劉進軍

每當遙望天空之時，你也許會想：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，美國萊特兄弟的第一架動力飛機——“飛行者-1號”試飛成功，震撼了世界。此后，美國、法國、英國、德國、意大利和中國相繼掀起了飛行熱，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人——亨利·法爾曼。他是首位駕駛飛機的歐洲人，最終成為飛行家和飛機設(shè)計師。在早期的飛行活動中，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錄。當飛行結(jié)束后，西奧多·馮·卡門從人群中擠過去，與亨利·法爾曼留下一段精彩的對話：“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飛不上天的。為什么飛機會飛上天？你是怎么飛上天的？”

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

在回家的路上，西奧多·馮·卡門坐在車內(nèi)久久地沉思：為什么飛機能夠飛上天？是飛機外型、空氣、動力和速度造成的？他對身旁的一位記者說：“偉人的話看來也不一定都對?，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)立刻吹過手背，涼涼的，嗖嗖響，具有速度感。這里蘊藏有多少科學(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。我總有一天會向亨利·法爾曼解釋清楚，為什么飛機能上天的道理?！边@次參觀對西奧多·馮·卡門影響深遠，讓他走上了畢生從事研究空氣動力學(xué)的道路。

西奧多·馮·卡門（匈牙利人，美國物理學(xué)家）被公認為是“世界超音速之父”，他主要研究空氣動力學(xué)，尤其對應(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)的貢獻巨大。他運用數(shù)學(xué)原理研究流體力學(xué)和空氣動力學(xué)，指導(dǎo)實際設(shè)計，為世界航空航天領(lǐng)域的發(fā)展作出了偉大的貢獻，是20世紀最偉大的科學(xué)家之一。1960年，美國宇航局噴氣推進實驗室主任威廉姆·皮克林博士曾評價道：“如果沒有西奧多·馮·卡門，那么我們就不會有航空航天科學(xué)。”

分界線之爭

自古以來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或太空的起點。這不但是一個科學(xué)和標準問題，而且還關(guān)系到領(lǐng)空、國家主權(quán)和法律等國家利益。關(guān)于天空與太空的爭論由來已久，主要分為“高度論”、“空氣論”和“功能論”3個派別。

高度論的支持者認為，應(yīng)以空間的某種高度來劃分領(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為，應(yīng)以不同的空氣構(gòu)成為依據(jù)來劃分空間界限。其中，有人認為，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)萬千米高度都存在空氣，因而出現(xiàn)以幾十、幾百、幾千、上萬千米為界的不同主張，這么一來反而沒有了標準。

功能論的支持者認為，應(yīng)根據(jù)飛行器的功能來確定其所適用的法律。如果是航天器，其活動為航天活動，那么應(yīng)適用太空法。如果是航空器，其活動為航空活動，那么應(yīng)適用航空法。整個空間是一個整體，沒有劃分領(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)疑難問題就能迎刃而解了。

太空的起點

那么，哪里是天空，哪里又是太空呢？西奧多·馮·卡門靈機一動，想出了一個金點子。他從空氣動力學(xué)的角度定義了天空的概念，首先解決了海拔高度計算，他認為“如果航空器進入100千米高度的空間，地球大氣層的空氣變得太稀薄，沒有任何航空器能在此高度上從大氣中獲得空氣來提高自身氣動升力，獲得足夠的動力和能力進行高速飛行。此外，此處大氣溫度和太陽輻射的突然增減和互動，也令航空器無法實現(xiàn)飛行?！敝螅鲓W多·馮·卡門又從太空動力學(xué)的角度，即從軌道速度、軌道高度及物理關(guān)系來定義太空的概念。

為太空畫一條起跑線！西奧多·馮·卡門認為：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100千米為起點和標準。科學(xué)家經(jīng)過計算后，大都對100千米為太空起點表示贊同，并希望作為正式的劃界標準。事實上，100千米又是一個很容易記憶的數(shù)字，為未來的分界線指定方向。

位于日內(nèi)瓦的國際航空聯(lián)合會支持西奧多·馮·卡門的科學(xué)論證：以海拔100千米的高度為分界線，作為天空的終點線和太空的起點線。后來，國際航空聯(lián)合會以西奧多·馮·卡門的名字命名了這條看不見的分界線——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，受到全世界大多數(shù)國家和科學(xué)家的認同。

不過，隨著科技的進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50年代，美國空軍的多名飛行員多次駕駛“X-15”火箭飛機，突破卡門線，進入100多千米以上的太空。美國宇航局為飛行員們授予宇航員證書。20世紀80年代，美國國防偵察局的“鎖眼-11號”照相偵察衛(wèi)星多次從240千米的高度，俯沖到90多千米的高度進行偵察?？ㄩT線的界限開始模糊了，但它仍然是太空的起點，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，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，目前世界各國總共發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)多達上千顆。截至2019年1月，光美國就差不多累計發(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，點火！”1957年10月4日晚，世界上第一顆人造衛(wèi)星——“衛(wèi)星-1號”發(fā)射成功?！靶l(wèi)星-1號”運行在近地點228千米，遠地點947千米，軌道傾角65°，軌道周期96.2分鐘，飛行在29000千米/小時的軌道上。它在軌運行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”其貌不揚，只是發(fā)出“嘟、嘟、嘟”的信號聲，但卻向全世界宣告了人類從此進入了太空時代，具有偉大的里程碑意義。當時，世界各國的報紙、電臺和電視臺等媒體都爭相報道了“衛(wèi)星-1號”發(fā)射成功的消息。當年，美國國務(wù)卿杜勒斯不解地問美國報刊和電影大王威廉·赫斯勒：“為什么人們圍繞這個‘鐵塊大作文章？”威廉·赫斯勒意味深長地回答：“這個‘鐵塊將讓人類生活進步幾個世紀。”

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)繞行星運行一圈以上的航天器，稱為“人造衛(wèi)星”（簡稱衛(wèi)星）。當人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運行，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1萬個航天器，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，主要分類多達幾百種，而且還將越來越多。

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、太空探索、太空通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和科學(xué)實驗等。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)星星體長近20米，大天線達150多米;最重的衛(wèi)星質(zhì)量重達100多噸;最小、最輕的衛(wèi)星只有一張郵票大小，號稱“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)計壽命和實際壽命之分。目前，世界上設(shè)計壽命最長的衛(wèi)星達18年，實際壽命最短的只有幾天，甚至幾小時。有的衛(wèi)星的實際壽命超過設(shè)計壽命的幾倍。

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)星的造價通常非常昂貴，一般價值在1～10億美元，甚至有的軍事衛(wèi)星或氣象衛(wèi)星的價值高達上百億美元。

根據(jù)衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星專家可以監(jiān)測、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)繞地球一圈的時間就越短。衛(wèi)星飛行高度越高，環(huán)繞地球一圈的時間則越長。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、極地軌道和太陽同步軌道等。

衛(wèi)星一般都是獨行俠，獨自飛行。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)星是一種手機衛(wèi)星，提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，覆蓋全球，號稱“一機在手，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1.2萬顆衛(wèi)星組成星座，最終達到約4.2萬顆。它將是太空中最大的衛(wèi)星星座。

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

名詞卡片：

航天器軌道速度：航天器在中心力場內(nèi)的運動速度。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，即第一宇宙速度。世界上只有航天器才能達到這樣的高速度。

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。因為大氣阻力和地球引力影響，飛行速度將迅速降低，非常容易墜落地球。航天器在超過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，更容易實現(xiàn)長期飛行。航天器進入150千米高度以下，就再也回不到原有的高度，進入死亡軌道。