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本文作者：邢强博士 如今，太空垃圾给人类的太空探索带来了很大的威胁。世界各大航天强国也已经在轨道运行的安全性和国际化方面达成了一定程度的共识。在各国相互监督对方的太空活动时，有一项重要且秘密的试验，小火箭觉得在今天不得不挖掘和分析一下。感谢小火箭好友提供的珍贵资料，在通过考据、验证和计算后，当年那次试验的诸多细节终于被逐渐还原。 0.零点的决定 时光倒转，我们来到了公元1958年1月份的一个寒冷的午夜。 麻省理工学院林肯实验室的小沃尔特·莫洛博士接到了一个电话。 “莫洛博士，我觉得是时候该干一件大事了。相关的计算我已经做过很多遍了，我有把握。”电话那边有个按捺不住激动心情的声音斩钉截铁地说道。 圣诞节和新年的气氛还未完全消散，穿着睡衣的莫洛博士拉过一把椅子，开始认真地思索起来。给他打来这通电话的，是他的老朋友美国拉莫-伍德里奇公司的哈罗德·迈耶博士。迈耶如今在拉莫-伍德里奇公司工作，主攻方向为无线电通讯。拉莫-沃德里奇公司成立于1953年。 5年来，这家年轻的公司已经在无线电通讯设备、导弹制导控制器件甚至是洲际弹道导弹的制导算法方面都有了相当大的成就。而迈耶博士无论是在就读期间还是在拉莫-伍德里奇工作期间都以善于提出奇妙的问题并设法用非传统思维来解决而闻名。 他们已经就这个问题交换过多次意见。今天，窗外薄薄的一层积雪见证了莫洛博士下决心的一瞬间。 “那就开始吧！” 3个多月前，苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星。美国人虽然不甘落后，但是面对这一客观事实，还是不得不承认，人类的太空时代已经来临，而且美国并没有迈好第一步。迈耶博士和莫洛博士讨论的是一项具有开拓意义的工程：让人类通过太空轨道上运行的物体实现超远距离的通讯。迈耶的点子，需要莫洛博士的精密计算才能逐渐成为现实。 1.麻省理工的设计 两年转瞬即逝，1960年8月29日，在麻省理工学院林肯实验室的会议室里，33名科学家和美国军方的高级军官齐聚一堂，开始详细讨论太空通讯试验的细节。 美国军方提出了他们的需求：需要麻省理工学院提出一种可靠的全球通讯方案。部署在世界各地的情报部门和作战部队与美国总部的通讯当时主要依赖于海底电缆和短波电台。海底电缆有被苏联或者其他国家的深潜小组割断的风险，而短波电台的可靠性非常差，曾经有多次行动因天气原因造成的通讯中断而不得不提前中止。 几十年来致力于无线电波研究的芬得利博士向大家介绍了他对太空轨道飞行器反射无线电波的可行性的研究，给出了他的肯定意见。 大家基本上都认为用卫星来传输远距离的无线电信号是个好方案。 然而，海德尔博士却提出了否定意见。 海德尔博士来自著名的叶凯士天文台。这座天文台成立于1897年，由《天文与天文物理》杂志的编辑、知名天体物理学家、美国土豪乔治·海尔建立。叶凯士天文台拥有一台口径达40英寸（约1.016米）的折射望远镜，由光学大师克拉克设计建造，与天文台一起落成启用。这个望远镜至今（公元2016年）依然是地球上最大的折射式望远镜。 海德尔博士认为，虽然卫星可以接收并发送信号，但是，地面人员很难把信号汇聚到太空中高速飞行的卫星上面。的确，在上世纪60年代，人类借助叶凯士天文台巨大的天文望远镜已经能够拍摄3千7百万光年之外的梅西耶M51星系的照片了，但是对于近地轨道飞行的天体却难以跟踪。在场的人们顿时觉得被泼了一大盆冷水。 （这么清晰的M51星系的照片，是叶凯士天文台在1902年6月3日拍摄的。） 密西根大学的哈道克教授同意海德尔博士的看法。 而就在大家感觉一筹莫展的时候，林肯实验室的莫洛博士莞尔一笑，说道： “根本就不需要卫星，更不需要跟踪和对焦在近地轨道上以7千米每秒的速度飞行的人造天体。我们林肯实验室自有解决方案！” 就在大家瞠目结舌的时候，莫洛博士微笑着伸出一根手指，向在座的各位科学家展示着。只见好几根铜针相互交叠着沾在了他的食指上。这是他从雷-马格尼特电线公司（当时世界上最大的铜导线制造商）专门订制的铜针。每根铜针长1.78厘米，直径25.4微米。这些长约半寸，细若发丝的铜针就是莫洛博士的秘密武器。 莫洛博士和迈耶博士经过2年多的潜心研究，给出这样的解决方案： 将数亿根铜针发射到太空。当这些铜针逐渐散开后，就会形成一个环绕地球的铜针环带。而这个环带的任何一个部分都能够像镜子那样反射电磁波。地面基站向这个环带发射的电磁波会被环带反射到地面，只要在接受信号的地面站设置相应的解码设备，就能解读信号，实现信息的远距离传输！ 鉴于莫洛博士和林肯实验室在业内的口碑，经过简短的几次讨论之后，项目就通过了评审。于是，麻省理工学院林肯实验室承接下了整个计划的具体实施。 2.一座古老的小镇 1960年12月，圣诞节前夕，美国马塞诸塞州一个叫做西福特的小镇上的居民，好奇地看着几十辆军用卡车陆续驶入小镇。这座在1729年就已经有人聚居的古老小镇迎来了大量叫做发电站、雷达、编码解码机等奇怪名字的大型仪器设备。 小镇的人口也就在这一年发生了突变。自19世纪末以来，小镇人口一直在2000人以上，但要是维持在4000人的水平就有些吃力了。在20世纪50年代，二战后的婴儿潮让小镇人口达到了创纪录的4262人。但是，军方人员和科研人员的大量进驻，让这个叫做西福特的小镇的人口一跃达到了6261人。 原本叫做“铜针计划”的项目在这一年被正式更名为“西福特计划”，即以地面大型雷达站和编码解码设备的所在地来命名。 （具体坐标为：北纬42°34′45″，西经71°26′18″） 3.两枚火箭 四亿八千万根针 1961年10月上旬，一辆军用卡车驶入位于加利福尼亚州圣巴拉拉县的范登堡空军基地。车里的押运士兵好奇地看着那个被优质木板和大量防震材料包裹得严严实实的箱子。 箱子里面，就是“西福特计划”中，将要被送上太空的物体。范登堡空军基地的工程师将木箱小心翼翼地撬开并剥离防护层后，一个长方体黑箱子展示在他们面前。这个长51厘米，宽和高都为14厘米的箱子里面盛放的，是足足有4亿5千万根之多的铜针！ 技术人员仔细给铜针箱子称了重。别看这个箱子不大，却有19.5千克重。而专门用于在太空中播撒铜针的设备也已经准备就绪。工程师们将铜针悉数放入播撒器后，再次称了重量：总重40千克。称好重量的载荷被安置在阿金纳上面级中。
1961年10月21日，在范登堡空军基地的LC-1-2发射架上，一枚宇宙神-阿金纳B火箭拔地而起。（有关宇宙神火箭，详见小火箭的公号文章《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》）3台巨大的主发动机和2台小巧灵活的游动发动机怒吼着将携带铜针的播撒器送入近地轨道后，阿金纳上面级点火成功，把播撒器送入了距离地面3650千米，倾角为95.9°的轨道上。 位于西福特小镇的通讯技术人员屏息凝神，在等待接收器做出响应。然而，30多个小时过去了，除了背景噪声之外，他们一无所获。 麻省理工学院林肯实验室，这座成立于1951年，主要由美国国防部和美国联邦政府研究和发展中心资助的实验室，10年来，还从来没有在科研项目上遭受过如此重大的打击。莫洛博士和伯克纳博士这两位负责“西福特计划”的科学家在汉斯科姆空军基地互相看了看对方。他们知道，这么久都没有回音，这次试验几乎可以肯定是失败了。 但是，林肯实验室坚信，包括莫洛博士在内的科学家的计算是正确的。没能收到信号或许是播撒器的问题。在经过3次简短的沟通后，美国空军决定再给林肯实验室一次机会。
1963年5月9日，又一枚宇宙神-阿金纳B运载火箭在范登堡空军基地发射了。 （具体坐标为：北纬34°43′57″，西经120°34′05″） 这一次，火箭携带了升级版的铜针：长度依然为1.78厘米，不过直径由原来的25.4微米减小为17.8微米。这样，在不增加载荷重量的前提下，铜针的数量由之前的4亿5千万根增加到4亿8千万根。播撒器也进行了改进，开始更加注重播撒的均匀程度，以便保证在任何一个区域都有足够的铜针。 当天，阿金纳上面级运行良好，把播撒器精确送入近地点3500千米，远地点3850千米，倾角为87.5°的精心设计的轨道上。 4.来信号了！
西福特小镇的工程技术人员继续耐心等待信号。他们知道，如果这次依然没能实现通讯的话，美国空军极有可能砍掉这个在当初看起来就很有些天方夜谭味道的疯狂计划，把日渐捉襟见肘的经费让给洲际弹道导弹项目组，而麻省理工学院的声誉也会受到非常不好的影响。 不过，命运女神还是向他们露出了微笑。美国太平洋西部时间，公元1963年5月10日下午4点57分11秒，西福特小镇的接收设备突然发出了极富规律的滴答声，解码仪的探针开始在纸带上来回运动，随着纸带的匀速运转，麻省理工学院的标志信号清晰地呈现了出来。 简直不敢相信，在头顶上3000多千米高的地方以每秒数千米的速度飞速转动的云状铜针环带真的能够实现超远距离的信号传输。细心的通讯技术人员抓住机会，立刻做了一次扫频，并记录下了2个信号强度较高的波峰对应的频率：7750MHz和8350MHz。从频率上来看，这个频道已经进入了X波段。他们不知道，有关X波段雷达和相关的通讯、火控设备的研究，在21世纪成为了通信和导弹制导领域的大热门。
5.十条公约 然而，在太空探索领域，几乎是藏不住秘密的。全世界的天文爱好者、专业天文台、军方雷达等等无数双眼睛在时刻监视着在我们头上的天空和太空中发生的一切。 值得全世界天文爱好者骄傲的是，民间爱好者先于各种先进的军用雷达，发现了异常现象并以最快的速度做出了反应。1963年，英国皇家天文学会收集了会员报告的情况，并自行组织观测之后，向当时世界上有能力发射航天飞行器的国家发出了问询。之后，苏联军方开始严密关切。 1967年1月27日，美国、苏联和英国的航天技术人员代表、外交人员和法学专家坐到了一起，举行了一次会议。这次会议上，他们将要签署一份对我们现在的太空探索活动有着举足轻重影响的条约。（下图桌子中间是英国代表，英国人的左手一侧为正在签字的美国代表，右手一侧为苏联代表。）
在会议上，美国暗示了对苏联有太空军事化倾向的不满。而就在此时，没等美国展开论述种种话题，苏联就非常及时地拿出了铁证，结结实实地将了美国一军。 经过将近4年的观测和计算（实际上一定也包含情报的搜集和整理），苏联指出： 美国于1963年在平均轨道高度为3700千米的轨道上，未与其他国家商议，就擅自散布了大量不明金属物体，在90°倾角轨道附近，制造了一个宽15千米，厚度为30千米，周长达63322千米的一个金属环带。该环带对某些频段，尤其是X波段信号有很强的反射作用，干扰了其他国家的电磁波环境。另外，因为这些不明金属物体的存在，大量轨道被占用，严重影响了未来人类进行太空探索的活动。 虽然美国方面做了相关测算，认为大部分铜针应该在1967年之前就已经坠入大气层烧毁了，但是面对英国、苏联官方以及民间组织的质疑，美国还是理亏了。此时林肯实验室的科研人员的心情或许是复杂的。该试验的成功得到了铁幕另一边的苏联技术人员的详细观测和客观层面上的肯定，不过也的确污染了太空环境。 在这次会议上，人类历史上最早的具有普遍约束力的太空法规——《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外太空活动所应遵守原则的条约》诞生了。这部条约如今被很多国家简称为《外层空间条约》，或者尊称为《太空宪法》。该条约是目前几乎一切国际空间法的基础。条约中规定了10条各国应当严格遵守的原则： 原则一：共同利益原则。任何国家，无论科技或经济发展水平如何，其探索和利用外太空的首要目的，应当是为全人类谋福利。 原则二：自由探索原则。各国应在平等的基础上，根据国际法自由地探索和利用外层空间，自由进出外太空的一切区域。 原则三：禁止据为己有原则。任何国家不得向外层空间提出主权要求。 原则四：限制军事化原则。任何国家都不得在外层空间部署核武器或者其他任何大规模杀伤性武器。 原则五：人道援救原则。任何国家的宇航员遇险时，其他有能力的国家应给予他们一切可能的援助。 原则六：国家责任原则。各国应对其航天活动承担应有的国际责任，而且无论这种活动是由政府部门还是由非政府部门进行的。 原则七：空间物体管辖和控制原则。各国对自己发射到外层空间的物体保有管辖权和控制权。 原则八：物体登记原则。所有进行太空探索活动的国家均应该尽最大可能将活动情况及时通知联合国秘书长。 原则九：保护环境原则。太空活动应避免使太空遭受有害污染，同时要尽量防止地外不明物质对地球产生不利影响。 原则十：国际合作原则。各国从事探索活动的时候，应该互帮互助。 该条约经联合国大会批准，于公元1967年10月10日生效，有效期为无限长。如今，包括中国在内的联合国安全理事会五大常任理事国全力支持该条约，已经有104个国家和地区以法律的形式正式签署和确认了该条约的有效性。另外，小火箭注意到，本着本国自愿、多方敦促的理念，朝鲜在2009年5月5日签署了该条约，卡塔尔于2012年5月13日正式签署条约，立陶宛也于2013年5月25日正式承认该条约。 6.百年孤寂
4亿8千万根铜针让林肯实验室的科研人员完成了人类历史上的首次太空X波段无线电反射超远距离传输试验，前无古人（实际上，迄今为止也是后无来者）。但是，他们也的确做了让世界上其他国家感觉窘迫的事情，当小火箭在太空垃圾越来越多的今天挖掘和反思整个事件本身的时候，不禁感慨万千。好在这次事件让全世界有志于太空和平的人坐下来，好好谈了谈并催生了有《太空宪法》之美称的《外层空间条约》。
当年意气风发的莫洛博士在1963年的试验成功之后，继续进行着太空和通讯相关的研究。14年之后，于1977年4月1日晋升为麻省理工学院林肯实验室的主任，并在该职务上一直工作到1998年6月30日。莫洛博士在任期间，林肯实验室又做出了不少发明。相控阵雷达理论、T/R模块的研发、地杂波与海杂波的滤波算法、远程雷达与目标识别算法（为THAAD导弹项目提供了强有力的技术支持）、激光雷达、远程毫米波雷达、宽带成像雷达、L波段单脉冲体制、某些反导导弹制导控制算法等等均与林肯实验室高度相关。
当年那座处于“西福特计划”核心区的西福特小镇，因为大量研究人员的进驻，开始形成自己独特的技术城镇文化。如今的西福特镇，已经成了一座以高科技为支柱产业的拥有2万多人（其中印度人占5.7%、中国人占5.2%、韩国人占0.6%、日本人占0.2%）的城镇。以研发VoIP 基础设施闻名的美国圣思网络公司、以Linux系统开发著称的红帽公司、硬盘生产商希捷公司、Iris协会、三星公司等均在这里设置了办公室或研发中心。 而如今，地面天线的跟踪技术和卫星天线的高增益使得当初美国采用铜针的方案变得不再必要了。 但是，又一个问题来了：那些铜针后来去哪里了？ 虽然当初林肯实验室的轨道设计人员估计大部分铜针会在3年之内坠毁在大气层内。但是，在光压、引力摄动等因素的影响下，很多铜针并没有乖乖地进入大气层，而是继续飘荡在太空，成为了航天器和舱外宇航员的威胁。 小火箭在此感谢麻省理工学院林肯实验室的麦克莱伦博士、莱德福德博士和科罗拉多太空战争研究中心的鲍曼博士提供的珍贵原始数据。 实际上，美国一直没有中断对这些铜针的观测和跟踪。在1968年，也就是那次试验成功5年后，有40%的铜针（约1亿9千万根）坠入了大气焚毁，而另外2亿9千万根铜针在太空中漂浮了37年，到2000年依然有观测和跟踪的记录。（比较可惜的是，小火箭无法拿到2000年之后的观测数据。） 按照之前37年的数据和轨道动力学相关计算，小火箭和几位好友进行了轨道外推估计，剩余的铜针会呈一个逐渐发散的断续环状云团的形式存在。我们经过多次计算、讨论和比对，最后给出了3组置信度相对较高的估计值。 保守估计，仍有5千万至1亿5千万根铜针在太空。如果铜针依旧维持在原轨道附近的话，它们或许分布在以下3组轨道中的1组或者是以较大的散布区间存在于3组轨道的包络区间内： 第一组：近地点3426 千米，远地点3464千米，轨道倾角 91.17°; 第二组：近地点2786千米，远地点3408千米，轨道倾角 86.65°； 第三组：近地点3496千米，远地点3756千米，轨道倾角95.89°。
如果乐观估计的话，这些铜针或许已经进入一个偏心率为0.169的椭圆轨道。 预估轨道为： 近地点578.2千米，远地点3417千米，轨道倾角88.39°。 这些铜针将会以每24小时绕地球11.33圈的速度继续绕地球飞行。若干铜针，或许会在宇宙空间中沉寂百年。 另外，小火箭呼吁相关爱好者组织或者军方对铜针云进行进一步地跟踪和分析，以便获取更多数据进行统计和对比计算。 感谢大家对小火箭的支持！ |
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