解答：太空繩索——像放風箏一樣放衛星？

空少問答

小課堂

第三十七期

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太空繩索——像放風箏一樣放衛星？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《太空繩索——像放風箏一樣放衛星？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

答：繩系是我們的日常生活中非常實用的一種工具，隨處可見，例如海底光纜、纜車的牽引繩、船艦的補給結構和起重機的鋼索結構等。繩索能承擔生活生產中眾多的任務是有原因的，它只能承受拉力不能承受壓力，可以充分感受力的變化，便於控制物體運動。同時作為柔性連接體，它收放自如的延伸物體的作用範圍，不要佔據太多的空間就能輕鬆完成運載貨物等任務。

最初人們就想著能否把繩索的優良特性利用到空間探測器上，以增加航天器的穩定探測範圍，讓探測範圍延伸到從前無法觸及的區域。高度電離的熱層一直是空間大氣科學研究的熱點，然而對其長時間的穩定測量幾乎無法實現，其高度距離地面大約一兩百千米，對於衛星探測來說，軌道實在太低，大氣的制動作用很快就會終止任務，對於探空氣球來說，高度又過高了，無法充分收集數據，探空火箭似乎是個不錯的選擇，但又具有很大的時空局限性，成本問題也不得不考慮，就是這麼尷尬的距離導致對其的研究十分有限。

通過繩系衛星中的母星在高軌道上釋放一顆子星進入低軌道，就能充分與近地空間環境交流，獲得大量的實驗數據，並且還能通過母星對子星進行遠程控制，近地探測任務的要求可以很好地滿足。

事實也證明當繩子將兩顆甚至多顆衛星連在一起時，它的作用遠遠超出人們對於「放風箏一樣放衛星」的想像。

當繩系衛星的母星與子星處在地球引力場中，同時在地球軌道上存在高度差，兩顆在不同高度的衛星就會產生重力梯度效應，繩子越長效應越明顯，從而實現人造重力，維持空間重力環境，保證航天人員的鈣質吸收。

在深空探測中，衛星都盡量發射到地球月球太陽三體的引力平衡點以實現平動，這個位置大氣、碎片和地磁場等干擾相對較少，從而成為空間探測實驗的理想位置，然而實現衛星的真正平動需要消耗大量的能量，利用繩系衛星系統的離心力與引力梯度實現系統的平衡不僅能節約燃料，還能實現對繩系衛星系統的控制。

繩系衛星系統還具有動量交換特性，當連接子星與母星的繩子斷開了，繩子的張力突然消失，系統的動量實現突變，便完成了動量交換。可別小瞧這個特性，動量交換的特性可以在衛星系統變軌、空間投放和太空垃圾清除方面起到很好的作用。在一次繩系衛星實驗過程中，人們意外地發現了動量轉移的壯觀景象。

當時，衛星正處在飛船上方20千米的地方，繩子斷裂後，巨大的動量使衛星驟升到飛船上方140千米處，這種不需要消耗燃料就能實現變軌的方式太讓人驚喜了。繩系衛星系統使衛星的軌道能升也能降，當有效載荷的速度小於在該軌道上運行的物體所需的速度時，在適當時候切斷這根繩子，就會使有效載荷朝著地球表面上的預定點飛去。

這樣繩索就能替國際太空站向地球發送緊急裝備了，例如：一艘飛船運不回去的科學實驗有效載荷，或者是廢棄的太空艙，這樣也能不僅加快運輸效率，同時也能減少太空垃圾。

如果繫繩夠長，它還能發電，當然這得感謝地球強大的磁場。

繩索在運行的過程中會切割地球的磁力線，這樣就可以產生洛侖磁力和電勢差。電流通過導纜繩不僅可以給衛星充電，而且電流在地磁場中可以產生強大的推力來推進衛星並實施變軌，這種操作經濟而且不消耗大量推進劑的綠色飛行方式實在太誘人了。

1994年，科學家曾在「亞特蘭蒂斯」號太空梭上進行過一項利用金屬纜繩發電的試驗．在太空梭正常飛行時，從機上對準地心發射一根長20km的金屬纜繩，穿過地磁場的纜繩瞬間產生了3500伏的高壓，實驗證明這種電力繩索可以把飛船的動量轉化為上千瓦的電功率。儘管最後實驗還是失敗了，但卻意外的發現了動量傳遞效應。目前，美國航空宇航局仍在研究如何使用電力繩索實現無推進劑太空推進，相信不久的將來塔吊式飛行也能出現在太空了。

雖然效果是驚人的，但是它依然還有許多困難需要克服，首先就是繩子的質量問題，這也是多次試驗失敗的重要原因，如何在高速飛行中躲避和承受住流星體的撞擊是對其的重大考驗。

其次，繩系衛星系統是多顆衛星編隊飛行，它們的運動存在嚴重的耦合關係，這裡面必然引入許多繩系的約束，例如星體的相對位置和繩索柔性結構的特質等，這就決定了繩系在空間中具有極其複雜的動力學特性，如何展開繩系衛星系統、控制子母星並且穩定運行是能否發展好這項技術的關鍵。

未來太空繩索能否在太空中得到廣泛運用，讓我們拭目以待吧！

留言區·精選

@ 歌者

鑒於繩系衛星便於存放的特點，可搭配有小型酬載艙的航天器作為應急通訊轉接，應急維修，主航天器不靠近式探測。

@ 春子弄墨

我想，除了收放自如而且不需要考慮回收等問題，最大的特點應該是，在一定的範圍內它能夠配合主探測器工作，能夠實現主探測器所不能運行的軌道或同時在兩個不同區域內靈活地完成特殊的太空任務，還能大幅度降低任務的成本……

@ 無名

切割磁感線產生電流。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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