人造衛(wèi)星： 時(shí)空“探員”

劉進(jìn)軍

每當(dāng)遙望天空之時(shí)，你也許會(huì)想：哪兒是天空？哪里是太空呢？你可知道在天空之上隱藏著一條看不見(jiàn)摸不著的線嗎？這條線讓航天成為一門科學(xué)，讓世界改變了模樣。

1903年12月17日，美國(guó)萊特兄弟的第一架動(dòng)力飛機(jī)——“飛行者-1號(hào)”試飛成功，震撼了世界。此后，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、意大利和中國(guó)相繼掀起了飛行熱，其中值得記住的有許多人。一位是思維活躍且膽量超群的法國(guó)人——亨利·法爾曼。他是首位駕駛飛機(jī)的歐洲人，最終成為飛行家和飛機(jī)設(shè)計(jì)師。在早期的飛行活動(dòng)中，亨利·法爾曼多次創(chuàng)造了飛行速度、高度和距離的世界紀(jì)錄，令世人瞠目結(jié)舌，從而聞名世界。

1908年的一天，一位名叫西奧多·馮·卡門的小伙子親眼目睹了亨利·法爾曼又一次打破了飛行紀(jì)錄。當(dāng)飛行結(jié)束后，西奧多·馮·卡門從人群中擠過(guò)去，與亨利·法爾曼留下一段精彩的對(duì)話：“我是研究科學(xué)的教授。你知道，一位偉大的科學(xué)家用他的定律證明：比空氣重的東西是絕對(duì)飛不上天的。為什么飛機(jī)會(huì)飛上天？你是怎么飛上天的？”

法爾曼幽默地回答：“哦，你是指那個(gè)研究蘋果落地的人嗎？我幸好沒(méi)有讀過(guò)他的書，不然，今天就不會(huì)得到這次飛行的獎(jiǎng)金了。我只是個(gè)畫家、賽車手，現(xiàn)在又成了飛行員。至于飛機(jī)為什么會(huì)飛上天，不關(guān)我的事。你作為教授，應(yīng)該研究它。祝你成功，再見(jiàn)！”

在回家的路上，西奧多·馮·卡門坐在車內(nèi)久久地沉思：為什么飛機(jī)能夠飛上天？是飛機(jī)外型、空氣、動(dòng)力和速度造成的？他對(duì)身旁的一位記者說(shuō)：“偉人的話看來(lái)也不一定都對(duì)?，F(xiàn)在，我知道往后余生應(yīng)該研究什么了?！彪S后，西奧多·馮·卡門拉住記者的手，一起伸出車窗外：“你看哪！一陣風(fēng)立刻吹過(guò)手背，涼涼的，嗖嗖響，具有速度感。這里蘊(yùn)藏有多少科學(xué)秘密?。课乙幌б磺?，努力去研究空氣、研究風(fēng)，以及空中飛行的全部奧秘。我總有一天會(huì)向亨利·法爾曼解釋清楚，為什么飛機(jī)能上天的道理?！边@次參觀對(duì)西奧多·馮·卡門影響深遠(yuǎn)，讓他走上了畢生從事研究空氣動(dòng)力學(xué)的道路。

西奧多·馮·卡門（匈牙利人，美國(guó)物理學(xué)家）被公認(rèn)為是“世界超音速之父”，他主要研究空氣動(dòng)力學(xué)，尤其對(duì)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的超音速和高超音速氣流等科學(xué)的貢獻(xiàn)巨大。他運(yùn)用數(shù)學(xué)原理研究流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)，為世界航空航天領(lǐng)域的發(fā)展作出了偉大的貢獻(xiàn)，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一。1960年，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任威廉姆·皮克林博士曾評(píng)價(jià)道：“如果沒(méi)有西奧多·馮·卡門，那么我們就不會(huì)有航空航天科學(xué)。”

分界線之爭(zhēng)

自古以來(lái)就不存在天空與太空的分界線，但科學(xué)家需要確定天空的終點(diǎn)或太空的起點(diǎn)。這不但是一個(gè)科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，而且還關(guān)系到領(lǐng)空、國(guó)家主權(quán)和法律等國(guó)家利益。關(guān)于天空與太空的爭(zhēng)論由來(lái)已久，主要分為“高度論”、“空氣論”和“功能論”3個(gè)派別。

高度論的支持者認(rèn)為，應(yīng)以空間的某種高度來(lái)劃分領(lǐng)空和外層空間的界限，以確定適用天空和太空兩種不同法律制度的范圍。其中，有人認(rèn)為以航空器向上飛行的最高高度為限，即離地面30～40千米為天空和領(lǐng)空的分界線，也有人認(rèn)為以航天器距離地面的最低高度220千米為太空的最低界限。

而空氣論的支持者認(rèn)為，應(yīng)以不同的空氣構(gòu)成為依據(jù)來(lái)劃分空間界限。其中，有人認(rèn)為，凡是發(fā)現(xiàn)有空氣的地方均為天空，應(yīng)屬領(lǐng)空范圍。由于從地球表面至數(shù)萬(wàn)千米高度都存在空氣，因而出現(xiàn)以幾十、幾百、幾千、上萬(wàn)千米為界的不同主張，這么一來(lái)反而沒(méi)有了標(biāo)準(zhǔn)。

功能論的支持者認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)飛行器的功能來(lái)確定其所適用的法律。如果是航天器，其活動(dòng)為航天活動(dòng)，那么應(yīng)適用太空法。如果是航空器，其活動(dòng)為航空活動(dòng)，那么應(yīng)適用航空法。整個(gè)空間是一個(gè)整體，沒(méi)有劃分領(lǐng)空和外層空間的必要。

那么，應(yīng)該怎樣科學(xué)地解決天空與太空的分界線呢？科學(xué)的一大功能是定量和定性。只要能定量和定性，那么，絕大多數(shù)疑難問(wèn)題就能迎刃而解了。

太空的起點(diǎn)

那么，哪里是天空，哪里又是太空呢？西奧多·馮·卡門靈機(jī)一動(dòng)，想出了一個(gè)金點(diǎn)子。他從空氣動(dòng)力學(xué)的角度定義了天空的概念，首先解決了海拔高度計(jì)算，他認(rèn)為“如果航空器進(jìn)入100千米高度的空間，地球大氣層的空氣變得太稀薄，沒(méi)有任何航空器能在此高度上從大氣中獲得空氣來(lái)提高自身氣動(dòng)升力，獲得足夠的動(dòng)力和能力進(jìn)行高速飛行。此外，此處大氣溫度和太陽(yáng)輻射的突然增減和互動(dòng)，也令航空器無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛行。”之后，西奧多·馮·卡門又從太空動(dòng)力學(xué)的角度，即從軌道速度、軌道高度及物理關(guān)系來(lái)定義太空的概念。

為太空畫一條起跑線！西奧多·馮·卡門認(rèn)為：海拔100千米的高度是航空器飛行的最高高度，也是航天器飛行的最低限度。太空，應(yīng)以海拔100千米為起點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算后，大都對(duì)100千米為太空起點(diǎn)表示贊同，并希望作為正式的劃界標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，100千米又是一個(gè)很容易記憶的數(shù)字，為未來(lái)的分界線指定方向。

位于日內(nèi)瓦的國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)支持西奧多·馮·卡門的科學(xué)論證：以海拔100千米的高度為分界線，作為天空的終點(diǎn)線和太空的起點(diǎn)線。后來(lái)，國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)以西奧多·馮·卡門的名字命名了這條看不見(jiàn)的分界線——卡門線。卡門線，科學(xué)定義了天空與太空的概念，解析了許多航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜疑問(wèn)，受到全世界大多數(shù)國(guó)家和科學(xué)家的認(rèn)同。

不過(guò)，隨著科技的進(jìn)步和航天器的不斷更新迭代，卡門線的定義受到了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)空軍的多名飛行員多次駕駛“X-15”火箭飛機(jī)，突破卡門線，進(jìn)入100多千米以上的太空。美國(guó)宇航局為飛行員們授予宇航員證書。20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)防偵察局的“鎖眼-11號(hào)”照相偵察衛(wèi)星多次從240千米的高度，俯沖到90多千米的高度進(jìn)行偵察?？ㄩT線的界限開(kāi)始模糊了，但它仍然是太空的起點(diǎn)，航天器的起跑線。

自1957年，蘇聯(lián)將世界上第一顆人造衛(wèi)星送入環(huán)地軌道以來(lái)，人類已經(jīng)向浩瀚的宇宙中發(fā)射了大量的航天器，其中發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣的航天器就是人造地球衛(wèi)星了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界各國(guó)總共發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)多達(dá)上千顆。截至2019年1月，光美國(guó)就差不多累計(jì)發(fā)射了593顆人造衛(wèi)星，占全球衛(wèi)星數(shù)量的40%以上。

太空魔法師

“10、9、8、7、6、5、4、3、2、1，點(diǎn)火！”1957年10月4日晚，世界上第一顆人造衛(wèi)星——“衛(wèi)星-1號(hào)”發(fā)射成功?！靶l(wèi)星-1號(hào)”運(yùn)行在近地點(diǎn)228千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)947千米，軌道傾角65°，軌道周期96.2分鐘，飛行在29000千米/小時(shí)的軌道上。它在軌運(yùn)行92天，環(huán)繞地球1440圈，于1958年1月4日墜毀。

盡管“衛(wèi)星-1號(hào)”其貌不揚(yáng)，只是發(fā)出“嘟、嘟、嘟”的信號(hào)聲，但卻向全世界宣告了人類從此進(jìn)入了太空時(shí)代，具有偉大的里程碑意義。當(dāng)時(shí)，世界各國(guó)的報(bào)紙、電臺(tái)和電視臺(tái)等媒體都爭(zhēng)相報(bào)道了“衛(wèi)星-1號(hào)”發(fā)射成功的消息。當(dāng)年，美國(guó)國(guó)務(wù)卿杜勒斯不解地問(wèn)美國(guó)報(bào)刊和電影大王威廉·赫斯勒：“為什么人們圍繞這個(gè)‘鐵塊大作文章？”威廉·赫斯勒意味深長(zhǎng)地回答：“這個(gè)‘鐵塊將讓人類生活進(jìn)步幾個(gè)世紀(jì)?！?/p>

航天器，是指在太空飛行的飛行器?？茖W(xué)家將人工制造且環(huán)繞行星運(yùn)行一圈以上的航天器，稱為“人造衛(wèi)星”（簡(jiǎn)稱衛(wèi)星）。當(dāng)人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行，它就被稱為“地球人造衛(wèi)星”。

從1957年世界上第一顆衛(wèi)星上天，到2018年年底，人類已發(fā)射了超過(guò)1萬(wàn)個(gè)航天器，其中90%是人造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星是迄今種類最多的航天器，主要分類多達(dá)幾百種，而且還將越來(lái)越多。

根據(jù)任務(wù)，人造衛(wèi)星主要分為軍事衛(wèi)星和民用衛(wèi)星2大類。人造衛(wèi)星的主要功能是地球觀測(cè)、太空探索、太空通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。根據(jù)重量，人造衛(wèi)星可分為小衛(wèi)星、中衛(wèi)星和大衛(wèi)星。最大的衛(wèi)星星體長(zhǎng)近20米，大天線達(dá)150多米;最重的衛(wèi)星質(zhì)量重達(dá)100多噸;最小、最輕的衛(wèi)星只有一張郵票大小，號(hào)稱“芯片衛(wèi)星”。

衛(wèi)星在太空飛行，也有使用壽命。衛(wèi)星有設(shè)計(jì)壽命和實(shí)際壽命之分。目前，世界上設(shè)計(jì)壽命最長(zhǎng)的衛(wèi)星達(dá)18年，實(shí)際壽命最短的只有幾天，甚至幾小時(shí)。有的衛(wèi)星的實(shí)際壽命超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的幾倍。

人造衛(wèi)星是人類智慧的結(jié)晶。人造衛(wèi)星專家“窮奢極欲”，將各種世界上最先進(jìn)的科技、特種材料和精密儀器統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星。人造衛(wèi)星的造價(jià)通常非常昂貴，一般價(jià)值在1～10億美元，甚至有的軍事衛(wèi)星或氣象衛(wèi)星的價(jià)值高達(dá)上百億美元。

根據(jù)衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星專家可以監(jiān)測(cè)、指揮和控制衛(wèi)星的飛行。衛(wèi)星通常按照7.9千米/秒的第一宇宙速度飛行，一般飛行在高度220～36000千米的近地空間。衛(wèi)星飛行高度越低，環(huán)繞地球一圈的時(shí)間就越短。衛(wèi)星飛行高度越高，環(huán)繞地球一圈的時(shí)間則越長(zhǎng)。衛(wèi)星飛行在450千米的高度，環(huán)繞地球一圈大約需要90分鐘。

按照地球自轉(zhuǎn)方向，衛(wèi)星軌道可分為順行軌道和逆行軌道。按照飛行高度，衛(wèi)星軌道分為低軌道、中軌道、高軌道和靜止軌道。低軌道位于地球上空大約160～2000千米高度。中軌道位于2000～20000千米高度。高軌道位于20000～35786千米高度。靜止軌道位于赤道上空35786千米高度。按照軌道傾角，衛(wèi)星軌道分為赤道軌道、地球同步軌道、地球靜止軌道、極地軌道和太陽(yáng)同步軌道等。

衛(wèi)星一般都是獨(dú)行俠，獨(dú)自飛行。但有些衛(wèi)星必須組成星座聯(lián)合飛行，甚至覆蓋全球，才能獲得最大效用，如導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星等。目前，世界上最大的衛(wèi)星星座是美國(guó)太空探索技術(shù)公司的“星鏈”低軌道通信衛(wèi)星?！靶擎湣毙l(wèi)星是一種手機(jī)衛(wèi)星，提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，覆蓋全球，號(hào)稱“一機(jī)在手，鏈接全球”。它采用星間光學(xué)鏈路、相控陣波束形成和數(shù)字處理技術(shù)?！靶擎湣毙l(wèi)星由1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成星座，最終達(dá)到約4.2萬(wàn)顆。它將是太空中最大的衛(wèi)星星座。

衛(wèi)星本身千變?nèi)f化、功能強(qiáng)大，渾身閃耀著高科技的光芒。不過(guò)它既是人類智慧的結(jié)晶，也可能會(huì)成為人造垃圾。

名詞卡片：

航天器軌道速度：航天器在中心力場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度。為了環(huán)繞地球軌道飛行，航天器的速度大約在27000千米/小時(shí)，即第一宇宙速度。世界上只有航天器才能達(dá)到這樣的高速度。

軌道高度：行星或者各種飛行器的軌道與其中心天體表面之間的距離。航天器幾乎不可能在100千米以下的軌道飛行。因?yàn)榇髿庾枇偷厍蛞τ绊懀w行速度將迅速降低，非常容易墜落地球。航天器在超過(guò)100千米的高度飛行，才能保持軌道高度和速度。航天器在220千米以上的高度飛行才最安全，更容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期飛行。航天器進(jìn)入150千米高度以下，就再也回不到原有的高度，進(jìn)入死亡軌道。