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学科史上出现过哪些最终失败的有趣研究?

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说一个不算完全失败的, 同时也是比较疯狂的研究计划。

冷战早期,美国人在太平洋进行了大量的核试验,其中在约翰斯顿环礁(Johnston Atoll,美国人爆兵建立的人工岛)附近进行了一系列的高空核爆试验,这被称为「压缩饼干行动」(Operation Hardtack)。

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太平洋的约翰斯顿环礁(岛),是美国人在 1942-1964 年间建设的人工岛。「种岛」不是我国首创

高空核爆摧毁了爆点附近大范围的电离层,这使得依赖电离层散射(电磁波碰到电离层中分布不均匀的带电介质时,一部分电磁波就会产生散射返回地面)的高频通信[1](米波、分米波和厘米波通信,也就是超短波和微波通信)完全失效了,跨太平洋的空运航班因此不得不停止。如果是战时,特别是核战争时出现这种状况,那后果不堪设想。

为了解决这个问题,MIT 的林肯实验室[2](MIT Lincoln Laboratory, 由美国国防部资助建设,MIT 管理)在 1958 年提出,既然太阳风和核爆都能破坏电离层的电磁波波反射性,那么发射人工的地球轨道物体可能起到类似电离层的反射作用。此时恰逢人造地球卫星出现,证明了发射人造物体上天稳定运行可行性。进一步地,他们提出向 3600 千米的圆极轨道发射总重 19.5 千克的 4.8 亿枚半波偶极子天线(half-wave dipoles)。 天线由铜制成,长度约 1.78cm, 直径 17.8 或 25.4 微米。设计为支持 7750 MHz ~ 8350 MHz 频段的通信。(全双工)通信试验计划在加州的 Camp Parks 和马萨诸塞州的 Westford 之间展开。该计划因此也被称为 Project Westford[3]

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Project Westford 所用的半波偶极子天线

这些针形天线由一种萘粘合剂(napthalene gel)粘连成不同的小针团块共计约 20 万个,计划在太空中由旋转的轨道散布器利用离心力甩出,在轨道上平均 0.3 千米分布一个。萘粘合剂在真空中挥发,针形天线因此得到进一步的均匀释放。

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针形天线轨道散布器

显而易见地,这个疯狂的计划会在太空产生大量的,稠密分布的太空垃圾。为了说服国防部,林肯试验室解释道,只需几年,这些天线就会因为太阳风的存在而逐步降低轨道,直至接近大气层的边缘而快速落地或者被焚烧,从而不会产生太空垃圾[4]。 这个解释成功的说服了国防部。在经历了 1961 年的发射失败之后,终于在 1963 年 5 月 9 日成功。发射 4 天之后,通信试验展开,此时针形天线还没有完全散开,对电磁波的散射质量会比较好。通过使用 18.5 米的巨型抛物面天线,加州和马萨诸塞州两地进行了语音通话,通话质量被认为是「易于理解的」(intelligible)。 实际的数据传输率仅有 20Kb/s, 大约是 2G 时代的语音通信码率。随着针形天线的进一步展开,相互之间的距离变得越来越大,在轨道上的分布不再稠密了,通信的码率在 6 月 18 日就降低到约 0.4Kb/s。 直到 7 月 2 日变得完全不可用而终止通信试验。

从技术上来讲,这个试验证明了「人造电离层」的可行,但是其成本显然是很高的,效能也低。发射一次仅能维持一个月左右的很有限带宽的通信。1962 年成功发射的 AT&T's Telstar 1 通信卫星提供了另一种更为高效的方案,「人造电离层」方案被彻底终止,林肯实验室转而研究星间链路。虽说大量的针形天线在发射后几年之内就返回地球了[5][6],但仍然有相当数量的天线直到今天遗留在轨道上[7][8]

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今天仍然在轨道上的针形天线
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模型模拟的针形天线在轨道上的密度(1999 年)

虽说理论上这些针形天线会越来越分散,但实际中部分天线会由于各种原因汇聚在一起,形成大的团块,这些团块不仅具有更大的碰撞损伤性[9],还对天文观测产生了影响[10][11](如同今天的 starlink 一样)。

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针形天线在轨道上的分布密度等高线(1963 年)

该试验虽然在技术上获得了有限成功,但可能产生了至今影响范围最大的一簇太空垃圾。这一事件的负面影响 / 破坏性促进了《外层空间条约》的起草和缔结[12]。

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