人造卫星： 时空“探员”

刘进军

每当遥望天空之时，你也许会想：哪儿是天空？哪里是太空呢？你可知道在天空之上隐藏着一条看不见摸不着的线吗？这条线让航天成为一门科学，让世界改变了模样。

1903年12月17日，美国莱特兄弟的第一架动力飞机——“飞行者-1号”试飞成功，震撼了世界。此后，美国、法国、英国、德国、意大利和中国相继掀起了飞行热，其中值得记住的有许多人。一位是思维活跃且胆量超群的法国人——亨利·法尔曼。他是首位驾驶飞机的欧洲人，最终成为飞行家和飞机设计师。在早期的飞行活动中，亨利·法尔曼多次创造了飞行速度、高度和距离的世界纪录，令世人瞠目结舌，从而闻名世界。

1908年的一天，一位名叫西奧多·冯·卡门的小伙子亲眼目睹了亨利·法尔曼又一次打破了飞行纪录。当飞行结束后，西奥多·冯·卡门从人群中挤过去，与亨利·法尔曼留下一段精彩的对话：“我是研究科学的教授。你知道，一位伟大的科学家用他的定律证明：比空气重的东西是绝对飞不上天的。为什么飞机会飞上天？你是怎么飞上天的？”

法尔曼幽默地回答：“哦，你是指那个研究苹果落地的人吗？我幸好没有读过他的书，不然，今天就不会得到这次飞行的奖金了。我只是个画家、赛车手，现在又成了飞行员。至于飞机为什么会飞上天，不关我的事。你作为教授，应该研究它。祝你成功，再见！”

在回家的路上，西奥多·冯·卡门坐在车内久久地沉思：为什么飞机能够飞上天？是飞机外型、空气、动力和速度造成的？他对身旁的一位记者说：“伟人的话看来也不一定都对。现在，我知道往后余生应该研究什么了。”随后，西奥多·冯·卡门拉住记者的手，一起伸出车窗外：“你看哪！一阵风立刻吹过手背，凉凉的，嗖嗖响，具有速度感。这里蕴藏有多少科学秘密啊？我要不惜一切，努力去研究空气、研究风，以及空中飞行的全部奥秘。我总有一天会向亨利·法尔曼解释清楚，为什么飞机能上天的道理。”这次参观对西奥多·冯·卡门影响深远，让他走上了毕生从事研究空气动力学的道路。

西奥多·冯·卡门（匈牙利人，美国物理学家）被公认为是“世界超音速之父”，他主要研究空气动力学，尤其对应用于航空航天领域的超音速和高超音速气流等科学的贡献巨大。他运用数学原理研究流体力学和空气动力学，指导实际设计，为世界航空航天领域的发展作出了伟大的贡献，是20世纪最伟大的科学家之一。1960年，美国宇航局喷气推进实验室主任威廉姆·皮克林博士曾评价道：“如果没有西奥多·冯·卡门，那么我们就不会有航空航天科学。”

分界线之争

自古以来就不存在天空与太空的分界线，但科学家需要确定天空的终点或太空的起点。这不但是一个科学和标准问题，而且还关系到领空、国家主权和法律等国家利益。关于天空与太空的争论由来已久，主要分为“高度论”、“空气论”和“功能论”3个派别。

高度论的支持者认为，应以空间的某种高度来划分领空和外层空间的界限，以确定适用天空和太空两种不同法律制度的范围。其中，有人认为以航空器向上飞行的最高高度为限，即离地面30～40千米为天空和领空的分界线，也有人认为以航天器距离地面的最低高度220千米为太空的最低界限。

而空气论的支持者认为，应以不同的空气构成为依据来划分空间界限。其中，有人认为，凡是发现有空气的地方均为天空，应属领空范围。由于从地球表面至数万千米高度都存在空气，因而出现以几十、几百、几千、上万千米为界的不同主张，这么一来反而没有了标准。

功能论的支持者认为，应根据飞行器的功能来确定其所适用的法律。如果是航天器，其活动为航天活动，那么应适用太空法。如果是航空器，其活动为航空活动，那么应适用航空法。整个空间是一个整体，没有划分领空和外层空间的必要。

那么，应该怎样科学地解决天空与太空的分界线呢？科学的一大功能是定量和定性。只要能定量和定性，那么，绝大多数疑难问题就能迎刃而解了。

太空的起点

那么，哪里是天空，哪里又是太空呢？西奥多·冯·卡门灵机一动，想出了一个金点子。他从空气动力学的角度定义了天空的概念，首先解决了海拔高度计算，他认为“如果航空器进入100千米高度的空间，地球大气层的空气变得太稀薄，没有任何航空器能在此高度上从大气中获得空气来提高自身气动升力，获得足够的动力和能力进行高速飞行。此外，此处大气温度和太阳辐射的突然增减和互动，也令航空器无法实现飞行。”之后，西奥多·冯·卡门又从太空动力学的角度，即从轨道速度、轨道高度及物理关系来定义太空的概念。

为太空画一条起跑线！西奥多·冯·卡门认为：海拔100千米的高度是航空器飞行的最高高度，也是航天器飞行的最低限度。太空，应以海拔100千米为起点和标准。科学家经过计算后，大都对100千米为太空起点表示赞同，并希望作为正式的划界标准。事实上，100千米又是一个很容易记忆的数字，为未来的分界线指定方向。

位于日内瓦的国际航空联合会支持西奥多·冯·卡门的科学论证：以海拔100千米的高度为分界线，作为天空的终点线和太空的起点线。后来，国际航空联合会以西奥多·冯·卡门的名字命名了这条看不见的分界线——卡门线。卡门线，科学定义了天空与太空的概念，解析了许多航空航天领域的复杂疑问，受到全世界大多数国家和科学家的认同。

不过，随着科技的进步和航天器的不断更新迭代，卡门线的定义受到了挑战。20世纪50年代，美国空军的多名飞行员多次驾驶“X-15”火箭飞机，突破卡门线，进入100多千米以上的太空。美国宇航局为飞行员们授予宇航员证书。20世纪80年代，美国国防侦察局的“锁眼-11号”照相侦察卫星多次从240千米的高度，俯冲到90多千米的高度进行侦察。卡门线的界限开始模糊了，但它仍然是太空的起点，航天器的起跑线。

自1957年，苏联将世界上第一颗人造卫星送入环地轨道以来，人类已经向浩瀚的宇宙中发射了大量的航天器，其中发射数量最多、用途最广的航天器就是人造地球卫星了。据统计，目前世界各国总共发射的卫星数量已经多达上千颗。截至2019年1月，光美国就差不多累计发射了593颗人造卫星，占全球卫星数量的40%以上。

太空魔法师

“10、9、8、7、6、5、4、3、2、1，点火！”1957年10月4日晚，世界上第一颗人造卫星——“卫星-1号”发射成功。“卫星-1号”运行在近地点228千米，远地点947千米，轨道倾角65°，轨道周期96.2分钟，飞行在29000千米/小时的轨道上。它在轨运行92天，环绕地球1440圈，于1958年1月4日坠毁。

尽管“卫星-1号”其貌不扬，只是发出“嘟、嘟、嘟”的信号声，但却向全世界宣告了人类从此进入了太空时代，具有伟大的里程碑意义。当时，世界各国的报纸、电台和电视台等媒体都争相报道了“卫星-1号”发射成功的消息。当年，美国国务卿杜勒斯不解地问美国报刊和电影大王威廉·赫斯勒：“为什么人们围绕这个‘铁块大作文章？”威廉·赫斯勒意味深长地回答：“这个‘铁块将让人类生活进步几个世纪。”

航天器，是指在太空飞行的飞行器。科学家将人工制造且环绕行星运行一圈以上的航天器，称为“人造卫星”（简称卫星）。当人造卫星环绕地球运行，它就被称为“地球人造卫星”。

从1957年世界上第一颗卫星上天，到2018年年底，人类已发射了超过1万个航天器，其中90%是人造卫星。人造卫星是迄今种类最多的航天器，主要分类多达几百种，而且还将越来越多。

根据任务，人造卫星主要分为军事卫星和民用卫星2大类。人造卫星的主要功能是地球观测、太空探索、太空通信、卫星导航和科学实验等。根据重量，人造卫星可分为小卫星、中卫星和大卫星。最大的卫星星体长近20米，大天线达150多米;最重的卫星质量重达100多吨;最小、最轻的卫星只有一张邮票大小，号称“芯片卫星”。

卫星在太空飞行，也有使用寿命。卫星有设计寿命和实际寿命之分。目前，世界上设计寿命最长的卫星达18年，实际寿命最短的只有几天，甚至几小时。有的卫星的实际寿命超过设计寿命的几倍。

人造卫星是人类智慧的结晶。人造卫星专家“穷奢极欲”，将各种世界上最先进的科技、特种材料和精密仪器统统应用于卫星。人造卫星的造价通常非常昂贵，一般价值在1～10亿美元，甚至有的军事卫星或气象卫星的价值高达上百亿美元。

根据卫星星历，卫星专家可以监测、指挥和控制卫星的飞行。卫星通常按照7.9千米/秒的第一宇宙速度飞行，一般飞行在高度220～36000千米的近地空间。卫星飞行高度越低，环绕地球一圈的时间就越短。卫星飞行高度越高，环绕地球一圈的时间则越长。卫星飞行在450千米的高度，环绕地球一圈大约需要90分钟。

按照地球自转方向，卫星轨道可分为顺行轨道和逆行轨道。按照飞行高度，卫星轨道分为低轨道、中轨道、高轨道和静止轨道。低轨道位于地球上空大约160～2000千米高度。中轨道位于2000～20000千米高度。高轨道位于20000～35786千米高度。静止轨道位于赤道上空35786千米高度。按照轨道倾角，卫星轨道分为赤道轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。

卫星一般都是独行侠，独自飞行。但有些卫星必须组成星座联合飞行，甚至覆盖全球，才能获得最大效用，如导航卫星、通信卫星、气象卫星和侦察卫星等。目前，世界上最大的卫星星座是美国太空探索技术公司的“星链”低轨道通信卫星。“星链”卫星是一种手机卫星，提供宽带互联网接入，覆盖全球，号称“一机在手，链接全球”。它采用星间光学链路、相控阵波束形成和数字处理技术。“星链”卫星由1.2萬颗卫星组成星座，最终达到约4.2万颗。它将是太空中最大的卫星星座。

卫星本身千变万化、功能强大，浑身闪耀着高科技的光芒。不过它既是人类智慧的结晶，也可能会成为人造垃圾。

名词卡片：

航天器轨道速度：航天器在中心力场内的运动速度。为了环绕地球轨道飞行，航天器的速度大约在27000千米/小时，即第一宇宙速度。世界上只有航天器才能达到这样的高速度。

轨道高度：行星或者各种飞行器的轨道与其中心天体表面之间的距离。航天器几乎不可能在100千米以下的轨道飞行。因为大气阻力和地球引力影响，飞行速度将迅速降低，非常容易坠落地球。航天器在超过100千米的高度飞行，才能保持轨道高度和速度。航天器在220千米以上的高度飞行才最安全，更容易实现长期飞行。航天器进入150千米高度以下，就再也回不到原有的高度，进入死亡轨道。