互动科普

通过利用基本物理定律，航天飞缆可以为太空飞行提供低成本电能、拖曳和推进力，以及人造重力。

太空没有加油站。

每次执行航天任务时，太空飞船都必须携带足够的能源以完成各项工作，常见的能源形式包括化学推进燃料、光电池组和核反应堆。

除此之外，只能采用货运飞船供给方式，但费用昂贵得难以承受。例如要维持国际空间站在未来10年的预期使用寿命期间不致逐渐偏离轨道，就需要大约77吨的推进燃料。将燃料从地面运送到空间站360千米的高度，即使价格低至每磅（约0.45千克）7000美元（按照目前的标准已经非常便宜了），仅仅让空间站维持轨道的稳定也需要12亿美元。对于探索像木星这样的外行星问题则更加复杂，因为它们距太阳太遥远，使光电池的反应效率降低，而且每克燃料都必须运送到数亿千米之外。

因此科学家将目光投向一种还处于实验测试阶段的新技术——航天飞缆。它利用基本物理定律来提供定向、人造重力、电能，以及推进和拖曳力，同时减少或摈弃对化学能源的需求。

航天飞缆是一种采用柔性缆索将两个物体连接起来的系统。当缆索导电时，整个系统便成为一种电动力学缆索，又称EDT。常规飞船采用化学或电能推进装置，在飞船和推进燃料之间交换动量，而EDT则与此方式不同，它通过对磁场的调制与旋转的行星交换动量[参见34页图示]。长期以来，航天飞缆便令太空爱好者着迷。齐奥尔科夫斯基与Arthur C. Clarke等幻想家曾设想利用缆索系统作为太空电梯，将人们从地面送上轨道空间。1960年代中期，双子座飞行任务中有两次测试了利用30米长的缆索为宇航员产生人造重力场，此后又进行了多种类型的缆索试验。主要困难来自机电方面，工程师们尚未开发出可靠技术来处理EDT在太空中承受的高电压。另外，他们也未能解决在恶劣的太空环境下缆索的维系问题，以及如何抑制EDT容易产生的振动。

但是，许多科学家认为该技术能够对某些类型的太空飞行带来革命，其应用范围涉及从低地球轨道飞行到行星航天任务。EDT可能的用途包括：清理地球轨道空间中的残骸，以高于燃料电池的效率发电，以及让卫星保持在合适的轨道上。

能自我调节的系统

航天飞缆利用有点违背直觉的轨道曲线运动力学原理：在环绕行星运行的稳定轨道上，任何物体都受到两股互相抵消的力量作用，即由轨道运动产生的外拉离心力刚好与向下的重力保持平衡，重力和离心力在该物体的重心处完全抵消。因此飞船上的观察者将处于无重力状态，感受不到任何加速度。

如果不是一颗完整的人造卫星，而是用一根缆索连接起来的、位于两条略微不同轨道上的两颗卫星，情况又会如何呢？缆索使得这两颗卫星构成一个单独的系统，重力和离心力在系统重心，即位于两颗卫星的中间连结处仍然处于平衡，但在每个卫星自身处不再保持平衡。对于靠近外侧的卫星，重力较弱而离心力较强，因此合力将推使它向外移动。而靠近内侧的卫星则正好情况相反，合力将它往里拉。

结果，由于位置较低的卫星绕地球运转速度更快，因而像滑水者一样拖曳着较高的卫星，因此位于外侧的卫星将获得较低轨道卫星损失的动量，从而使得其运行轨道扩大，而内侧卫星的轨道则缩小。由于两颗卫星彼此远离，因而使缆索紧绷。非导电缆索通常由质轻而强韧的材料制成，如凯芙拉碳素纤维或Spectra高强度聚乙烯纤维等。缆索的张力很低，对于非旋转的缆索系统，通常为0.5至5千克力。

系统唯一的平衡位置位于沿径向拉伸的缆索上，叫做当地垂线。每次当系统偏离该平衡状态时，会产生一个扭矩将它拉回来，结果使得系统像钟摆一样来回摆动。这种稳定性在1975年被用于地球观测卫星GEOS-3，以便让这颗配备有数米长硬性梁架的卫星保持面向地球。

研究人员将两个物体之间的这种不平衡受力称为重力梯度。处在外侧卫星上的乘客会感到微弱的重力将他们拉离地球，而内侧卫星上的乘客则会感到重力朝向地球。对于200至2000千米的低地球轨道，一条20千米长的缆索产生的重力大约为0.01g，为地球表面重力的百分之一。当重力小于0.1g时，人无法获得足够的牵引，所以宇航员将无法行走。但是对于使用工具、洗淋浴、使液体稳定等其他许多其他目的而言，具有确定的“上”和“下”显然要比完全无重力的环境更优越。而且与其他许多创产生人工重力的技术不同，这种方法不需要让卫星互相绕对方旋转[参见37页图示]。

在缆索中使用铝、铜或其他导体的EDT还可以提供其他好处，如可以作为发电机，当导体在磁场中移动时，导体中的带电粒子受到垂直于运动方向和磁场方向的电磁力作用。因此，如果缆索在由南向北的地球磁场中自西向东穿过时，就会感应内部电子沿着缆索向下流动[参见35页图示]。

电离层是大气层中的一个区域，高能太阳辐射将原子中的电子剥去，形成电子和离子的混合态，即等离子体。缆索可与电离层交换电子，从一端（阳极，或称正电子吸引极）收集自由电子并将它们驱逐到另一端（阴极，或称带负电子发射极）。导电的电离层使该电路完成回路，结果产生一个稳定的电流，可用作飞船的电源。实际上，一个位于低地球轨道上的20千米长、具有适当阳极设计的缆索系统可产生40千瓦的功率，足以驱动载人飞船上的研究设备。

这项功能早在1970年代就为人所知，当时美国哈佛一史密森天文物理中心的Mario Grosi和意大利帕多瓦大学的Giuseppe Colombo率先完成了对EDT的研究。多达16次试验航天飞行任务采用了导电或非导电的缆索系统[参见39页小图]。

在这些早期的电动力学缆索系统中，采用特氟纶套管将缆索的导电部分与电离层完全隔离，阳极则采用一个巨大的导电球或者类似的装置来收集电子，但是这种阳极收集效率很低。例如在1990年代，美国航空航天局和意大利航天局联合发射了两种不同类型的20千米长缆索卫星系统(简称TSS)。TSS通过一个海滩球大小的金属球体收集电子，并且令人信服地证实了空间电动力学发电。然而尽管有这些积极的成果，研究人员也发现了将EDT投入实际使用前必须克服的一个困难，在大型球形阳极周围形成的负静电荷会阻碍电子流的进入，就像当人们抢着离开房间时，唯一的出口处拥挤不堪一样。

本文作者之一（Sanmartin）及其同事引入了裸露缆索的概念来解决这一问题。利用长达数千米、几乎完全不绝缘的缆索自身来收集电子，而非仅在顶端。缆索细长呈圆柱状的几何结构还可有其他益处，因为电子不需在单一的阳极点聚结，所以不会产生强负静电荷而阻碍更多的电子的进入，缆索不必是圆形线，薄带状缆索可以收集同样的电流，却要轻得多。

几乎免费的午餐

所有EDT都具有一个共同的优点：通过利用电磁学基本原理，它们可以降低或增加在轨道中的飞行速度。根据众所周知的“右手法则”，磁场会对通电导线施加作用力，因此位于朝东方向低地球轨道上的EDT，电子从缆索的顶端向下流动，受力方向与运动方向相反。EDT受到类似空气拖曳的阻力，会降低缆索系统的轨道高度。

这似乎不是人们所期望的特性，但是对于那些关心清楚环绕地球运转的失效卫星和废弃的前级多级火箭等太空垃圾的计划者来说，这一特性非常吸引人。事实上，该问题正是美国航空航天局、众多大学以及小公司开发缆索系统的动力之一。目前，低地球轨道空间散布着数以千计的这种太空垃圾，其中大约有1500个质量超过100千克。最终，大气阻力会使它们降低高度，清除出轨道，直到它们在重新进入浓密的低层大气时烧毁。通常，位于200千米轨道高度的物体只需几天就会消亡，400千米轨道高度的物体需要几个月，而位于1000千米轨道高度的物体则需要2000年时间。

如果新发射的卫星携带有EDT，在其使用寿命即将终结时将此装置打开，或者利用机器人操纵器捕获到太空残骸碎片，并将它们携带到一个轨道缆索系统上，这种阻力效应便可以加速其重返大气层的时间进程[参见38页图示]。相反，通过使用光电池组或其他电源，在低地球轨道上逆转EDT的电流发那个想，将会产生相反的效果。缆索系统受到与其运动方向一致的作用力，从而造成推进而不是拖曳，因此会提升其轨道高度。推进式EDT可充当太空拖船，将低地球轨道中的有效载荷运送到更高的轨道上，或者抑制轨道逐渐降低。前面提到的国际空间站昂贵的上推问题，如果采用一种其推进力只相当于空间站功率10%的电动力缆索，那么只需要17吨的推进燃料（当前的设计需要77吨）即可避免轨道的逐渐降低。如果推进力再大些，几乎可以完全不需要推进燃料。另外，在轨道上适时地启动推进式EDT能够产生侧向力，可以改变飞船在轨道上的任意倾角；如果使用化学推进器来执行这项操作，则需要使用大量燃料。

当然，能量转换与守恒定律规定没有“免费的午餐”。例如，能量的产生是以牺牲卫星的高度为代价的，而高度又通过消耗火箭发动机的能量而获得。因此乍一看，EDT似乎仅仅将一种能量形式转换为另一种。在利用来自缆索的能量时，卫星轨道高度会下降，因此需要重新提升。相比之下，燃料电池直接将燃料转化为电能，那何必要这么麻烦呢？

答案是，尽管表面上看有点自相矛盾，缆索系统实际上更高效，缆索与火箭的组合能够比燃料电池产生更多的电能，因为电池不会从其燃料的轨道能量中获益，而前者却可以。在EDT系统中，产生的电能是磁场阻力做功的功率，也就是阻力的大小乘以卫星相对于磁化电离层的速度，在低地球轨道上大约为7.5千米/秒。相比之下，火箭产生的化学能等于推力的1/2乘以排气速度。液氢和液氧混合物产生的排气速度可高达5千米/秒。因此，实际上缆索与火箭的组合所产生的电能是纯化学反应产生电能的3倍，而同样适用氢和氧的燃料电池则不具备这种优点。

产生同样的功率，缆索与火箭的组合消耗的燃料要比燃料电池少得多。不足之处是缆索比燃料电池要重，因此只有在使用期限超过5至10天时，用缆索发电才会带来总体的节约效果。

航天飞缆探索木星

在某些情况下，例如在探索木星及其卫星时，航天飞缆系统具备更多的优势。利用这颗巨行星的物理特性，缆索系统可以不再需要使用大量燃料。木星与地球一样，具有随自身共同旋转的磁化电离层。与地球不同的是，木星的电离层高度超出了其静止轨道，即物体在行星表面上能够保持在同一位置的轨道高度。地球的静止轨道大约在35800千米的高度，木星的静止轨道大约在云层上端的88500千米处。

在木星静止轨道上，飞船以与电离层相同的速度绕行星运转。如果飞船降到静止轨道高度以下，由于磁化等离子体的速度比飞船速度要慢，EDT自然会产生拖曳力，并且从缆索电流产生可用电能。相反，如果飞船高于静止轨道，由于磁化等离子体运动速度比飞船要快，自然结果将产生推力和可用电能。

这又像是免费的午餐。但事实上不是，以上两种情形的能量都来自行星的自转。只是由于木星的总体动量过于巨大，被飞船耗用的微弱动量可以忽略不计。

根据轨道动力学原理，应用拖曳力和推力最有效的位置分别位于轨道上距离木星最近的点（近拱点）和最远的点（远拱点）。如果该点位于静止轨道以内，自然力将是拖曳力，否则将是推力。假设一艘携带缆索的飞船以大约6千米/秒的相对速度靠近木星，如果不利用拖曳力，飞船将与木星擦肩而过。但是如果当飞船进入静止轨道时打开缆索，将使飞船减速到刚好能够沿一条拉长的、偏心率很大的椭圆形轨道轨道绕木星运转。进入到这样的轨道，仅需要以每秒数百米来降低飞船飞行速度，一根数十千米长的缆索足矣。

当飞船环绕木星飞行时，控制人员将在近拱点处打开缆索以便产生拖曳力 （和可用电能），在其他地方则收回缆索，使得轨道逐渐从拉长的椭圆变得越来越小，越来越接近圆形。这样，飞船只需要少量的电动力学作用力就可访问木星的 4颗最大的卫星，从最外端的木卫四直到最内侧的木卫一。按照木卫四的轨道周期大约为半个月计算，整个探索任务用时不超过一年。

返回时，控制人员只需把该过程倒过来。他们首先在位于静止轨道以外的远拱点打开 EDT，以便产生推力和功率，在远拱点重复进行推动，把近拱点从静止轨道以内移动提升到静止轨道外，然后便可以在近拱点产生推力（又是“免费的”），从而逐渐提升远拱点的高度。最后的推进力可以让飞船跃出木星轨道，重返地球。利用木星的自转可以提供这些机动所需的全部能量，同时产生可用电能。通过大幅降低对燃料和电能的需求，航天飞缆可以大量削减探测任务的成本。

航天飞缆技术在过去30年取得了长足进步。但是在EDT被实际应用在环绕地球和木星轨道等地方之前，它仍然面临一些挑战。设计者必须设法保护飞缆不受缆索与电离层之间高电位效应的破坏，并且防止缆索材料在太空中缓慢老化。此外，他们还必须学会控制电动力学缆索系统中出现的各种振动。然而，这些障碍并非不可逾越，许多科学家预期，在不远的将来，将可以看到航天飞缆在轨道上完成实际任务 。

柯江华/译

赵庚新/校