如果把纸飞机扔出国际空间站，会发生什么？

在浩瀚无垠的太空中，科学家偶尔也会思考一些看似童稚的问题，比如：“如果我在国际空间站上扔出一架纸飞机，它会发生什么？”在2025年，这个问题被两位东京大学的研究人员郑重其事地当成了一项科研课题，并发表在了国际期刊 《航天学报》（Acta Astronautica） 上。

宇航员在空间站扔纸飞机示意图（图片来源：作者使用AI生成）

他们没有真的跑到太空中去扔纸飞机，而是通过精确的数值模拟与风洞实验，还原了纸飞机从太空重返地球的全过程。结果不仅让人惊讶，更带来了关于航天器再入、空气动力学和材料热力学的一系列启发。

正面对撞：纸飞机如何经历大气层“洗礼”？

在400公里的高空，也就是国际空间站运行的轨道上，大气几乎稀薄到近似真空。一架纸飞机如果在这里被释放，首先会像任何航天器一样绕地球运行，而不是立刻掉下来。东京大学的研究者采用一张普通A4打印纸折叠成纸飞机形状，并构建了一套精密的模拟系统，结合轨道动力学、姿态控制和空气动力学，来研究它从国际空间站释放后的命运。

使用A4纸折出的纸飞机（图片来源：参考文献[1]）

模拟显示，这架纸飞机在失重轨道上并不会漂浮很久。这里就要说一下“弹道系数”了，它在航天工程和弹道力学中一个非常关键的参数，它反映的是物体穿越大气时克服空气阻力保持运动速度的能力。简单来说，弹道系数越高，物体越抗风；越低，物体越容易减速和掉落。由于这架纸飞机极低的弹道系数（0.2 kg/m2），研究人员估算，从释放到进入大气层大约只需3.5天。

折叠后纸飞机及其在自身坐标系中的质心位置（图片来源：参考文献[1]）

在进入较稠密的大气前，也就是高度在120公里以上的这段高层稀薄大气中，这架纸飞机仍能维持相对稳定的姿态，像一艘头朝前的小艇，环绕地球逐渐降低高度。但当它坠入120公里以下，随着大气逐渐变密，纸飞机原本的气动稳定性失效，开始发生剧烈的翻滚和姿态失控。，并在大约90到110公里的高度之间经历了穿越大气层时所承受的极端热负荷严苛环境考验。

纸质太空飞机在大气层再入过程中的大气流动状态分布（图片来源：参考文献[1]）

研究人员使用风洞实验模拟了这一过程。在东京大学的高焓高超声速风洞中，他们制造了一架1/3尺寸纸质机头、铝质尾部的复合模型，并用马赫数7的气流轰击它。7秒的风洞测试后，纸飞机的机头出现明显弯曲和炭化痕迹，翼尖也有高温灼烧的迹象。这一实验的热通量约为每平方米60万瓦，接近真实再入过程中的热负荷，验证了模拟中的结论，纸飞机最终会在高温中焚毁，回不到地面。虽然马赫数7远小于轨道再入速度的7.9km/s也就是马赫数25，但在控制总温/静温、动压与热通量匹配的情况下，风洞实验的热流密度是“热等效”的。

高超声速高焓风洞测试段内的实验装置示意图（图片来源：参考文献[1]）

科学应用：纸飞机不只是“玩具”

虽然这架纸飞机在高空燃烧殆尽，但它短暂的太空之旅带来的启示却远不止会不会落地这么简单。在这场看似脑洞大开的实验背后，研究者实际上探讨了一个严肃的问题，我们是否可以用极简、可降解的材料，实现可持续的太空任务？

纸飞机在高超音速气流中暴露7秒后实验结束时的状态（图片来源：参考文献[1]）

首先，它可以作为一个极为敏感的气压探针。由于其极低的弹道系数（0.2kg/m2），纸飞机质量很小且在高空受到的空气阻力相对比一般卫星大得多。这使它成为测量高层大气密度变化的天然传感器。研究人员指出，通过追踪纸飞机的轨道衰减速率，理论上可以反解出它所穿越轨道的空气密度。这对于研究200–300公里高度这一大气模型尚不完善的区域，有潜在科学价值。

其次，这种超轻质、低成本的飞行器也为一类新兴太空器材提供了实验平台，也就是薄膜航天技术。近年来，从柔性太阳能电池、无透镜成像阵列，到轻质通信天线，越来越多的新技术正在探索“柔性材料+短生命周期”的组合。纸飞机恰好提供了一个可用的验证平台。

此外，研究团队还讨论了更长远的构想，比如让这种类似纸飞机的装置用于航天器的主动减速气动刹车或辅助变轨。在星际飞行任务中，某些探测器进入目标星球轨道时，需要反复穿过大气边缘，借助空气阻力逐步降低轨道能量。理论上，若能给纸飞机装配小型科学载荷与姿态控制装置，它就能作为这类任务的气动刹车板，协助星际飞船完成轨道转移。虽然现实中还有很多技术障碍，比如如何控制它在大气中不发生失稳翻滚，但这一构想拓宽了我们对纸质飞行器应用的边界。

总结

也许我们终其一生都不会有机会站在国际空间站，扔出一架纸飞机。但正是这样一个看似脑洞大开的问题，为科学打开了新的想象空间。从数值模拟到风洞试验证明，这张A4纸终将化为一缕烟尘。在科学的世界里，没有哪一个问题太小，哪一个材料太轻。就像这架纸飞机，它虽飞不回地球，却也完成了它的使命。

参考文献：

[1] Berthet, Maximilien, and Kojiro Suzuki. "Study on the dynamics of an origami space plane during Earth atmospheric entry." Acta Astronautica (2025).

[2] Murphy, D. M., Abou-Ghanem, M., Cziczo, D. J., Froyd, K. D., Jacquot, J., Lawler, M. J., ... & Shen, X. (2023). Metals from spacecraft reentry in stratospheric aerosol particles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(43), e2313374120.

[3] Berthet, M., Schalkwyk, J., Çelik, O., Sengupta, D., Fujino, K., Hein, A. M., ... & Suzuki, K. (2024). Space sails for achieving major space exploration goals: Historical review and future outlook. Progress in Aerospace Sciences, 150, 101047.

作者丨孙克衍博士 中国矿业大学副教授

审核丨白鹏 航天科技集团十一院 研究员