2010年 第35期
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用绳子牵引卫星
李鹏
2010-02-02 10:27
 
“它不像我们在地面放风筝那样简单，由于其整个操作和控制过程都是在太空中进行，其动力学特性相当复杂，因此要想让这个技术予以完善有许多具有挑战性的技术需要突破。”
 
用绳子将卫星拴起来，然后像放风筝一样放出去。你可别以为这是在讲什么科幻故事。其实，美国、加拿大、日本等国都在做这方面的研究，这其中也包括我们中国的科学家。在国家自然科学基金的资助下，南京航空航天大学教授金栋平带领的课题组已经在这方面取得了一些突破，他们在实验室模拟太空环境条件进行地面试验，已经成功地进行了绳系卫星的释放和回收。
  “绳系卫星并不是从地面放出去的，它是从在太空中飞行的航天飞机、宇宙飞船或者空间站等航天器上放出去的。” 北京大学地球与空间科学学院焦维新教授在接受《北京科技报》采访时表示，按照航天专家的构想，目前用航天器释放绳系卫星主要有三种方式：可以将其挂在航天器后面，让它与航天器在同一高度上飞行；也可以利用卫星上配有的小型喷气推力器，把卫星推上较高的空间，让它像风筝那样，在航天器上方高高运行；还可以让其挂在航天飞机的下方，就像热气球下的挂篮般。
  由于有系绳连接，与一般的卫星相比，绳系卫星在释放时可以进行有效控制，如果卫星出了问题，回收进行维修也比较方便。
  另外，如果将来绳系卫星使用寿命到期，也可以完全进行回收处理，不会形成新的太空垃圾。目前，随着太空中每年报废的卫星和其碎片越来越多，太空垃圾已经成为航天探索和研究安全保障一个严重的威胁，而这种绳系卫星则提供了航天科技研究一种新的思路。
  航天专家庞之浩对《北京科技报》表示，从理论上讲，发展绳系卫星可以实现航天领域中一些特殊的用途。如果绳系卫星连在航天飞机、空间站等航天器上靠近地球的一方并绕着地球飞行，就可以完成一些其他航天器没有办法完成的任务。
  绳系卫星在绕地球飞行时，可充分收集大量的大气数据，了解太阳活动如何通过高、中层大气影响地面气候和天气变化等。若是一串绳系卫星，则可收集到不同高度上的有关数据。因此，绳系卫星可以成为环境监测非常好的工具。另外，绳系卫星将来也可以在地球矿产资源等多个领域的探测和研究中得到应用。
  焦维新说，值得一提的是，绳系卫星的系绳还可以为卫星及它连接的航天器提供电能供应。由于地球是一个大磁场，当航天飞机或者其他航天器携带着绳系卫星在环绕着地球飞行时，连接绳系卫星的系绳由于是由导电材料制成，在绕地球运动时，它们不断地切割地球磁力线，就会变成一台发电机，向绳系卫星和牵引它的航天器供电。据研究，每1000米长的系绳，可产生200伏左右的电压，若系绳为50公里长，则可产生7.4千伏的电压，5安培的电流，32千瓦的功率。因此，若用它来为空间的各种航天器供电，要比目前广泛采用的太阳能电池板来得简单而且经济。如果组成了卫星编队，系绳又能在卫星间相互补充电力。当某颗卫星的太阳能电池出故障时，可以把另一颗卫星的部分能量传过去，延长总体使用寿命。
  此外，系绳还可以完成卫星和其他航天器或者卫星之间的通信功能，从而保证它们之间通信的畅通无阻。同时，系绳也是一个探测工具，可以对电离层和地球磁力线的磁场进行探测，研究太阳风和地球磁场、太阳风和彗星尾迹的等离子体流之间的相互作用。
  将来，绳系卫星或许还可以在地球和月球之间进行等距离设置。这样，人们便可以像排队传递重物一般，把要输送到月球上去的东西，通过系绳的摆动，甩给相邻的卫星，实现不需推进器的空间运输。
  但是焦维新也告诉记者，目前发展绳系卫星依旧面临着一些操作方面的难题。“它不像我们在地面放风筝那样简单，由于其整个操作和控制过程都是在太空中进行，其动力学特性相当复杂，因此要想让这个技术予以完善有许多具有挑战性的技术需要突破。另外，现在的太空中到处都是太空垃圾，一不小心，这些垃圾就会将绳系卫星的绳子划断，从而让卫星消失得无影无踪。”
  焦维新透露，正是因为这些难题，10多年以前他们在和北京航空航天大学申报绳系卫星研究课题时，鉴定的专家组予以了否认，他们的这个项目后来也没有得到相关部门的批准。
  目前，国外的绳系卫星发展也极不顺利。1992年和1996年，意大利研制的绳系卫星，两次由美国航天飞机携带，在太空进行试验。第一次由于绳索缠绕，只释放到250米，仅仅为原计划20公里的1/78，不过倒是产生了40伏特的电压及1.5毫安的电流；第二次释放到19.3千米，还产生了3000伏特电压，但是飞行不久以后就出现绳索断裂，绳系卫星也丢失在茫茫太空之中。
  “美国在经历了这两次失败以后，近些年绳系卫星的研究并没有取得新的进展，它们再也没有做这方面的试验。”焦维新对记者表示，虽然金栋平在实验室阶段完成了绳系卫星的一些试验，但这和在太空中真实的试验完全还是两码事，因此实验室绳系卫星放出与回收的成功并不意味着我国目前就已经掌握了绳系卫星操控的相关技术。
  对此，金栋平对《北京科技报》表示，任何科学技术的研究在开始阶段都会面临很多困难，目前世界上一些航天大国发射卫星的技术虽然已经比较成熟，但是依旧有卫星丢失的情况。当前西方国家一些绳系卫星试验不是很顺利，是很正常的事情。
  金栋平表示，他做绳系卫星的研究才几年的时间，该项目还有很多难题需要突破，目前中国要实现绳系卫星工程还有很多现实困难。但是他坚信，随着以后研究的深入，相关的技术一定会越来越成熟。
 
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