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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。在國家自然科學基金資助下，南京航空航天大學教授金棟平帶領(lǐng)的課題組進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)境條件進行地面實驗，已經(jīng)成功地進行了繩系衛(wèi)星的釋放和回收。

繩系編隊衛(wèi)星的優(yōu)勢

“就像照相機的鏡頭一樣，衛(wèi)星對地面觀測的孔徑有限，想擴大觀測范圍就要擴大衛(wèi)星觀測孔徑或用一組衛(wèi)星進行編隊觀測。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)，這里沒有地面上風化的細砂土、火山噴發(fā)的塵埃、飛機和航天器燃氣的混雜和污染。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；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)星間相互補充電力。當某顆衛(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。同時這條導線也是一種探測器。

科學家還設(shè)想利用這條導線切割地球磁場發(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，由美國航天飛機攜帶，在太空進行試驗。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撲構(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)星非常有利于進行空間環(huán)境方面的科學實驗，我們可以像放風箏一樣釋放回收，重復利用?！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械手，進行衛(wèi)星修復，修復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?！苯饤澠秸f，“我們目前在實驗室模擬太空環(huán)境進行地面實驗，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>