作者:张双虎 来源:科学时报 发布时间:2010-1-11 10:01:41
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金栋平课题组成功进行绳系卫星释放和回收实验

 
[科学时报 张双虎报道]像放风筝一样放卫星!像捕鱼一样捕捉太空的微尘或垃圾!这听起来似乎有点“科幻”,然而科学家在绳系卫星编队等方面的研究,也许用不了多久就会让这一切变成现实。
 
美国、加拿大、日本等国家,已经向太空中发射过绳系卫星或航天器。在国家自然科学基金资助下,南京航空航天大学教授金栋平带领的课题组进行了多项绳系控制系统和绳系卫星编队构形的稳定性与控制方面的研究。目前,该课题组在实验室模拟太空环境条件进行地面实验,已经成功地进行了绳系卫星的释放和回收。
 
绳系编队卫星的优势
 
“就像照相机的镜头一样,卫星对地面观测的孔径有限,想扩大观测范围就要扩大卫星观测孔径或用一组卫星进行编队观测。如果做一个孔径大的卫星,成本要比用一组小孔径卫星进行编队观测高出很多很多。而两者的功能和效果是一样的。”金栋平说。
 
顾名思义,绳系卫星就是由绳索系着的卫星,它由一根绳索拴在航天器上,或另一颗卫星上。如果是几颗卫星间用特殊的绳子系起来,构成一定的队形就是绳系卫星编队飞行。
 
绳系卫星常用来进行环境监测和地球矿产资源探测。此外绳系卫星有很多特殊的用途。在离地面120千米左右的上层大气中,是2微米以下宇宙尘埃的高密度区,这里没有地面上风化的细砂土、火山喷发的尘埃、飞机和航天器燃气的混杂和污染。用绳系卫星收集这些尘埃宇宙粒子,并分析它们的化学性质,是研究天体演变过程的重要手段。离地面100千米~200千米的地球行星空间,对飞机和气球来说,这个高度太高;对卫星来说,这个高度太低,都难以到达;而探空火箭的探测空域和时间又非常有限。绳系卫星在绕地球飞行时,可充分收集这里的大气数据,了解太阳活动如何通过高、中层大气影响地面气候和天气变化等。若是一串绳系卫星,则可收集到不同高度上的有关数据。
 
绳系卫星的绳子,如果用导电材料制成,既可以完成卫星间的通信功能,又能在卫星间相互补充电力。当某颗卫星的太阳能电池出故障时,可以把另一颗卫星的部分能量传过去,延长总体使用寿命。同时这条导线也是一种探测器。
 
科学家还设想利用这条导线切割地球磁场发电,为卫星设备提供能源。1996年,意大利研制的绳系卫星,由美国航天飞机携带,在太空进行试验。该实验释放到距离地面19.3千米,产生了3000伏特电压,可惜这时绳索断裂,绳系卫星丢失。
 
绳系让卫星收放自如
 
“因为观察和探测的需要,卫星编队飞行的难点之一就是要保持一定的队形稳定。”金栋平说,“绳系卫星的绳子用特殊材料制成,发射前绳子缩在一个容器中,送到太空后,由释放器将绳子放出,卫星在太空中有一个自旋的力,可以让绳子保持一定的张力。因为相互间有绳子的约束,用绳子的收、放来保持或改变队形更容易些。”
 
据介绍,构形的稳定就能实现更大探测范围的覆盖,所以首先要解决的是怎样的拓扑构形是稳定的,这样星间通讯、超声波定位、激光测距等才更好实现。目前简单的构形有等腰三角形、菱形、菱锥体等多种编队方式。不但节省控制编队飞行所消耗的燃料,还可以改善控制精度等。
 
“绳系卫星非常有利于进行空间环境方面的科学实验,我们可以像放风筝一样释放回收,重复利用。”金栋平说,“如果某颗卫星出现故障,我们也可以从空间站释放出一个绳系机械手,进行卫星修复,修复后再将它推到既定的轨道上。”
 
这种自如的收放减少了太空垃圾的产生。“而且,我们也可以做成一个绳网,像用鱼网捕鱼一样捕捉太空废弃物、空间垃圾。”金栋平说,“我们目前在实验室模拟太空环境进行地面实验,已经成功释放回收。目前理论方面的问题已经基本解决,下一步就看能否和航空航天院所结合,和材料方面的研究者一起,将它付诸实现。”
 
《科学时报》 (2010-1-11 A4 科学基金)
 
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