[柯南]克拉克先生的轨道

2002

您	所在的位置：三思→三思小百科→天文与空间科学

克拉克先生的轨道

柯南

定律三：任何非常先进的技术，初看都与魔法无异　——克拉克基本定律^①

　　《与拉玛相会》、《2001：太空奥德赛》，这是科幻迷耳熟能详的作品。它们的作者是英国科幻大师阿瑟·克拉克。克拉克先生著有60多本著作，他的影响力遍及全球的每一个角落——不仅仅是因为他的科幻作品，也因为他的一个天才的构想。

　　阿瑟·克拉克1917年12月16日出生于英格兰萨默塞特的一个海边小镇。1941年，他加入了英国皇家空军，从事雷达方面的工作。在此之前他就是英国行星际协会的成员。

军官的天才设想

　　1945年，在发表在《无线电世界》（Wireless World）的一封名叫《V-2的电离层研究》^②的信中，克拉克提到：

　　一颗24小时环绕地球一周的人造地球卫星，亦即相对于地面某点静止不动，将可以“看到”大约半个地球。3颗间隔120°排列的这种卫星，可以实现电视和微波的全球覆盖。

　　数月后，也就是在二战即将结束的1945年，他将此想法写成了一篇论文，发表在了《无线电世界》1945年10月号上，这篇文章就是后来著名的《地外中继——卫星可以实现全球无线电覆盖吗？》（Extra-Terrestrial Relays，Can Rocket Stations Give World-wide Coverage?）论文。

点击左图放大

　　我们知道，很多无线电波，比如短波，不用借助特别的手段就可以实现全球覆盖——它们可以依靠电离层的反射而传播。但是频率更高的无线电波，比如微波或电视的甚高频（VHF）波就没有这没幸运了。它们直来直去，电离层对它们形同虚设。在当时还没有什么技术手段可以让微波传送到很远的地方以外。

　　在《地外中继》这篇论文中，克拉克计算出：

　　一颗距离地面36 000km（距地心42 000km）的卫星，环绕地球运行的时间恰好是一天，也就是说，这颗卫星相对地面某一点是静止的。

　　事实上，今天的中学生也可以计算出这样的结论。根据

　　　　　　rω² = 4πr²/T² = MG/r²

　　当T=86 164.1s的时候，r=42 168km。减去地球平均半径，我们的结论就是大约36 000km。

　　这种卫星运行的轨道后来被人们称之为地球静止卫星轨道（geo-stationary　 orbit），即倾角为零的地球同步轨道。地球静止卫星轨道在赤道平面上。对于地球上的人们来说，处在地球静止卫星轨道上的卫星永远挂在天空中的某个位置，通过固定的天线就可以接收卫星的信号。

　　更惊人的设想是，克拉克提出，在地球静止卫星轨道上，间隔120°均匀放置3颗同样的卫星，每一颗卫星的信号可以覆盖大约40%的地球面积。这样以来，通过地面－卫星和卫星－卫星之间的通讯，就可以实现把诸如微波这样的信号送到全世界任何一个角落的目标^③。

　　克拉克还预言了卫星食——人造地球卫星在一年中的特定时刻会进入地球的阴影区。这时，卫星得不到阳光，将会停止工作。至今，卫星食也还是设计通讯卫星时必须考虑的一个问题。

　　在1945年，这种地外中继的技术听起来如同魔法一般：人们还制造不出有如此威力的运载工具；电子技术也不够先进。克拉克当时承认，他的想法“超前了半个世纪”。

魔法成真

　　然而，科学技术进步的速度远远超过人们的想象。1957年10月，苏联发射了世界第一颗人造地球卫星，人类进入了征服太空的时代。在克拉克的论文提出不到18年后，即1963年2月，Nasa发射了第一颗地球静止轨道卫星，“辛康”（Syncom），魔法成真。（不幸的是，第一颗“辛康”并不成功，它的远地点发动机点火失败，卫星并未真正入轨）同年六月，辛康二号入轨，工作正常基本。1964年，人们使用辛康三号成功的转播了东京奥运会的实况，辛康进入实用阶段。这种电视转播在以前是不可想象的。

　　此后，地球静止轨道通讯卫星层出不穷，最著名的有国际通讯卫星组织的国际通讯卫星（Intelsat）系列。到现在为止，地球静止轨道上已经存在着数百颗卫星，其中有一百多颗正在工作。电报、电话和广播和因特网都可以通过地球静止轨道卫星传播。无论是喜马拉雅山脚下的村庄，或者是繁华的都市纽约，都可以通过这种方式联络亲友、收看电视和接受教育。文明不再因为时空的阻隔而无法传播，因为卫星的帮助，它传播的更加迅速。地球静止轨道卫星，把世界连在了一起。尽管光纤通信也越来越成为通信的主流，静止轨道通讯卫星还是有它不可取代的地位。今天，大多数中国家庭都收看由静止轨道通讯卫星转播的节目。

崇高的荣誉

　　因为提出地外中继的概念，克拉克被有些人称为“通信卫星之父”。但是克拉克谦虚的说：“我不是通信卫星之父，最多是外祖父而已。”

　　二战结束后，克拉克进入伦敦的国王学院学习数学和物理学。1948年他以优异的成绩毕业。60年代以后，他长期居住在斯里兰卡，从事科幻小说的创作，期间，他还担任过阿波罗计划电视转播的解说。1982年，他获得了马可尼国际奖（Marconi International Fellowship）。此后，他还获得了他的母校——伦敦国王学院——的成员资格。为了纪念克拉克对人类做出的贡献，国际天文学联合会将距地心42 000km的这条轨道，称为“克拉克轨道”（Clarke Orbit）。

　　最初与魔法无异的想法，最终极大的改变了世界。克拉克先生的轨道，就是这其中之一。

————

①　阿瑟·克拉克（Arthur C. Clarke,1917~）。英国人，科幻小说作家。克拉克基本定律是克拉克提出的一组关于科学文化的趣味定律。它的另外两条是：定律一：如果一个年高德劭的杰出科学家说，某件事情是可能的，那他可能是正确的；但如果他说，某件事情是不可能的，那他也许是非常错误的；定律二：要发现某件事情是否可能的界限，唯一的途径是跨越这个界限，从不可能跑到可能中去。

②　V-2是纳粹德国的一种军用火箭。

③　这是理论上的可能性，事实上，高纬度地区，或者极地，接收这样的信号是有困难的。

参考资料：

[1]Clarke, Arthur C., "Extra-Terrestrial Relays" Wireless World,October 1945, pp. 305-308
[2]中国大百科全书·航空航天卷相关条目
[3]（因特网）美国航空与航天总局网站资料（nasa.gov）
[4]英国科学博物馆馆藏资料（sciencemuseum.org.uk）

给编辑来信 | 三思科学论坛 | 关闭窗口

本文相关信息：
收录时间：2001.05
作者：柯南
来源：三思原创

该作者其它作品：

其它相关阅读：

相关网站：
NASA
英国科学博物馆