【物理史中的七月】1954 年 7 月 24 日:月球反射操作

1954年7月24日:月球反射操作

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2012 年 7 月)

現在繞著地球軌道運行的人造電信衛星隨處可見,大家認為不足為奇。但在此衛星通訊系統普及之前,最先使用的是美國海軍的「月球中繼計畫」,利用月球當作天然的衛星,做為安全可靠的無線通訊方式。

使用月球作為無線電波反射體的提議要回溯到 1928年,而美軍黛安娜計畫則於1946年成功偵測到無線電波從月球反射回來。那個實驗引起一個在哈佛大學天文台工作,前海軍預備隊指揮官門則(Donald Menzel)的興趣,他認為月球有希望做為安全的通訊衛星。

無線傳送在第二次世界大戰後很平常,但遠距離高頻率的傳送需要依靠地球電離層將無線電波折射。日焰或地磁暴會嚴重地干擾那些傳送,且很難預測。所以能將無線電波從容易擊中的目標,如月球─或之後的人造衛星─反射回來,就可能維持甚至在日焰或地磁暴期間的無線通訊。在美國和蘇聯以及東歐國家外交關係相當冷峻的時候,也有人有興趣利用此系統來追蹤他們傳出來的無線信號。美國海軍強有力的雷達接收器在二次世界大戰期間即曾一直收集到從歐洲和日本偏離的無線電信號,一個被稱為「異常傳播」的現象。

是一位美國海軍研究實驗室名叫崔式勒(James Trexler)的工程師將上述兩個概念結合,建議使用月球同為通訊和無線電截聽系統之用。崔式勒在美國南方衛理會大學研讀電機工程,他父親是衛理會大學的政治學教授。然而,他並沒特別的學術傾向,這令家人很失望。儘管如此,他對實際動手做實驗很有本領,是一位熟練的業餘收音機技師。他的技術足以讓他在大學時養活他自己,還在美國海軍研究實驗室找到工作。

當崔式勒還在衛理會大學時,他曾研讀電離大氣層對無線電波傳播的影響,特別是高頻率無線電波如何從流星所留下的游離化蹤跡中反射回來。他一加入美國海軍研究實驗室的新電子對策單位後,即馬上轉移注意力於使用高頻率無線電波去探測高層大氣。

崔式勒的筆記本中有關月球反射通訊的一則記載

根據崔式勒 1948 年科學筆記中的一則記事,他對月球可能有電離層深感興趣,這樣某些頻率的無線電可以從電離層反射回來,比從月球實際表面反射回來效率高出非常多。他設計了一個方法來測試這樣的系統,使用「一個波束天線,東-西尖狀,南-北寬型」。他又說:「要持續記下信號的強度,並設法將它和月球的位置做連結。」雖然建造這樣的設備很昂貴,但他還是認為花費會很值得。

1948 年,在藍平原(Blue Plains)的工作站,美國海軍研究實驗室從戰後德國符茲堡(Würzburg)的天線網挑揀一些架設起來,到 1949 年 8 月開始執行定期的月球觀測,是名為「被動月球中繼」(Passive Moon Relay,PAMOR)機密軍事諜報計畫的一部份。代號「Joe」的系統證明很有前景,而得以獲得進一步的發展補助。

新的天線架設在馬里蘭州的史坦普‧內克(Stump Neck, Maryland),形狀像拋物線,橢圓形的開口 220 × 263 呎。第一次測試於 1951 年 10 月 21 日舉行,750 瓦的發射機傳送出少量的 198-兆赫短脈波,收到的回波比預期更精確。此結果讓此計劃更受重視,因為情報的科技潛力比預期要大許多。

事實上,回波信號的準確性很高,所以美國海軍研究實驗室再委託執行一個名為「月球中繼通訊」的衍生計劃,也稱為「月球反射操作」。到 1954 年時,崔式勒對「月球電路比預測好很多,導致可以使用多種電路,例如高速電傳打字機、傳真機和聲音」很有信心。他提議利用月球作為被動反射器,可以用超高頻「在任何時間同時向一半的地球廣播」。這個系統做為在船舶、潛艇和大型飛機間的雙向溝通也很理想。

但到那時,原先的「被動月球中繼」計畫停頓了,因為在史坦普‧內克的天線太小,無法收集到蘇聯雷達的微弱訊息。然而它對只需一簡單天線來接收信號的「月球反射操作」仍很理想。1954 年 7 月 24 日,崔式勒對著史坦普‧內克實驗室的麥克風說話, 2.5 秒後,聲音走了 500,000 哩傳回來。這是人類聲音第一次越過電離層,傳回地球。

隔年,美國海軍的科學家成功完成系統第一次橫跨大陸的測試,信號從月球表面反射回來,被位於聖地牙哥的美國海軍電子實驗室的接收站偵測到。11 月 29 日,太平洋時間 11:51 p.m.,美國海軍研究實驗室的研究副主任裴吉(Robert Moris Page)寄了一封電傳打字的訊息給美國海軍電子實驗室的技術主任庫瑞(Frank Kurie),催促他要「提高眼界,注視新視野」。

最終,在系統稍作調整,降低信號的損失後,傳播信號延伸到夏威夷的瓦西阿瓦(Wahiawa, Hawaii)。1956 年,美國國家科學院海底防禦作戰諮詢委員會建議使用月球反射途徑發射信號給潛艇船-到-岸的通訊。此系統對天文學家也很有用,因為當月球的位置不適合進行原定的無線電傳送時,即可供他們研究月球之用。

196 0年 1 月,完整的月球反射通訊系統對外開始啟用,也用來將漢考克號(USS Hancock)航空母艦的影像從華盛頓傳送到檀香山。儘管月球反射系統很成功,但它卻很快地被美國海軍人造衛星通訊系統所取代而失色,而成就新系統的知識是得自月球反射通訊系統。

 

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