985年初,宇航员们利用这个模型练习手动拉出康普顿的太阳能电池阵列和天线,以防这些部件的电机驱动在部署过程中失灵。

根据宇航员的建议,TRW公司在观测台的框架上安装了额外的扶手和脚部约束插座。事实证明,这个建议具有预言性:在一次紧急太空行走中,机组人员利用这些硬件巧妙地将一个故障的高增益天线调整到正确位置。幸运的是,天线故障很快排除,观测台运行良好。

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更重要的是,该观测站彻底改变了伽马射线天文学。理论家们已经在努力解释为什么被称为爆发的随机伽马射线闪光会从天空的各个部分爆发。天文学家曾预期只会在我们银河系平面中探测到此类爆发,因为那里暴力事件很常见。这些爆发的广泛分布可能表明中子星和黑洞在天空的所有区域都很活跃。康普顿还发现了14个所谓的伽马射线类星体,它们位于宇宙的最前沿。这些神秘的星系能源似乎比银河系亮1亿倍。

像这样的惊人成果很可能促使美国宇航局延长康普顿的任务。TRW和美国宇航局都认为康普顿有足够的燃料在轨道上再运行六年。通过航天飞机进行燃料补给,可以进一步延长航天器的寿命。如果预算允许,康普顿观测站应该会在未来几年继续将宇宙消息带到地球。

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Daryal Kuntman,佛罗里达州劳德代尔堡Allied-Signal Aerospace公司雷达产品设计经理,因其在开发前视风切变探测/避免雷达系统方面的贡献而获奖。仅1965-1985年间,风切变就造成至少26起民用运输机事故,导致500多人死亡。在此新系统之前,飞行员直到危险的下沉气流已经颠簸飞机时,才能预见到风切变。Allied-Signal系统通过测量大气中始终存在的小水滴的速度,在飞机路径前方很远的地方就能感知并识别危险的风切变状况。有了这种雷达,机组人员有足够的预警时间避开危险区域。

Ron Anders,圣地亚哥Logicon公司的项目工程师,因开发T9000空中交通管制员培训系统而获奖。这个基于计算机的系统创造了一个惊人逼真的机场交通模拟,是一种革命性的管制员培训方式。在此系统开发之前,空中交通管制员通过在桌面上推动模型飞机来训练。T9000模拟系统非常详细,能够准确描绘不同航空公司的涂装方案。它还模拟了受训者所指挥的飞行员的语音回复。飞行员和管制员都相信这个系统将为我们所有人带来更安全的空中交通。

Andrew Logan,亚利桑那州梅萨市麦克唐纳-道格拉斯直升机公司工程副总裁,因其在无尾桨(NOTAR)直升机设计方面的贡献而获奖。NOTAR是第一款没有尾桨的传统直升机。传统上,直升机需要尾桨才能避免无助地旋转;但尾桨噪音极大,并在有风条件下产生振动和不稳定。它们也是造成直升机事故的第二大原因。NOTAR直升机没有尾桨,而是使用内置在尾梁中的强大风扇,通过喷射气流来控制扭矩。凭借这种新的、更安全的设计,飞行员可以更容易地操纵,并在更极端的天气条件下飞行。

Ilan Kroo,斯坦福大学航空航天学副教授,因其在Swift滑翔机开发方面的贡献而获奖,该滑翔机由加利福尼亚州圣罗莎的Bright Star Hang Gliders公司制造。Swift是一种高性能的脚启动滑翔机,飞行员可以像悬挂式滑翔机飞行员一样从山坡上起飞。传统滑翔机售价超过40,000美元,需要使用另一架飞机将其拖入空中。售价9,500美元的Swift提供了卓越的飞行员控制和滑翔时间,并且几乎可以在任何地方发射。由于其新颖的机翼设计和易用性,Swift作为一种令人兴奋且巧妙的新型飞机,值得称赞。

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