秘密試驗！美國向太空發射的4億8千萬根銅針

小火箭出品

本文作者：邢強博士

原文題目：秘密試驗！美國向太空發射的4億8千萬根銅針

如今，太空垃圾給人類的太空探索帶來了很大的威脅。世界各大航天強國也已經在軌道運行的安全性和國際化方面達成了一定程度的共識。在各國相互監督對方的太空活動時，有一項重要且秘密的試驗，小火箭覺得在今天不得不挖掘和分析一下。感謝小火箭好友提供的珍貴資料，在通過考據、驗證和計算後，當年那次試驗的諸多細節終於被逐漸還原。

0.零點的決定

時光倒轉，我們來到了公元1958年1月份的一個寒冷的午夜。

麻省理工學院林肯實驗室的小沃爾特·莫洛博士接到了一個電話。

「莫洛博士，我覺得是時候該干一件大事了。相關的計算我已經做過很多遍了，我有把握。」電話那邊有個按捺不住激動心情的聲音斬釘截鐵地說道。

聖誕節和新年的氣氛還未完全消散，穿著睡衣的莫洛博士拉過一把椅子，開始認真地思索起來。給他打來這通電話的，是他的老朋友美國拉莫-伍德里奇公司的哈羅德·邁耶博士。邁耶如今在拉莫-伍德里奇公司工作，主攻方向為無線電通訊。拉莫-沃德里奇公司成立於1953年。

5年來，這家年輕的公司已經在無線電通訊設備、導彈制導控制器件甚至是洲際彈道導彈的制導演算法方面都有了相當大的成就。而邁耶博士無論是在就讀期間還是在拉莫-伍德里奇工作期間都以善於提出奇妙的問題並設法用非傳統思維來解決而聞名。

他們已經就這個問題交換過多次意見。今天，窗外薄薄的一層積雪見證了莫洛博士下決心的一瞬間。

「那就開始吧！」

3個多月前，蘇聯成功發射了人類第一顆人造地球衛星。美國人雖然不甘落後，但是面對這一客觀事實，還是不得不承認，人類的太空時代已經來臨，而且美國並沒有邁好第一步。邁耶博士和莫洛博士討論的是一項具有開拓意義的工程：讓人類通過太空軌道上運行的物體實現超遠距離的通訊。邁耶的點子，需要莫洛博士的精密計算才能逐漸成為現實。

1.麻省理工的設計

兩年轉瞬即逝，1960年8月29日，在麻省理工學院林肯實驗室的會議室里，33名科學家和美國軍方的高級軍官齊聚一堂，開始詳細討論太空通訊試驗的細節。

美國軍方提出了他們的需求：需要麻省理工學院提出一種可靠的全球通訊方案。部署在世界各地的情報部門和作戰部隊與美國總部的通訊當時主要依賴于海底電纜和短波電台。海底電纜有被蘇聯或者其他國家的深潛小組割斷的風險，而短波電台的可靠性非常差，曾經有多次行動因天氣原因造成的通訊中斷而不得不提前中止。

幾十年來致力於無線電波研究的芬得利博士向大家介紹了他對太空軌道飛行器反射無線電波的可行性的研究，給出了他的肯定意見。

大家基本上都認為用衛星來傳輸遠距離的無線電信號是個好方案。

然而，海德爾博士卻提出了否定意見。

海德爾博士來自著名的葉凱士天文台。這座天文台成立於1897年，由《天文與天文物理》雜誌的編輯、知名天體物理學家、美國土豪喬治·海爾建立。葉凱士天文台擁有一台口徑達40英寸（約1.016米）的折射望遠鏡，由光學大師克拉克設計建造，與天文台一起落成啟用。這個望遠鏡至今（公元2016年）依然是地球上最大的折射式望遠鏡。

海德爾博士認為，雖然衛星可以接收並發送信號，但是，地面人員很難把信號匯聚到太空中高速飛行的衛星上面。的確，在上世紀60年代，人類藉助葉凱士天文台巨大的天文望遠鏡已經能夠拍攝3千7百萬光年之外的梅西耶M51星系的照片了，但是對於近地軌道飛行的天體卻難以跟蹤。在場的人們頓時覺得被潑了一大盆冷水。

（這麼清晰的M51星系的照片，是葉凱士天文台在1902年6月3日拍攝的。）

密西根大學的哈道克教授同意海德爾博士的看法。

而就在大家感覺一籌莫展的時候，林肯實驗室的莫洛博士莞爾一笑，說道：

「根本就不需要衛星，更不需要跟蹤和對焦在近地軌道上以7千米每秒的速度飛行的人造天體。我們林肯實驗室自有解決方案！」

就在大家瞠目結舌的時候，莫洛博士微笑著伸出一根手指，向在座的各位科學家展示著。只見好幾根銅針相互交疊著沾在了他的食指上。這是他從雷-馬格尼特電線公司（當時世界上最大的銅導線製造商）專門訂製的銅針。每根銅針長1.78厘米，直徑25.4微米。這些長約半寸，細若髮絲的銅針就是莫洛博士的秘密武器。

莫洛博士和邁耶博士經過2年多的潛心研究，給出這樣的解決方案：

將數億根銅針發射到太空。當這些銅針逐漸散開後，就會形成一個環繞地球的銅針環帶。而這個環帶的任何一個部分都能夠像鏡子那樣反射電磁波。地面基站向這個環帶發射的電磁波會被環帶反射到地面，只要在接受信號的地面站設置相應的解碼設備，就能解讀信號，實現信息的遠距離傳輸！

鑒於莫洛博士和林肯實驗室在業內的口碑，經過簡短的幾次討論之後，項目就通過了評審。於是，麻省理工學院林肯實驗室承接下了整個計劃的具體實施。

2.一座古老的小鎮

1960年12月，聖誕節前夕，美國馬塞諸塞州一個叫做西福特的小鎮上的居民，好奇地看著幾十輛軍用卡車陸續駛入小鎮。這座在1729年就已經有人聚居的古老小鎮迎來了大量叫做發電站、雷達、編碼解碼機等奇怪名字的大型儀器設備。

小鎮的人口也就在這一年發生了突變。自19世紀末以來，小鎮人口一直在2000人以上，但要是維持在4000人的水平就有些吃力了。在20世紀50年代，二戰後的嬰兒潮讓小鎮人口達到了創紀錄的4262人。但是，軍方人員和科研人員的大量進駐，讓這個叫做西福特的小鎮的人口一躍達到了6261人。

原本叫做「銅針計劃」的項目在這一年被正式更名為「西福特計劃」，即以地面大型雷達站和編碼解碼設備的所在地來命名。

（具體坐標為：

北緯42°34′45″，西經71°26′18″）

3.兩枚火箭 四億八千萬根針

1961年10月上旬，一輛軍用卡車駛入位於加利福尼亞州聖巴拉拉縣的范登堡空軍基地。車裡的押運士兵好奇地看著那個被優質木板和大量防震材料包裹得嚴嚴實實的箱子。

箱子裡面，就是「西福特計劃」中，將要被送上太空的物體。范登堡空軍基地的工程師將木箱小心翼翼地撬開並剝離防護層後，一個長方體黑箱子展示在他們面前。這個長51厘米，寬和高都為14厘米的箱子裡面盛放的，是足足有4億5千萬根之多的銅針！

技術人員仔細給銅針箱子稱了重。別看這個箱子不大，卻有19.5千克重。而專門用於在太空中播撒銅針的設備也已經準備就緒。工程師們將銅針悉數放入播撒器後，再次稱了重量：總重40千克。稱好重量的載荷被安置在阿金納上面級中。

1961年10月21日，在范登堡空軍基地的LC-1-2發射架上，一枚宇宙神-阿金納B火箭拔地而起。（有關宇宙神火箭，詳見小火箭的公號文章《從美國最早的洲際彈道導彈看項目管理》）3台巨大的主發動機和2台小巧靈活的遊動發動機怒吼著將攜帶銅針的播撒器送入近地軌道後，阿金納上面級點火成功，把播撒器送入了距離地面3650千米，傾角為95.9°的軌道上。

位於西福特小鎮的通訊技術人員屏息凝神，在等待接收器做出響應。然而，30多個小時過去了，除了背景雜訊之外，他們一無所獲。

麻省理工學院林肯實驗室，這座成立於1951年，主要由美國國防部和美國聯邦政府研究和發展中心資助的實驗室，10年來，還從來沒有在科研項目上遭受過如此重大的打擊。莫洛博士和伯克納博士這兩位負責「西福特計劃」的科學家在漢斯科姆空軍基地互相看了看對方。他們知道，這麼久都沒有迴音，這次試驗幾乎可以肯定是失敗了。

但是，林肯實驗室堅信，包括莫洛博士在內的科學家的計算是正確的。沒能收到信號或許是播撒器的問題。在經過3次簡短的溝通後，美國空軍決定再給林肯實驗室一次機會。

1963年5月9日，又一枚宇宙神-阿金納B運載火箭在范登堡空軍基地發射了。

（具體坐標為：

北緯34°43′57″，西經120°34′05″）

這一次，火箭攜帶了升級版的銅針：長度依然為1.78厘米，不過直徑由原來的25.4微米減小為17.8微米。這樣，在不增載入荷重量的前提下，銅針的數量由之前的4億5千萬根增加到4億8千萬根。播撒器也進行了改進，開始更加註重播撒的均勻程度，以便保證在任何一個區域都有足夠的銅針。

當天，阿金納上面級運行良好，把播撒器精確送入近地點3500千米，遠地點3850千米，傾角為87.5°的精心設計的軌道上。

4.來信號了！

西福特小鎮的工程技術人員繼續耐心等待信號。他們知道，如果這次依然沒能實現通訊的話，美國空軍極有可能砍掉這個在當初看起來就很有些天方夜譚味道的瘋狂計劃，把日漸捉襟見肘的經費讓給洲際彈道導彈項目組，而麻省理工學院的聲譽也會受到非常不好的影響。

不過，命運女神還是向他們露出了微笑。美國太平洋西部時間，公元1963年5月10日下午4點57分11秒，西福特小鎮的接收設備突然發出了極富規律的滴答聲，解碼儀的探針開始在紙帶上來回運動，隨著紙帶的勻速運轉，麻省理工學院的標誌信號清晰地呈現了出來。

簡直不敢相信，在頭頂上3000多千米高的地方以每秒數千米的速度飛速轉動的雲狀銅針環帶真的能夠實現超遠距離的信號傳輸。細心的通訊技術人員抓住機會，立刻做了一次掃頻，並記錄下了2個信號強度較高的波峰對應的頻率：7750MHz和8350MHz。從頻率上來看，這個頻道已經進入了X波段。他們不知道，有關X波段雷達和相關的通訊、火控設備的研究，在21世紀成為了通信和導彈制導領域的大熱門。

5.十條公約

然而，在太空探索領域，幾乎是藏不住秘密的。全世界的天文愛好者、專業天文台、軍方雷達等等無數雙眼睛在時刻監視著在我們頭上的天空和太空中發生的一切。

值得全世界天文愛好者驕傲的是，民間愛好者先於各種先進的軍用雷達，發現了異常現象並以最快的速度做出了反應。1963年，英國皇家天文學會收集了會員報告的情況，並自行組織觀測之後，向當時世界上有能力發射航天飛行器的國家發出了問詢。之後，蘇聯軍方開始嚴密關切。

1967年1月27日，美國、蘇聯和英國的航天技術人員代表、外交人員和法學專家坐到了一起，舉行了一次會議。這次會議上，他們將要簽署一份對我們現在的太空探索活動有著舉足輕重影響的條約。（下圖桌子中間是英國代表，英國人的左手一側為正在簽字的美國代表，右手一側為蘇聯代表。）

在會議上，美國暗示了對蘇聯有太空軍事化傾向的不滿。而就在此時，沒等美國展開論述種種話題，蘇聯就非常及時地拿出了鐵證，結結實實地將了美國一軍。

經過將近4年的觀測和計算（實際上一定也包含情報的搜集和整理），蘇聯指出：

美國於1963年在平均軌道高度為3700千米的軌道上，未與其他國家商議，就擅自散布了大量不明金屬物體，在90°傾角軌道附近，製造了一個寬15千米，厚度為30千米，周長達63322千米的一個金屬環帶。該環帶對某些頻段，尤其是X波段信號有很強的反射作用，干擾了其他國家的電磁波環境。另外，因為這些不明金屬物體的存在，大量軌道被佔用，嚴重影響了未來人類進行太空探索的活動。

雖然美國方面做了相關測算，認為大部分銅針應該在1967年之前就已經墜入大氣層燒毀了，但是面對英國、蘇聯官方以及民間組織的質疑，美國還是理虧了。此時林肯實驗室的科研人員的心情或許是複雜的。該試驗的成功得到了鐵幕另一邊的蘇聯技術人員的詳細觀測和客觀層面上的肯定，不過也的確污染了太空環境。

在這次會議上，人類歷史上最早的具有普遍約束力的太空法規——《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》誕生了。這部條約如今被很多國家簡稱為《外層空間條約》，或者尊稱為《太空憲法》。該條約是目前幾乎一切國際空間法的基礎。條約中規定了10條各國應當嚴格遵守的原則：

原則一：共同利益原則。任何國家，無論科技或經濟發展水平如何，其探索和利用外太空的首要目的，應當是為全人類謀福利。

原則二：自由探索原則。各國應在平等的基礎上，根據國際法自由地探索和利用外層空間，自由進出外太空的一切區域。

原則三：禁止據為己有原則。任何國家不得向外層空間提出主權要求。

原則四：限制軍事化原則。任何國家都不得在外層空間部署核武器或者其他任何大規模殺傷性武器。

原則五：人道援救原則。任何國家的宇航員遇險時，其他有能力的國家應給予他們一切可能的援助。

原則六：國家責任原則。各國應對其航天活動承擔應有的國際責任，而且無論這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的。

原則七：空間物體管轄和控制原則。各國對自己發射到外層空間的物體保有管轄權和控制權。

原則八：物體登記原則。所有進行太空探索活動的國家均應該盡最大可能將活動情況及時通知聯合國秘書長。

原則九：保護環境原則。太空活動應避免使太空遭受有害污染，同時要盡量防止地外不明物質對地球產生不利影響。

原則十：國際合作原則。各國從事探索活動的時候，應該互幫互助。

該條約經聯合國大會批准，於公元1967年10月10日生效，有效期為無限長。如今，包括中國在內的聯合國安全理事會五大常任理事國全力支持該條約，已經有104個國家和地區以法律的形式正式簽署和確認了該條約的有效性。另外，小火箭注意到，本著本國自願、多方敦促的理念，朝鮮在2009年5月5日簽署了該條約，卡達於2012年5月13日正式簽署條約，立陶宛也於2013年5月25日正式承認該條約。

6.百年孤寂

4億8千萬根銅針讓林肯實驗室的科研人員完成了人類歷史上的首次太空X波段無線電反射超遠距離傳輸試驗，前無古人（實際上，迄今為止也是後無來者）。但是，他們也的確做了讓世界上其他國家感覺窘迫的事情，當小火箭在太空垃圾越來越多的今天挖掘和反思整個事件本身的時候，不禁感慨萬千。好在這次事件讓全世界有志於太空和平的人坐下來，好好談了談並催生了有《太空憲法》之美稱的《外層空間條約》。

當年意氣風發的莫洛博士在1963年的試驗成功之後，繼續進行著太空和通訊相關的研究。14年之後，於1977年4月1日晉陞為麻省理工學院林肯實驗室的主任，並在該職務上一直工作到1998年6月30日。莫洛博士在任期間，林肯實驗室又做出了不少發明。相控陣雷達理論、T/R模塊的研發、地雜波與海雜波的濾波演算法、遠程雷達與目標識別演算法（為THAAD導彈項目提供了強有力的技術支持）、激光雷達、遠程毫米波雷達、寬頻成像雷達、L波段單脈衝體制、某些反導導彈制導控制演算法等等均與林肯實驗室高度相關。

當年那座處於「西福特計劃」核心區的西福特小鎮，因為大量研究人員的進駐，開始形成自己獨特的技術城鎮文化。如今的西福特鎮，已經成了一座以高科技為支柱產業的擁有2萬多人（其中印度人佔5.7%、中國人佔5.2%、韓國人佔0.6%、日本人佔0.2%）的城鎮。以研發VoIP 基礎設施聞名的美國聖思網路公司、以Linux系統開發著稱的紅帽公司、硬碟生產商希捷公司、Iris協會、三星公司等均在這裡設置了辦公室或研發中心。

而如今，地面天線的跟蹤技術和衛星天線的高增益使得當初美國採用銅針的方案變得不再必要了。

但是，又一個問題來了：那些銅針後來去哪裡了？

雖然當初林肯實驗室的軌道設計人員估計大部分銅針會在3年之內墜毀在大氣層內。但是，在光壓、引力攝動等因素的影響下，很多銅針並沒有乖乖地進入大氣層，而是繼續飄蕩在太空，成為了航天器和艙外宇航員的威脅。

小火箭在此感謝麻省理工學院林肯實驗室的麥克萊倫博士、萊德福德博士和科羅拉多太空戰爭研究中心的鮑曼博士提供的珍貴原始數據。

實際上，美國一直沒有中斷對這些銅針的觀測和跟蹤。在1968年，也就是那次試驗成功5年後，有40%的銅針（約1億9千萬根）墜入了大氣焚毀，而另外2億9千萬根銅針在太空中漂浮了37年，到2000年依然有觀測和跟蹤的記錄。（比較可惜的是，小火箭無法拿到2000年之後的觀測數據。）

按照之前37年的數據和軌道動力學相關計算，小火箭和幾位好友進行了軌道外推估計，剩餘的銅針會呈一個逐漸發散的斷續環狀雲團的形式存在。我們經過多次計算、討論和比對，最後給出了3組置信度相對較高的估計值。

保守估計，仍有5千萬至1億5千萬根銅針在太空。如果銅針依舊維持在原軌道附近的話，它們或許分布在以下3組軌道中的1組或者是以較大的散布區間存在於3組軌道的包絡區間內：

第一組：近地點3426 千米，遠地點3464千米，軌道傾角 91.17°;

第二組：近地點2786千米，遠地點3408千米，軌道傾角 86.65°；

第三組：近地點3496千米，遠地點3756千米，軌道傾角95.89°。

如果樂觀估計的話，這些銅針或許已經進入一個偏心率為0.169的橢圓軌道。

預估軌道為：

近地點578.2千米，遠地點3417千米，軌道傾角88.39°。

這些銅針將會以每24小時繞地球11.33圈的速度繼續繞地球飛行。若干銅針，或許會在宇宙空間中沉寂百年。

另外，小火箭呼籲相關愛好者組織或者軍方對銅針雲進行進一步地跟蹤和分析，以便獲取更多數據進行統計和對比計算。

感謝大家對小火箭的支持！

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