□作者: Enrico Lorenzini，Juan Sanmartin
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通過利用基本物理定律，航天飛纜可以為太空飛行提供低成本電能、拖曳和推進力，以及人造重力。
太空沒有加油站
每次執行航天任務時，太空飛船都必須攜帶足夠的能源以完成各項工作，常見的能源形式包括化學推進燃料、光電池組和核反應堆。
除此之外，只能采用貨運飛船供給方式，但費用昂貴得難以承受。例如要維持國際空間站在未來10年的預期使用壽命期間不致逐漸偏離軌道，就需要大約77噸的推進燃料。將燃料從地面運送到空間站360千米的高度，即使價格低至每磅（約0.45千克）7000美元（按照目前的標準已經非常便宜了），僅僅讓空間站維持軌道的穩定也需要12億美元。對于探索像木星這樣的外行星問題則更加復雜，因為它們距太陽太遙遠，使光電池的反應效率降低，而且每克燃料都必須運送到數億千米之外。
因此科學家將目光投向一種還處于實驗測試階段的新技術——航天飛纜。它利用基本物理定律來提供指向、人造重力、電能，以及推進和拖曳力，同時減少或擯棄對化學能源的需求。
航天飛纜是一種采用柔性纜索將兩個物體連接起來的系統。當纜索導電時，整個系統便成為一種電動力學纜索，又稱EDT。常規飛船采用化學或電能推進裝置，在飛船和推進燃料之間交換動量，而EDT則與此方式不同，它通過對磁場的調制與旋轉的行星交換動量[參見37頁圖示]。長期以來，航天飛纜便令太空愛好者著迷。齊奧爾科夫斯基與Arthur C. Clarke等幻想家曾設想利用纜索系統作為太空電梯，將人們從地面送上軌道空間。1960年代中期，雙子座飛行任務中有兩次測試了利用30米長的纜索為宇航員產生人造重力場，此後又進行了多種類型的纜索試驗。主要困難來自機電方面，工程師們尚未開發出可靠技術來處理EDT在太空中承受的高電壓。另外，他們也未能解決在惡劣的太空環境下纜索的維系問題，以及如何抑制EDT容易產生的振動。
但是，許多科學家認為該技術能夠對某些類型的太空飛行帶來革命，其應用範圍涉及從低地球軌道飛行到行星航天任務。EDT可能的用途包括︰清理地球軌道空間中的殘骸，以高于燃料電池的效率發電，以及讓衛星保持在合適的軌道上。
能自我調節的系統
航天飛纜利用有點違背直覺的軌道曲線運動力學原理︰在環繞行星運行的穩定軌道上，任何物體都受到兩股互相抵消的力量作用，即由軌道運動產生的外拉離心力剛好與向下的重力保持平衡，重力和離心力在該物體的重心處完全抵消。因此飛船上的觀察者將處于無重力狀態，感受不到任何加速度。
如果不是一顆完整的人造衛星，而是用一根纜索連接起來的、位于兩條略微不同軌道上的兩顆衛星，情況又會如何呢？纜索使得這兩顆衛星構成一個單獨的系統，重力和離心力在系統重心，即位于兩顆衛星的中間聯結處仍然處于平衡，但在每個衛星自身處不再保持平衡。對于靠近外側的衛星，重力較弱而離心力較強，因此合力將推使它向外移動。而靠近內側的衛星則正好情況相反，合力將它往里拉。
結果，由于位置較低的衛星繞地球運轉速度更快，因而像滑水者一樣拖曳著較高的衛星，因此位于外側的衛星將獲得較低軌道衛星損失的動量，從而使得其運行軌道擴大，而內側衛星的軌道則縮小。由于兩顆衛星彼此遠離，因而使纜索緊繃。非導電纜索通常由質輕而強韌的材料制成，如凱芙拉碳素縴維或Spectra高強度聚乙烯縴維等。纜索的張力很低，對于非旋轉的纜索系統，通常為0.5至5千克力。
系統唯一的平衡位置位于沿徑向拉伸的纜索上，叫做當地垂線。每次當系統偏離該平衡狀態時，會產生一個扭矩將它拉回來，結果使得系統像鐘擺一樣來回擺動。這種穩定性在1975年被用于地球觀測衛星GEOS-3，以便讓這顆配備有數米長硬性梁架的衛星保持面向地球。
研究人員將兩個物體之間的這種不平衡受力稱為重力梯度。處在外側衛星上的乘客會感到微弱的重力將他們拉離地球，而內側衛星上的乘客則會感到重力朝向地球。對于200至2000千米的低地球軌道，一條20千米長的纜索產生的重力大約為0.01g，為地球表面重力的百分之一。當重力小于0.1g時，人無法獲得足夠的牽引，所以宇航員將無法行走。但是對于使用工具、洗淋浴、使液體穩定等其他許多其他目的而言，具有確定的“上”和“下”顯然要比完全無重力的環境更優越。而且與其他許多創產生人工重力的技術不同，這種方法不需要讓衛星互相繞對方旋轉。
在纜索中使用鋁、銅或其他導體的EDT還可以提供其他好處，如可以作為發電機，當導體在磁場中移動時，導體中的帶電粒子受到垂直于運動方向和磁場方向的電磁力作用。因此，如果纜索在由南向北的地球磁場中自西向東穿過時，就會感應內部電子沿著纜索向下流動。
電離層是大氣層中的一個區域，高能太陽輻射將原子中的電子剝去，形成電子和離子的混合態，即等離子體。纜索可與電離層交換電子，從一端（陽極，或稱正電子吸引極）收集自由電子並將它們驅逐到另一端（陰極，或稱帶負電子發射極）。導電的電離層使該電路完成回路，結果產生一個穩定的電流，可用作飛船的電源。實際上，一個位于低地球軌道上的20千米長、具有適當陽極設計的纜索系統可產生40千瓦的功率，足以驅動載人飛船上的研究設備。
幾乎免費的午餐
所有EDT都具有一個共同的優點︰通過利用電磁學基本原理，它們可以降低或增加在軌道中的飛行速度。根據眾所周知的“右手法則”，磁場會對通電導線施加作用力，因此位于朝東方向低地球軌道上的EDT，電子從纜索的頂端向下流動，受力方向與運動方向相反。EDT受到類似空氣拖曳的阻力，會降低纜索系統的軌道高度。
這似乎不是人們所期望的特性，但是對于那些關心清除環繞地球運轉的失效衛星和廢棄的前級多級火箭等太空垃圾的計劃者來說，這一特性非常吸引人。事實上，解決該問題正是美國航空航天局、眾多大學以及小公司開發纜索系統的動機之一。目前，低地球軌道空間散布著數以千計的這種太空垃圾，其中大約有1500個質量超過100千克。最終，大氣阻力會使它們降低高度，清除出軌道，直到它們在重新進入濃密的低層大氣時燒毀。通常，位于200千米軌道高度的物體只須幾天就會消亡，400千米軌道高度的物體需要幾個月，而位于1000千米軌道高度的物體則需要2000年時間。
如果新發射的衛星攜帶有EDT，在其使用壽命即將終結時將此裝置打開，或者利用機器人操縱器捕獲到太空殘骸碎片，並將它們攜帶到一個軌道纜索系統上，這種阻力效應便可以加速其重返大氣層的時間進程[參見40頁圖示]。相反，通過使用光電池組或其他電源，在低地球軌道上逆轉EDT的電流方向，將會產生相反的效果。纜索系統受到與其運動方向一致的作用力，從而造成推進而不是拖曳，因此會提升其軌道高度。推進式EDT可充當太空拖船，將低地球軌道中的有效載荷運送到更高的軌道上，或者抑制軌道逐漸降低。前面提到的國際空間站昂貴的上推問題，如果采用一種其推進力只相當于空間站功率10%的電動力學纜索，那麼只需要17噸推進燃料（當前的設計需要77噸）即可避免軌道的逐漸降低。如果推進力再大些，幾乎可以完全不需要推進燃料。另外，在軌道上適時地啟動推進式EDT能夠產生側向力，可以改變飛船在軌道上的任意傾角；如果使用化學推進器來執行這項操作，則需要使用大量燃料。
當然，能量轉換與守恆定律規定沒有“免費的午餐”。例如，能量的產生是以犧牲衛星的高度為代價的，而高度又通過消耗火箭發動機的能量而獲得。因此乍一看，EDT似乎僅僅將一種能量形式轉換為另一種。在利用來自纜索的能量時，衛星軌道高度會下降，因此需要重新提升。相比之下，燃料電池直接將燃料轉化成電能。那何必要這麼麻煩呢？
答案是，不管表面上看有點自相矛盾，纜索系統實際上更高效。纜索與火箭的組合能夠比燃料電池產生更多的電能，因為電池不會從其燃料的軌道能量中獲益，而前者卻可以。在EDT系統中，產生的電能是磁場阻力做功的功率，也就是阻力的大小乘以衛星相對于磁化電離層的速度，在低地球軌道上大約為7.5千米/秒。相比之下，火箭產生的化學能等于推力的1/2乘以排氣速度。液氫和液氧混合物產生的排氣速度可高達5千米/秒。因此，實際上纜索與火箭的組合所產生的電能是純化學反應產生電能的3倍，而同樣使用氫和氧的燃料電池則不具備這種優點。
產生同樣的功率，纜索與火箭的組合消耗的燃料要比燃料電池少得多。不足之處是纜索比燃料電池要重，因此只有在使用期限超過5至10天時，用纜索發電才會帶來總體的節約效果。
[柯江華/譯 趙庚新/校]
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