出处 应用基本物理定律产生的动力，乘着缆索即可在太空飞行，火箭推进将不再是唯一的选择。

撰文╱罗伦兹尼（Enrico Lorenzini）、桑马丁（Juan Sanmart）

翻译／傅宗玫



缆索系统在探索木星及其卫星时的运作方式（想像图）。当整个装置和系附其上的研究仪器滑行通过木卫二与木卫四间的太空时，缆索系统便藉由与木星（背景）的强大磁场交互作用而产生能量。
太空中可没有加油站。每次太空任务，太空船都必须携带完成工作所需的全部能量来源，通常是化学推进剂、光电电池或核反应器。
除此之外，唯一能选择的递送服务可是贵得吓人。例如，要维持国际太空站（International Space Station）在预估的10年生命期内不会逐渐偏离轨道，估计需要77公吨的助力器推进剂。而要将燃料送到太空站所在的360公里高度，即使以最低价格：每磅7000美元（以目前标准而言，是贱如尘土的价格），也需要12亿美元来维持轨道的稳定。这些问题在探索木星等外行星时更加复杂，因为它们距离太阳太远，使光电电池的生电效率降低，且每公克燃料都必须被载送到几亿公里之远。
因此科学家正重新审视一项经过实验测试的技术──太空缆索（Space Tether）。它利用基础物理定律，提供指向、人造重力、电能、推进和拖曳力，因而降低或消除对化学性能量来源的需求。缆索是由一条可以弯曲的缆线连结两个物体所组成的系统。如果缆索是导电的，那么整个系统就成为电动缆索，或称EDT（electrodynamic tether）。不同于传统设计中利用化学或电能推进器，使太空船和推进剂之间交换动量，EDT则是透过磁场的调节，与旋转中的行星交换动量。

利用可弯曲缆线连接两个物体成为太空缆索。上图为美国海军研究实验室的一项「进阶缆索试验」合成影像，图示为其半伸张的状态。
长久以来，缆索令太空狂热者深深着迷。如齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）和克拉克（Arthur C. Clarke）等的梦想家，便曾想像利用缆索做为太空电梯，将人从地面快速送上轨道。1960年代中期，两项双子星飞行任务即测试利用30公尺长的缆索为太空人产生人造重力。自那之后，又进行了许多类型的缆索实验。主要的挑战在于机电方面：工程师尚未研发出可靠的技术，以处理EDT在太空中所遭受到的高电压。他们也还未能解决让缆索在恶劣的太空环境中得以续存的所有相关问题，或找出方法抑制EDT可能产生的各种震动。
尽管如此，许多科学家相信这项技术将革新某些类型的太空飞行，应用的层面遍括地球低轨道到行星任务。EDT可能被用来清理环绕地球轨道的残骸、以高于燃料电池的效率发电并使人造卫星保持在适当的轨道上。
能自我修正的系统
缆索利用了轨道动力学里有时违悖直觉的特性。在环绕行星运行的稳定轨道上，任何物体都受到两股相抗衡力量的作用：轨道运行造成向外拉的离心力恰好与向下的重力平衡。在物体的质心重力和离心力正好抵消。因此太空舱内的观测者处于无重力状态，不会感受到任何加速度。
如果把一个完整的人造卫星，换成两个分别在略微不同轨道上的卫星，并以缆索相连，会发生什么事？缆索会使得两枚卫星成为单一系统。重力和离心力在位于两枚卫星之间的质心仍然会相抵消，但是在个别卫星却不平衡。外侧的卫星所受重力较弱而离心力较强；因此净力将把它向外推。内侧的卫星则正好相反而被往内拉。
所发生的现象是，较低轨道的卫星运行较快，于是会像滑水者般拖曳着它的同伴。因此外侧的卫星从较低轨道的卫星获取动量，使得前者的轨道扩大而后者轨道缩小。两枚卫星彼此远离，因而使缆索保持在紧绷的状态。不导电的缆索通常是由质轻而强韧的材料制成，例如克维拉（一种碳纤维）或光谱纤维（一种高强度聚乙烯）。缆索的张力颇低，不旋转的缆索系统张力通常在0.5~5公斤重左右。
此系统唯一的平衡位置是当缆索处于平行于径向方向时，即局部垂线。每当系统从这个平衡状态偏斜，就会产生一个力矩将它拉回去，并像钟摆一样摆动。这种稳定机制曾在1975年时应用于观测地球的地球动力实验海洋卫星（GEOS-3），其上装有一支数公尺长的刚性吊杆，使卫星保持面朝地球。
研究人员把两个物体之间的受力不平衡称为「重力梯度」。乘客在外卫星上会感觉到轻微的重力将他们拉离地球，而在内卫星上则是朝向地球。在低地球轨道（LEO，距地面200~2000公里处），一个50公里长的缆索可以产生约0.01g的重力（地球表面重力的1%）。太空人无法藉此行走，因为在小于0.1g的重力之下，人无法得到足够的牵引。但就许多目的而言（使用工具、淋浴、使液体稳定），能分辨「上」和「下」显然比完全无重力的环境好得多。而且，不同于其他产生人造重力的技术，这个方法不需要卫星彼此旋绕。
EDT系统的缆索中芯如包含铝、铜或其他导体，还能提供其他好处。其中之一是做为发电机：当导体在磁场中移动，导体中的带电粒子受到垂直于运动方向及磁场方向的电动力。因此在地球向北的磁场中如果缆索由西向东移动，就会感应内部电子顺着缆索向下流动。
缆索会和电离层（大气层的一部份，原子被高能的太阳辐射剥去电子，形成大团的电子和离子，成为电浆）交换电子。缆索一端（带正电的阳极，可吸引电子）收集自由电子，并从相反端（带负电的阴极，可发射电子）射出。导电的电离层使电路完整，形成一股稳定的电流，可以做为太空船的能量来源。实际地说，一条具有合适阳极设计且位在LEO上的20公里长缆索，能产生高达40千瓦的功率，足以驱动太空船上人员所使用的研究设备。
这项功能早在1970年代就为人所知，当时美国哈佛史密森尼天文物理中心的格罗西（Mario Grossi）和义大利帕多瓦大学的科隆波（Giuseppe Colombo）率先进行EDT研究。有16项实验性任务曾经在太空中进行，分别使用导电或不导电的缆索系统。
在这些早期的电动缆索系统中，缆索的导电部份以一层铁弗龙套管与电离层完全绝缘，而阳极则用一个大型导电球体或类似的装置来收集电子。但是，这种阳极收集效率相当低。例如1990年代美国航太总署（NASA）和义大利太空总署合作，发射两个不同版本的20公里长缆索卫星系统（TSS）。TSS用一颗海滩球大小的金属球体收集电子，并相当有说服力地示范了太空中的电动发电。但是尽管有这些正面的结果，研究人员发现了一项EDT在实际应用前必须克服的困难。净负电在大型球状阳极周围逐渐累积，使得电子不易进入，就像大批人急着从房间唯一出口离开时壅塞的样子。
桑马丁（作者之一）和其同僚使用裸露缆索的概念来解决这问题。缆索几乎完全不绝缘，长达数公里的缆索本身就能收集电子，而非只在顶端。缆索细而圆柱状的几何形状还有其他好处：电子不需在单一阳极点聚集。否则整体的负电荷会抑制更多电子到达。缆索不需是圆形线；一条薄带就能收集同样的电流，而且轻得多。
几乎免费的午餐
所有EDT都有个共通的优点：它们在轨道上能利用电磁学的基本原理来减低或增加速度。根据「右手定则」，磁场会对通有电流的电线施力。因此，在东向的LEO里的EDT，若电子自缆索由上而下流动，受力就会与运动方向相反。EDT受到类似空气拖曳的阻力，造成缆索系统的轨道降低。

数十年来研究人员发射了许多实验性质的缆索系统，获得不同程度的成功，即使是出现问题的实验，仍然确证了缆索系统的功能，并且触发许多设计改进。
这看起来似乎不是我们想要的功能。但是对于希望扫除环绕行星的大量太空垃圾（如报废的人造卫星及耗损的火箭上节）的计画者来说，非常具有吸引力。这个问题确实是NASA、大学和小型公司发展缆索背后的动机之一。目前LEO上充斥着几千件这类物体，其中约有1500件的质量超过100公斤。最终空气阻力会使它们高度降低、移出轨道，在重返地表的过程中，被浓密的低层大气燃烧殆尽。一般来说，物体在轨道高度200公里时会在几天之内焚毁，在400公里处需要几个月，而在1000公里高处的物体约需2000年。
如果新发射的人造卫星装有EDT，能在生命末了时伸出，或者如果一个自动装置能捕捉残骸并把它携带到绕轨缆索系统，上述阻力效果就可以用来加速重返地表的时程。相对地，在LEO上逆转EDT内的电流（利用光电电池或其他能量来源），可以造成相反的效果。缆索系统会受到顺着其运动方向的力，造成推进而非拖曳，因此轨道会提高。推进式EDT因此可以做为太空拖曳船，将位在LEO的酬载移到较高的轨道或抑制轨道逐渐降低。先前提到关于国际太空站昂贵的推进问题，如果国际太空站使用本身10％的能量来源操作电动缆索，则只需17公吨的推进剂（目前的设计需要77公吨）就能避免轨道衰降；若使用更多的能量，就能几乎消除对推进剂的需求。此外，在轨道上适时地启动推进式EDT能产生侧向力，可用以改变轨道上任何太空船的倾斜角度。如果使用化学推进器，这项工作需要大量的燃料。

【意犹未尽吗？欲阅读完整全文，请参阅科学人2004年9月号〈太空飞行缆索〉】

其他参考资料 利 用 磁 场 推 动 人 造 卫 星 Using magnetic field to propel satellites

这是类似太空电梯的东西 但是这篇文章描述更详细 而最令我感到好奇的是太空缆所本身可以用来发电

如此一来 就算真的建立了所谓的太空电梯 也许就可以利用基本物理学 在移动过程中 从太空缆索本身或

取能量 .....