天文史上的今天:一次特殊的太空实验,一根20公里长的金属缆绳

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   摘要:

  1996年2月25日,美国实施一次太空导电缆绳实验,验证了这项技术的可行性,实验取得部分成功。

  

  1996年2月25日,STS-75航天飞机任务徽标,由哥伦比亚号航天飞机执行

  来源:NASA

  1996年2月25日,美国哥伦比亚号航天飞机执行STS-75任务,其中一项主要工作便是进行“缆绳卫星系统重飞实验”(TSS-1R),目的是研究缆绳系统在地球电离层中飞行时的电动力学性质。

  这是一种电动力缆绳,其主要原理是利用导电缆绳以轨道速度在地球磁场中运动所产生的洛伦兹力,并通过改变电流运动方向改变洛伦兹力方向,以实现对航天器施加推力或者阻力,从而理论上可以在不需要任何燃料的情况下,对航天器进行加速或减速的目的。

  

  利用导电缆绳切割地球磁感线产生感应电流,并通过调整电流在缆绳内流动方向,进而改变洛伦兹力方向,实现对飞船的加速或减速原理图

  汉化制图:微信公众号:星空早知道

  当然扩展开去,这种技术也可以用于未来航天器在寿命即将结束时的离轨操作。可以设想,未来即将到期的航天器将不再需要消耗燃料,而是只要伸出缆绳,利用洛伦兹力实现减速并脱离轨道坠落,从而减少太空垃圾的污染。

  甚至,科学家们还设想直接利用切割行星磁感线产生的感应电流为航天器设备进行供电,这样也就在蓄电池,放射性同位素热差电机和太阳能帆板等卫星供电方式之外,提供了一种全新的选择。

  

  正在从航天飞机上释放的缆绳卫星,它将拉出一根长达20公里的金属缆绳

  事实上,这项技术设想之前在1992年就已经进行了一次测试,由亚特兰蒂斯号航天飞机在STS-46次飞行期间执行,任务代号“TSS-1”,即“缆绳卫星系统一号”。

  在那次实验中,从亚特兰蒂斯号航天飞机上伸出一根导电缆绳,连接一个直径1.6米的球形卫星,随着航天飞机在地球磁场中飞行而产生感应电流。这次实验的目的在于验证这样做能否真正产生感应电流,并用于为航天飞机上的设备提供电力,类似一种太空发电机。

  

  刚刚开始释放缆绳的场景,可以看到1.6米直径的远端缆绳卫星

  按照原计划,航天飞机伸出的缆绳长度将超过20公里,结果由于机械故障,转动轴卡住了,缆绳最终只伸出去256米,任务被迫结束。

  1996年2月25日,美国宇航局再次进行这项技术的测试,这次由哥伦比亚号航天飞机执行,任务称作“TSS-1R”,即“缆绳卫星系统重飞实验”。

  

  示意图:航天飞机释放金属缆绳实验

  来源:NASA

  这次实验中,航天飞机乘员组经过努力,成功释放长达20公里的缆绳系统,但意外还是发生了:在缆绳全部释放5个小时之后,缆绳远端突然发生了断裂。

  后来的诊断显示这可能与该处绝缘材料发生破损导致的缆绳剧烈防电效应有关。由于离心力影响,远端连接的圆球卫星迅速飞向了更高的轨道。

  即便发生了这样的意外,但这次任务仍然积累了大量有用数据。实验显示,在缆绳完全释放之后,导电缆绳内的感应电流强度至少是理论预测的3倍以上。

  

  STS-75航天飞机乘组和任务徽标,背景是缆绳卫星实验场景

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