如果把紙飛機扔出國際空間站，會發生什麼？
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在浩瀚無垠的太空中，科學家偶爾也會思考一些看似童稚的問題，比如：“如果我在國際空間站上扔出一架紙飛機，它會發生什麼？”在2025年，這個問題被兩位東京大學的研究人員鄭重其事地當成了一項科研課題，並發表在了國際期刊 《航天學報》（Acta Astronautica） 上。
宇航員在空間站扔紙飛機示意圖（圖片來源：作者使用AI生成）
他們沒有真的跑到太空中去扔紙飛機，而是通過精確的數值模擬與風洞實驗，還原了紙飛機從太空重返地球的全過程。結果不僅讓人驚訝，更帶來了關於航天器再入、空氣動力學和材料熱力學的一系列啓發。
正面對撞：紙飛機如何經歷大氣層“洗禮”？
在400公里的高空，也就是國際空間站運行的軌道上，大氣幾乎稀薄到近似真空。一架紙飛機如果在這裏被釋放，首先會像任何航天器一樣繞地球運行，而不是立刻掉下來。東京大學的研究者採用一張普通A4打印紙摺疊成紙飛機形狀，並構建了一套精密的模擬系統，結合軌道動力學、姿態控制和空氣動力學，來研究它從國際空間站釋放後的命運。
使用A4紙折出的紙飛機（圖片來源：參考文獻[1]）
模擬顯示，這架紙飛機在失重軌道上並不會漂浮很久。這裏就要說一下“彈道係數”了，它在航天工程和彈道力學中一個非常關鍵的參數，它反映的是物體穿越大氣時克服空氣阻力保持運動速度的能力。簡單來說，彈道係數越高，物體越抗風；越低，物體越容易減速和掉落。由於這架紙飛機極低的彈道係數（0.2 kg/m2），研究人員估算，從釋放到進入大氣層大約只需3.5天。
摺疊後紙飛機及其在自身座標系中的質心位置（圖片來源：參考文獻[1]）
在進入較稠密的大氣前，也就是高度在120公里以上的這段高層稀薄大氣中，這架紙飛機仍能維持相對穩定的姿態，像一艘頭朝前的小艇，環繞地球逐漸降低高度。但當它墜入120公里以下，隨着大氣逐漸變密，紙飛機原本的氣動穩定性失效，開始發生劇烈的翻滾和姿態失控。，並在大約90到110公里的高度之間經歷了穿越大氣層時所承受的極端熱負荷嚴苛環境考驗。
紙質太空飛機在大氣層再入過程中的大氣流動狀態分佈（圖片來源：參考文獻[1]）
研究人員使用風洞實驗模擬了這一過程。在東京大學的高焓高超聲速風洞中，他們製造了一架1/3尺寸紙質機頭、鋁質尾部的複合模型，並用馬赫數7的氣流轟擊它。7秒的風洞測試後，紙飛機的機頭出現明顯彎曲和炭化痕跡，翼尖也有高溫灼燒的跡象。這一實驗的熱通量約爲每平方米60萬瓦，接近真實再入過程中的熱負荷，驗證了模擬中的結論，紙飛機最終會在高溫中焚燬，回不到地面。雖然馬赫數7遠小於軌道再入速度的7.9km/s也就是馬赫數25，但在控制總溫/靜溫、動壓與熱通量匹配的情況下，風洞實驗的熱流密度是“熱等效”的。
高超聲速高焓風洞測試段內的實驗裝置示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）
科學應用：紙飛機不只是“玩具”
雖然這架紙飛機在高空燃燒殆盡，但它短暫的太空之旅帶來的啓示卻遠不止會不會落地這麼簡單。在這場看似腦洞大開的實驗背後，研究者實際上探討了一個嚴肅的問題，我們是否可以用極簡、可降解的材料，實現可持續的太空任務？
紙飛機在高超音速氣流中暴露7秒後實驗結束時的狀態（圖片來源：參考文獻[1]）
首先，它可以作爲一個極爲敏感的氣壓探針。由於其極低的彈道係數（0.2kg/m2），紙飛機質量很小且在高空受到的空氣阻力相對比一般衛星大得多。這使它成爲測量高層大氣密度變化的天然傳感器。研究人員指出，通過追蹤紙飛機的軌道衰減速率，理論上可以反解出它所穿越軌道的空氣密度。這對於研究200–300公里高度這一大氣模型尚不完善的區域，有潛在科學價值。
其次，這種超輕質、低成本的飛行器也爲一類新興太空器材提供了實驗平臺，也就是薄膜航天技術。近年來，從柔性太陽能電池、無透鏡成像陣列，到輕質通信天線，越來越多的新技術正在探索“柔性材料+短生命週期”的組合。紙飛機恰好提供了一個可用的驗證平臺。
此外，研究團隊還討論了更長遠的構想，比如讓這種類似紙飛機的裝置用於航天器的主動減速氣動剎車或輔助變軌。在星際飛行任務中，某些探測器進入目標星球軌道時，需要反覆穿過大氣邊緣，藉助空氣阻力逐步降低軌道能量。理論上，若能給紙飛機裝配小型科學載荷與姿態控制裝置，它就能作爲這類任務的氣動剎車板，協助星際飛船完成軌道轉移。雖然現實中還有很多技術障礙，比如如何控制它在大氣中不發生失穩翻滾，但這一構想拓寬了我們對紙質飛行器應用的邊界。
總結
也許我們終其一生都不會有機會站在國際空間站，扔出一架紙飛機。但正是這樣一個看似腦洞大開的問題，爲科學打開了新的想象空間。從數值模擬到風洞試驗證明，這張A4紙終將化爲一縷煙塵。在科學的世界裏，沒有哪一個問題太小，哪一個材料太輕。就像這架紙飛機，它雖飛不回地球，卻也完成了它的使命。
參考文獻：
[1] Berthet, Maximilien, and Kojiro Suzuki. "Study on the dynamics of an origami space plane during Earth atmospheric entry." Acta Astronautica (2025).
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作者丨孫克衍博士 中國礦業大學副教授
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