繩系衛星

繩系衛星是航天科學家們受風箏啟發而發明的。它以繩或鏈把衛星與太空梭、宇宙飛船或空間站連線起來。

基本介紹

• 中文名：繩系衛星
• 外文名：Tethered Satellite
• 適用對象：空間衛星
• 組成機構：衛星、繫繩和卷揚控制機構
• 原理：動量矩守恆
• 附帶功能：發電

簡介

衛星便可以隨時投放或回收，而且還可以像富蘭克林那樣，用它來捕捉太空中的電能，以及完成其他普通衛星難以完成的任務。

繩系衛星

繩系衛星由衛星、繫繩和卷揚控制機構組成。繫繩通常由具有足夠強度又具一定柔軟性的導電材料組成，繩粗1.65-2.60毫米，最長可達100多千米。

第一顆繩系衛星由義大利航天局研製，它呈球形，直徑1.6米，重518千克，載有70千克重的科學儀器，用太空梭來釋放繫繩衛星，可以拖在太空梭後面，讓其與太空梭在同一高度上飛行；也可以讓它像風箏那樣，在太空梭上方（衛星上配有小型噴氣推力器，可把衛星推上較高的空間）高高運行；還可以讓其掛在太空梭的下方，像熱氣球下的掛籃般運行。

原理

繩系衛星的原理是動量矩守恆。一個物體或體系的動量，是它的質量與速度的乘積。在沒有外力的作用下，一個體系的動量不變，這叫動量守恆。角動量、動量矩也都遵守這個規律。一個體系的動量、角動量或動量矩雖然不變，但可以轉移。有一種玩具，有許多兩頭帶重球的桿組成，兩個重球可繞共同的中心轉動；這個桿作為一個整體，又可與另一個這樣的桿繞共同的中心轉動；它們作為一個整體，又可與另一個同樣的體系繞共同中心轉動，如此等等。玩耍時只要讓其中一個桿擺動起來，其他桿以至整個玩具就都擺動起來。這就是角動量轉移形成的。擺動直到摩擦力和空氣阻力消耗掉給它的動量為止。

在一個太空飛行器的上下各栓一個繩系衛星，讓它們轉動起來後，就可始終相互繞轉，產生人工重力。這是因為下降的繩系衛星可將動量轉移給上升的繩系衛星。這叫系纜。用系纜的方法可將低軌道太空飛行器上的物資送到高軌道，甚至月球上。

用途

近地空間探測

地球大氣層上部的熱層（高度約50-60千米），由於吸收了大量的太陽紫外線輻射，大氣溫度很高，可達1100攝氏度左右，而且還處於高度電離狀態，是大氣科學研究的熱點。進行離地面100～200千米的地球行星空間進行探測時，對飛機和氣球來說，這個高度太高；而對衛星來說，這個高度太低，都無法到達；而探空火箭的探測空域和時間又非常有限。繩系衛星在繞地球飛行時，可充分收集這裡的大氣數據，了解太陽活動如何通過高、中層大氣影響地面氣候和天氣變化等。若是一串繩系衛星，則可收集到不同高度上的有關數據。

繩系衛星的繫繩若是由導電材料製成的，它也是一個探測器，可以對電離層和地球磁力線的磁場進行探測，研究太陽風和地球磁場、太陽風和彗星尾跡的電漿流之間的相互作用。

在離地面120千米左右的上層大氣中，是2微米以下宇宙塵埃的高密度區，而且沒有地面上風化的細砂土、火山噴發的塵埃、飛機和太空飛行器燃氣的混雜和污染。用繩系衛星收集這些塵埃宇宙粒子，並分析它們的化學性質，是研究天體演變過程的重要手段。

繩系衛星發電

大家知道地球是一個大磁場。當太空梭攜帶著繩系衛星在空中飛行時，由導電材料製成的繩系衛星的繫繩，在繞地球運動時切割地球磁力線，它就成為一台發電機，可以向繩系衛星和牽引它的太空飛行器供電。它就像一台不要推進劑的推進系統，可將牽引它的太空飛行器送升入更高的軌道，效能是火箭發動機的7～10倍。在這種情況下，據研究，每1000米長的繫繩，可產生200伏左右的電壓，若繫繩為50千米長，則可產生7.4千伏的電壓，5安培的電流，32千瓦的功率。因此，若用它來為空間的各種太空飛行器供電，要比目前廣泛採用的太陽能電池板來得簡單且經濟。

1992和1996年，義大利研製的繩系衛星，兩次由美國太空梭攜帶，在太空進行試驗。第一次由於繩索纏繞，只釋放到250米，為原計畫20公里的1/78，但它產生了40伏特的電壓及1.5毫安的電流，第二次釋放到19.3千米，產生了3000伏特電壓，可惜這時繩索斷裂，繩系衛星丟失。

理論計算為：太空梭在赤道上空圓型軌道由西向東飛，速度為7.5km/s.地磁場在太空梭軌道處的磁應感應強度 B=0.50×10-4T，從太空梭上發射出的一顆衛星，攜帶一根長L=20km的金屬懸繩與太空梭相連，太空梭和衛星間的這條懸繩方向沿地球徑向井指向地心，懸繩電阻約r=8O0Ω由絕緣層包裹．計算結果在繩上產生的電流強度應約3A．太空梭中獲得的電功率應約為1.53×104W 。這兩次試驗雖出師不利，這已證明：太空發電的構想是可行的，在人類的不懈努力下，太空發電的構想將會成為現實。