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在你小时候，有没有试过从高处扔出纸飞机，看着它飞向远方？如果我们将这个“高处”提升到极致——在距离地面400公里的国际空间站上，扔出一架纸飞机，又会发生什么呢？
这听起来只是一个孩子天马行空的好奇，但东京大学的两位研究员，马克西米利安·贝特（Maximilien Berthet）和铃木宏二郎（Kojiro Suzuki）决定用严谨的科学来寻找答案。
研究团队的三个问题：能飞多久、飞行方向、会烧起来吗？图源：Acta Astronautica(2025)
当然，他们并没有真的让宇航员从空间站抛出纸飞机，而是通过精密的计算机模拟和真实的超高声速风洞实验，完整预演了一架普通A4纸折叠的飞机，从太空返回地球的壮丽又短暂的旅程。研究成果已发表在航空航天期刊《宇航学报》（Acta Astronautica）。
400-120公里：出人意料的稳定滑翔
故事的主角，是一架由标准A4打印纸折成的纸飞机。它重量仅有4克，材质是普通的植物纤维，却即将面对从近地轨道返回地球的严酷考验。
一架折法寻常的纸飞机图源：Acta Astronautica(2025)
当这架虚拟的纸飞机在模拟程序中被“释放”后，它的旅程开始了。许多人可能会以为，它会立刻失控翻滚，但事实恰恰相反。在最初的几天里，它表现得像一架训练有素的滑翔机。
研究发现，由于纸飞机的重心（质量中心）位于其气动中心（压力中心）之前，使得它在极其稀薄的高层大气中，能够像风向标一样，自动将机头对准飞行方向。同时，它极小的转动惯量意味着，即便受到微弱的大气分子撞击，它也能迅速调整姿态，保持稳定。
纸飞机的质心（CoM）位置图源：Acta Astronautica(2025)
因此，在旅程的大部分时间里，它都维持着一个优雅的、朝向前方的高速滑翔姿态，以每天数十公里的速度，一圈圈地盘旋下降。这个过程持续了大约3.5天。
从平稳到混沌：无法避免的燃烧
然而，当纸飞机下降到距离地面约120公里的高度时，平静的旅程戛然而止。
这里是大气层从稀薄到逐渐稠密的过渡区。空气密度呈指数级增长，曾经温柔的空气阻力，此刻变得狂暴。模拟数据显示，纸飞机再也无法维持稳定的姿态，开始剧烈地失控翻滚。
纸飞机冲入大气层时，空气流动方式会经历不同阶段图源：Acta Astronautica(2025)
物理学告诉我们，高速运动的物体与大气剧烈摩擦会产生大量的热。为了验证纸飞机能否在这种情况下幸存，研究团队将一个按三分之一比例缩小的纸飞机模型，放进了东京大学柏叶校区的“高超声速高焓风洞”中。
高超声速高焓风洞（图源：Acta Astronautica(2025)
实验中，一道7马赫（超过每秒1000米）的灼热气流，对着纸飞机模型持续吹了7秒钟。通过高速摄像机和纹影成像技术，研究人员清晰地看到了纸飞机的机头在强大的气动压力下开始向后弯曲；并且仅仅几秒钟后，纸飞机机头和机翼前缘的颜色开始变深，这是纸张材料因高温而开始碳化（热解）的迹象。
纸飞机的机头在气流中弯曲变黑 （图源：Acta Astronautica(2025)
风洞实验的结果与模拟高度吻合。当纸飞机在100公里左右的高度达到峰值加热时，其表面每平方米将承受高达10万瓦的热流。在这样的高温下，任何纸张都无法幸免。
最终，这架来自太空的纸飞机，将在距离地面约90-110公里的高空中，化作灰烬，结束它短暂而又非凡的旅程。
实验背后的深远意义
这个听起来有些异想天开的研究，不仅仅是为了满足一个有趣的好奇心，更指向了未来空间探索中一些非常实际的挑战和机遇。
随着近地轨道日益拥挤，如何处理废弃卫星已成为一个严峻问题。这项研究启发我们，可以探索使用纸张、木材等有机材料制造航天器的一次性部件，并且其燃烧产物（主要是二氧化碳和水）对环境更加友好。
此外，高层大气的密度数据对轨道预测至关重要，但目前在200-300公里高度的数据仍然存在很大不确定性。像纸飞机这样对大气阻力极其敏感的物体，可以成为一种极低成本的“被动探测器”。通过精确追踪它的轨道衰减过程，科学家可以反推出沿途的大气密度信息。
太空中的纸飞机（图源：ZME Science | SORA AI生成）
东京大学的这项研究，用一个简单而富有想象力的问题，为相关技术领域带来了新的启发。这架从未真正飞上太空的纸飞机，其最终的命运是化为灰烬，但它短暂而壮丽的“虚拟旅程”，不仅回答了一个童趣的问题，更在不经意间，为未来可持续的空间探索照亮了新的路径。（刘若冰）
审核：刘勇 中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使
本文来源科普新媒体平台“蝌蚪五线谱”，已经授权发布 | 
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