绳系卫星

航天器械

绳系卫星是航天科学家们受风筝启发而发明的。它以绳或链把卫星与航天飞机、宇宙飞船或空间站连接起来。

简介

卫星便可以随时投放或回收，而且还可以像富兰克林那样，用它来捕捉太空中的电能，以及完成其他普通卫星难以完成的任务。

绳系卫星由卫星、系绳和卷扬控制机构组成。系绳通常由具有足够强度又具一定柔软性的导电材料组成，绳粗1.65-2.60毫米，最长可达100多千米。

第一颗绳系卫星由意大利航天局研制，它呈球形，直径1.6米，重518千克，载有70千克重的科学仪器，用航天飞机来释放系绳卫星，可以拖在航天飞机后面，让其与航天飞机在同一高度上飞行；也可以让它像风筝那样，在航天飞机上方（卫星上配有小型喷气推力器，可把卫星推上较高的空间）高高运行；还可以让其挂在航天飞机的下方，像热气球下的挂篮般运行。

原理

绳系卫星的原理是动量矩守恒。一个物体或体系的动量，是它的质量与速度的乘积。在没有外力的作用下，一个体系的动量不变，这叫动量守恒。角动量、动量矩也都遵守这个规律。一个体系的动量、角动量或动量矩虽然不变，但可以转移。有一种玩具，有许多两头带重球的杆组成，两个重球可绕共同的中心转动；这个杆作为一个整体，又可与另一个这样的杆绕共同的中心转动；它们作为一个整体，又可与另一个同样的体系绕共同中心转动，如此等等。玩耍时只要让其中一个杆摆动起来，其他杆以至整个玩具就都摆动起来。这就是角动量转移形成的。摆动直到摩擦力和空气阻力消耗掉给它的动量为止。

在一个航天器的上下各栓一个绳系卫星，让它们转动起来后，就可始终相互绕转，产生人工重力。这是因为下降的绳系卫星可将动量转移给上升的绳系卫星。这叫系缆。用系缆的方法可将低轨道航天器上的物资送到高轨道，甚至月球上。

用途

近地空间探测

地球大气层上部的热层（高度约50-60千米），由于吸收了大量的太阳紫外线辐射，大气温度很高，可达1100摄氏度左右，而且还处于高度电离状态，是大气科学研究的热点。进行离地面100～200千米的地球行星空间进行探测时，对飞机和气球来说，这个高度太高；而对卫星来说，这个高度太低，都无法到达；而探空火箭的探测空域和时间又非常有限。绳系卫星在绕地球飞行时，可充分收集这里的大气数据，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。

绳系卫星的系绳若是由导电材料制成的，它也是一个探测器，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。

在离地面120千米左右的上层大气中，是2微米以下宇宙尘埃的高密度区，而且没有地面上风化的细砂土、火山喷发的尘埃、飞机和航天器燃气的混杂和污染。用绳系卫星收集这些尘埃宇宙粒子，并分析它们的化学性质，是研究天体演变过程的重要手段。

绳系卫星发电

大家知道地球是一个大磁场。当航天飞机携带着绳系卫星在空中飞行时，由导电材料制成的绳系卫星的系绳，在绕地球运动时切割地球磁力线，它就成为一台发电机，可以向绳系卫星和牵引它的航天器供电。它就像一台不要推进剂的推进系统，可将牵引它的航天器送升入更高的轨道，效能是火箭发动机的7～10倍。在这种情况下，据研究，每1000米长的系绳，可产生200伏左右的电压，若系绳为50千米长，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且经济。

1992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，为原计划20公里的1/78，但它产生了40伏特的电压及1.5毫安的电流，第二次释放到19.3千米，产生了3000伏特电压，可惜这时绳索断裂，绳系卫星丢失。

理论计算为：航天飞机在赤道上空圆型轨道由西向东飞，速度为7.5km/s.地磁场在航天飞机轨道处的磁应感应强度 B=0.50×10-4T，从航天飞机上发射出的一颗卫星，携带一根长L=20km的金属悬绳与航天飞机相连，航天飞机和卫星间的这条悬绳方向沿地球径向井指向地心，悬绳电阻约r=8O0Ω由绝缘层包裹．计算结果在绳上产生的电流强度应约3A．航天飞机中获得的电功率应约为1.53×104W 。这两次试验虽出师不利，这已证明：太空发电的设想是可行的，在人类的不懈努力下，太空发电的设想将会成为现实。

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