美國,、加拿大,、日本等國家，已經(jīng)向太空中發(fā)射過繩系衛(wèi)星或航天器,。在國家自然科學(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)行了多項繩系控制系統(tǒng)和繩系衛(wèi)星編隊構(gòu)形的穩(wěn)定性與控制方面的研究。目前,，該課題組在實驗室模擬太空環(huán)境條件進(jìn)行地面實驗,，已經(jīng)成功地進(jìn)行了繩系衛(wèi)星的釋放和回收。
繩系編隊衛(wèi)星的優(yōu)勢
“就像照相機(jī)的鏡頭一樣,，衛(wèi)星對地面觀測的孔徑有限,，想擴(kuò)大觀測范圍就要擴(kuò)大衛(wèi)星觀測孔徑或用一組衛(wèi)星進(jìn)行編隊觀測。如果做一個孔徑大的衛(wèi)星,，成本要比用一組小孔徑衛(wèi)星進(jìn)行編隊觀測高出很多很多,。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)成一定的隊形就是繩系衛(wèi)星編隊飛行,。
繩系衛(wèi)星常用來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和地球礦產(chǎn)資源探測。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，對飛機(jī)和氣球來說,，這個高度太高,；對衛(wèi)星來說，這個高度太低,，都難以到達(dá),；而探空火箭的探測空域和時間又非常有限。繩系衛(wèi)星在繞地球飛行時,，可充分收集這里的大氣數(shù)據(jù),，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(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)星的太陽能電池出故障時,，可以把另一顆衛(wèi)星的部分能量傳過去，延長總體使用壽命,。同時這條導(dǎo)線也是一種探測器,。
科學(xué)家還設(shè)想利用這條導(dǎo)線切割地球磁場發(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，由美國航天飛機(jī)攜帶,，在太空進(jìn)行試驗,。該實驗釋放到距離地面19.3千米，產(chǎn)生了3000伏特電壓,，可惜這時繩索斷裂,，繩系衛(wèi)星丟失。
繩系讓衛(wèi)星收放自如
“因為觀察和探測的需要,，衛(wèi)星編隊飛行的難點之一就是要保持一定的隊形穩(wěn)定,。”金棟平說,，“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)星在太空中有一個自旋的力，可以讓繩子保持一定的張力,。因為相互間有繩子的約束,，用繩子的收、放來保持或改變隊形更容易些,?！?/p>
據(jù)介紹，構(gòu)形的穩(wěn)定就能實現(xiàn)更大探測范圍的覆蓋,，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,、激光測距等才更好實現(xiàn),。目前簡單的構(gòu)形有等腰三角形、菱形,、菱錐體等多種編隊方式,。不但節(jié)省控制編隊飛行所消耗的燃料，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)實驗,，我們可以像放風(fēng)箏一樣釋放回收，重復(fù)利用,?！苯饤澠秸f，“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?，我們也可以做成一個繩網(wǎng)，像用魚網(wǎng)捕魚一樣捕捉太空廢棄物,、空間垃圾,。”金棟平說,，“我們目前在實驗室模擬太空環(huán)境進(jìn)行地面實驗,，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,，將它付諸實現(xiàn)?！?/p>
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