□作者: Enrico Lorenzini，Juan Sanmartin
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通过利用基本物理定律，航天飞缆可以为太空飞行提供低成本电能、拖曳和推进力，以及人造重力。
太空没有加油站
每次执行航天任务时，太空飞船都必须携带足够的能源以完成各项工作，常见的能源形式包括化学推进燃料、光电池组和核反应堆。
除此之外，只能采用货运飞船供给方式，但费用昂贵得难以承受。例如要维持国际空间站在未来10年的预期使用寿命期间不致逐渐偏离轨道，就需要大约77吨的推进燃料。将燃料从地面运送到空间站360千米的高度，即使价格低至每磅（约0.45千克）7000美元（按照目前的标准已经非常便宜了），仅仅让空间站维持轨道的稳定也需要12亿美元。对于探索像木星这样的外行星问题则更加复杂，因为它们距太阳太遥远，使光电池的反应效率降低，而且每克燃料都必须运送到数亿千米之外。
因此科学家将目光投向一种还处于实验测试阶段的新技术——航天飞缆。它利用基本物理定律来提供指向、人造重力、电能，以及推进和拖曳力，同时减少或摈弃对化学能源的需求。
航天飞缆是一种采用柔性缆索将两个物体连接起来的系统。当缆索导电时，整个系统便成为一种电动力学缆索，又称EDT。常规飞船采用化学或电能推进装置，在飞船和推进燃料之间交换动量，而EDT则与此方式不同，它通过对磁场的调制与旋转的行星交换动量[参见37页图示]。长期以来，航天飞缆便令太空爱好者着迷。齐奥尔科夫斯基与Arthur C. Clarke等幻想家曾设想利用缆索系统作为太空电梯，将人们从地面送上轨道空间。1960年代中期，双子座飞行任务中有两次测试了利用30米长的缆索为宇航员产生人造重力场，此后又进行了多种类型的缆索试验。主要困难来自机电方面，工程师们尚未开发出可靠技术来处理EDT在太空中承受的高电压。另外，他们也未能解决在恶劣的太空环境下缆索的维系问题，以及如何抑制EDT容易产生的振动。
但是，许多科学家认为该技术能够对某些类型的太空飞行带来革命，其应用范围涉及从低地球轨道飞行到行星航天任务。EDT可能的用途包括：清理地球轨道空间中的残骸，以高于燃料电池的效率发电，以及让卫星保持在合适的轨道上。
能自我调节的系统
航天飞缆利用有点违背直觉的轨道曲线运动力学原理：在环绕行星运行的稳定轨道上，任何物体都受到两股互相抵消的力量作用，即由轨道运动产生的外拉离心力刚好与向下的重力保持平衡，重力和离心力在该物体的重心处完全抵消。因此飞船上的观察者将处于无重力状态，感受不到任何加速度。
如果不是一颗完整的人造卫星，而是用一根缆索连接起来的、位于两条略微不同轨道上的两颗卫星，情况又会如何呢？缆索使得这两颗卫星构成一个单独的系统，重力和离心力在系统重心，即位于两颗卫星的中间联结处仍然处于平衡，但在每个卫星自身处不再保持平衡。对于靠近外侧的卫星，重力较弱而离心力较强，因此合力将推使它向外移动。而靠近内侧的卫星则正好情况相反，合力将它往里拉。
结果，由于位置较低的卫星绕地球运转速度更快，因而像滑水者一样拖曳着较高的卫星，因此位于外侧的卫星将获得较低轨道卫星损失的动量，从而使得其运行轨道扩大，而内侧卫星的轨道则缩小。由于两颗卫星彼此远离，因而使缆索紧绷。非导电缆索通常由质轻而强韧的材料制成，如凯芙拉碳素纤维或Spectra高强度聚乙烯纤维等。缆索的张力很低，对于非旋转的缆索系统，通常为0.5至5千克力。
系统唯一的平衡位置位于沿径向拉伸的缆索上，叫做当地垂线。每次当系统偏离该平衡状态时，会产生一个扭矩将它拉回来，结果使得系统像钟摆一样来回摆动。这种稳定性在1975年被用于地球观测卫星GEOS-3，以便让这颗配备有数米长硬性梁架的卫星保持面向地球。
研究人员将两个物体之间的这种不平衡受力称为重力梯度。处在外侧卫星上的乘客会感到微弱的重力将他们拉离地球，而内侧卫星上的乘客则会感到重力朝向地球。对于200至2000千米的低地球轨道，一条20千米长的缆索产生的重力大约为0.01g，为地球表面重力的百分之一。当重力小于0.1g时，人无法获得足够的牵引，所以宇航员将无法行走。但是对于使用工具、洗淋浴、使液体稳定等其他许多其他目的而言，具有确定的“上”和“下”显然要比完全无重力的环境更优越。而且与其他许多创产生人工重力的技术不同，这种方法不需要让卫星互相绕对方旋转。
在缆索中使用铝、铜或其他导体的EDT还可以提供其他好处，如可以作为发电机，当导体在磁场中移动时，导体中的带电粒子受到垂直于运动方向和磁场方向的电磁力作用。因此，如果缆索在由南向北的地球磁场中自西向东穿过时，就会感应内部电子沿着缆索向下流动。
电离层是大气层中的一个区域，高能太阳辐射将原子中的电子剥去，形成电子和离子的混合态，即等离子体。缆索可与电离层交换电子，从一端（阳极，或称正电子吸引极）收集自由电子并将它们驱逐到另一端（阴极，或称带负电子发射极）。导电的电离层使该电路完成回路，结果产生一个稳定的电流，可用作飞船的电源。实际上，一个位于低地球轨道上的20千米长、具有适当阳极设计的缆索系统可产生40千瓦的功率，足以驱动载人飞船上的研究设备。
几乎免费的午餐
所有EDT都具有一个共同的优点：通过利用电磁学基本原理，它们可以降低或增加在轨道中的飞行速度。根据众所周知的“右手法则”，磁场会对通电导线施加作用力，因此位于朝东方向低地球轨道上的EDT，电子从缆索的顶端向下流动，受力方向与运动方向相反。EDT受到类似空气拖曳的阻力，会降低缆索系统的轨道高度。
这似乎不是人们所期望的特性，但是对于那些关心清除环绕地球运转的失效卫星和废弃的前级多级火箭等太空垃圾的计划者来说，这一特性非常吸引人。事实上，解决该问题正是美国航空航天局、众多大学以及小公司开发缆索系统的动机之一。目前，低地球轨道空间散布着数以千计的这种太空垃圾，其中大约有1500个质量超过100千克。最终，大气阻力会使它们降低高度，清除出轨道，直到它们在重新进入浓密的低层大气时烧毁。通常，位于200千米轨道高度的物体只须几天就会消亡，400千米轨道高度的物体需要几个月，而位于1000千米轨道高度的物体则需要2000年时间。
如果新发射的卫星携带有EDT，在其使用寿命即将终结时将此装置打开，或者利用机器人操纵器捕获到太空残骸碎片，并将它们携带到一个轨道缆索系统上，这种阻力效应便可以加速其重返大气层的时间进程[参见40页图示]。相反，通过使用光电池组或其他电源，在低地球轨道上逆转EDT的电流方向，将会产生相反的效果。缆索系统受到与其运动方向一致的作用力，从而造成推进而不是拖曳，因此会提升其轨道高度。推进式EDT可充当太空拖船，将低地球轨道中的有效载荷运送到更高的轨道上，或者抑制轨道逐渐降低。前面提到的国际空间站昂贵的上推问题，如果采用一种其推进力只相当于空间站功率10%的电动力学缆索，那么只需要17吨推进燃料（当前的设计需要77吨）即可避免轨道的逐渐降低。如果推进力再大些，几乎可以完全不需要推进燃料。另外，在轨道上适时地启动推进式EDT能够产生侧向力，可以改变飞船在轨道上的任意倾角；如果使用化学推进器来执行这项操作，则需要使用大量燃料。
当然，能量转换与守恒定律规定没有“免费的午餐”。例如，能量的产生是以牺牲卫星的高度为代价的，而高度又通过消耗火箭发动机的能量而获得。因此乍一看，EDT似乎仅仅将一种能量形式转换为另一种。在利用来自缆索的能量时，卫星轨道高度会下降，因此需要重新提升。相比之下，燃料电池直接将燃料转化成电能。那何必要这么麻烦呢？
答案是，不管表面上看有点自相矛盾，缆索系统实际上更高效。缆索与火箭的组合能够比燃料电池产生更多的电能，因为电池不会从其燃料的轨道能量中获益，而前者却可以。在EDT系统中，产生的电能是磁场阻力做功的功率，也就是阻力的大小乘以卫星相对于磁化电离层的速度，在低地球轨道上大约为7.5千米/秒。相比之下，火箭产生的化学能等于推力的1/2乘以排气速度。液氢和液氧混合物产生的排气速度可高达5千米/秒。因此，实际上缆索与火箭的组合所产生的电能是纯化学反应产生电能的3倍，而同样使用氢和氧的燃料电池则不具备这种优点。
产生同样的功率，缆索与火箭的组合消耗的燃料要比燃料电池少得多。不足之处是缆索比燃料电池要重，因此只有在使用期限超过5至10天时，用缆索发电才会带来总体的节约效果。
[柯江华/译 赵庚新/校]
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