美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家，已經(jīng)向太空中發(fā)射過繩系衛(wèi)星或航天器。在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，南京航空航天大學(xué)教授金棟平帶領(lǐng)的課題組進(jìn)行了多項(xiàng)繩系控制系統(tǒng)和繩系衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)形的穩(wěn)定性與控制方面的研究。目前，該課題組在實(shí)驗(yàn)室模擬太空環(huán)境條件進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成功地進(jìn)行了繩系衛(wèi)星的釋放和回收。
繩系編隊(duì)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)
“就像照相機(jī)的鏡頭一樣，衛(wèi)星對(duì)地面觀測(cè)的孔徑有限，想擴(kuò)大觀測(cè)范圍就要擴(kuò)大衛(wèi)星觀測(cè)孔徑或用一組衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)觀測(cè)。如果做一個(gè)孔徑大的衛(wèi)星，成本要比用一組小孔徑衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)觀測(cè)高出很多很多。而兩者的功能和效果是一樣的?！苯饤澠秸f。
顧名思義，繩系衛(wèi)星就是由繩索系著的衛(wèi)星，它由一根繩索拴在航天器上，或另一顆衛(wèi)星上。如果是幾顆衛(wèi)星間用特殊的繩子系起來，構(gòu)成一定的隊(duì)形就是繩系衛(wèi)星編隊(duì)飛行。
繩系衛(wèi)星常用來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球礦產(chǎn)資源探測(cè)。此外繩系衛(wèi)星有很多特殊的用途。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(qū)，這里沒有地面上風(fēng)化的細(xì)砂土、火山噴發(fā)的塵埃、飛機(jī)和航天器燃?xì)獾幕祀s和污染。用繩系衛(wèi)星收集這些塵埃宇宙粒子，并分析它們的化學(xué)性質(zhì)，是研究天體演變過程的重要手段。離地面100千米～200千米的地球行星空間，對(duì)飛機(jī)和氣球來說，這個(gè)高度太高；對(duì)衛(wèi)星來說，這個(gè)高度太低，都難以到達(dá)；而探空火箭的探測(cè)空域和時(shí)間又非常有限。繩系衛(wèi)星在繞地球飛行時(shí)，可充分收集這里的大氣數(shù)據(jù)，了解太陽(yáng)活動(dòng)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(wèi)星，則可收集到不同高度上的有關(guān)數(shù)據(jù)。
繩系衛(wèi)星的繩子，如果用導(dǎo)電材料制成，既可以完成衛(wèi)星間的通信功能，又能在衛(wèi)星間相互補(bǔ)充電力。當(dāng)某顆衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池出故障時(shí)，可以把另一顆衛(wèi)星的部分能量傳過去，延長(zhǎng)總體使用壽命。同時(shí)這條導(dǎo)線也是一種探測(cè)器。
科學(xué)家還設(shè)想利用這條導(dǎo)線切割地球磁場(chǎng)發(fā)電，為衛(wèi)星設(shè)備提供能源。1996年，意大利研制的繩系衛(wèi)星，由美國(guó)航天飛機(jī)攜帶，在太空進(jìn)行試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)釋放到距離地面19.3千米，產(chǎn)生了3000伏特電壓，可惜這時(shí)繩索斷裂，繩系衛(wèi)星丟失。
繩系讓衛(wèi)星收放自如
“因?yàn)橛^察和探測(cè)的需要，衛(wèi)星編隊(duì)飛行的難點(diǎn)之一就是要保持一定的隊(duì)形穩(wěn)定?！苯饤澠秸f，“繩系衛(wèi)星的繩子用特殊材料制成，發(fā)射前繩子縮在一個(gè)容器中，送到太空后，由釋放器將繩子放出，衛(wèi)星在太空中有一個(gè)自旋的力，可以讓繩子保持一定的張力。因?yàn)橄嗷ラg有繩子的約束，用繩子的收、放來保持或改變隊(duì)形更容易些。”
據(jù)介紹，構(gòu)形的穩(wěn)定就能實(shí)現(xiàn)更大探測(cè)范圍的覆蓋，所以首先要解決的是怎樣的拓?fù)錁?gòu)形是穩(wěn)定的，這樣星間通訊、超聲波定位、激光測(cè)距等才更好實(shí)現(xiàn)。目前簡(jiǎn)單的構(gòu)形有等腰三角形、菱形、菱錐體等多種編隊(duì)方式。不但節(jié)省控制編隊(duì)飛行所消耗的燃料，還可以改善控制精度等。
“繩系衛(wèi)星非常有利于進(jìn)行空間環(huán)境方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們可以像放風(fēng)箏一樣釋放回收，重復(fù)利用。”金棟平說，“如果某顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，我們也可以從空間站釋放出一個(gè)繩系機(jī)械手，進(jìn)行衛(wèi)星修復(fù)，修復(fù)后再將它推到既定的軌道上?！?/p>
這種自如的收放減少了太空垃圾的產(chǎn)生?！岸遥覀円部梢宰龀梢粋€(gè)繩網(wǎng)，像用魚網(wǎng)捕魚一樣捕捉太空廢棄物、空間垃圾?！苯饤澠秸f，“我們目前在實(shí)驗(yàn)室模擬太空環(huán)境進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成功釋放回收。目前理論方面的問題已經(jīng)基本解決，下一步就看能否和航空航天院所結(jié)合，和材料方面的研究者一起，將它付諸實(shí)現(xiàn)?！?/p>
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