空间系绳系统是一项鲜为人知的航天技术，它已有几十年的发展历史。最近，俄罗斯的专家们把这项技术推向了一个新的发展阶段，现作一概括介绍。一、空间系绳系统空间系绳系统是一个人造空间物体(卫星、飞船、货物)的组合体，它们之间用一根长的挠性元件(系绳、电缆、软管)连在一起，完成轨道飞行。一种最简单的系统是用一根长几十公里甚至几百公里的系绳把两个航天器连在一起飞行。复杂系绳系统由多个空间物体组成，用系绳把它们连接成闭环形、树形或多面体。空间系绳系统不是传统的航天器，它是人在空间建设的一种新型结构，可以完成用现有的航天器不可能完成、不适于完成、不能经济地完成的一些任务。
1.它有很大的长度，保证该系统在轨道上保持稳定的垂直状态，在系统的一端形成小的人造重力。用系绳连在一起的各个航天器有轨道速度不足或充裕，但它们在不同高度上用同一个旋转周期运动。 2.利用放出或收缩系绳的长度可以挠性改变系统的构形。借此可以调整各航天器的相互位置及其指向，增连或脱开一些航天器，沿着系绳传送货物等。 3.导电系绳同外界，首先是同地球磁场和电离层积极地相互作用，可以保证该系统在发电状态、推进状态、输电状态和辐射状态下工作。 由于使用目的不同，这些系统的设计可分为三种类型：静态系统，在其使用过程中系绳的长度和数量、航天器的数量和质量以及它们的相互位置和指向是不变的；动态系统，它的系绳数量和长度、航天器的数量和质量以及它们的相互位置和指向是经常改变的；电磁系统，它装有绝缘导电索，索的一端装有等离子接触器，它与地球的磁层和电离层积极地相互作用。 空间系绳系统的结构形式和在空间的实际应用方法有很多。几年以前俄罗斯专家们把它们按所用系绳类型，所要完成的技术任务和具体实现方法分为三类，并建立了数据库。数据库包括上面几种已知的应用方法及其改进方向。 静态系绳系统：可用于深空、近地空间、地球大气和地球表面研究。可以用加长的测量系统(例如用带有与系绳长度相等的大基极的干涉仪)，地球物理场传感器，以及沿系绳配置或用系绳降至低空的大气探测器进行研究。在组成系绳系统的航天器上，可以在微重力环境下进行各种实验研究和技术操作，如生物医学研究、物质和材料生产、植物生长等。利用建筑原理组成系绳系统，可以在空间建成复杂的大型建筑，例如空间电站、住宅、工厂、温室等。 
动态系绳系统：可用于完成航天器的轨道机动而不消耗燃料，即用系绳把航天器抓住并把它拖走。例如，用约50公里长的系绳把货运飞船从轨道站上吊下来，然后把它放开，飞船脱离轨道并降至地面，轨道站则再升高自己的轨道，而不费一滴燃料。用沿着系绳运动的升降机可以运送货物和人员。利用一端连有系绳的传动杆，可以变换吊在系绳上的航天器在空间的指向。电磁系绳系统：利用该系统在轨道上运动的部分动能，可以产生功率为1 兆瓦的电能。利用机载发电机获得的电能，可以保持缓慢提高系绳系统的高度而不必消耗燃料。利用某种电动效应可以最小的损失沿系绳在分散的各航天器之间传送电能。把系绳作为一个发射天线，可以实现低频波段无线电波的有效辐射。 总之，在任何一个航天领域，系绳系统都可得到有效的应用。而且空间某些操作只能用系绳系统来完成。引入这一技术，可以改变未来航天系统的整个面貌。 二、系绳系统设计思想的产生和发展过程俄罗斯的科学家们奠定了系绳系统的理论基础，并把它作为航天技术的一个有前途的发展方向。齐奥尔科夫斯基早在1895年在其著作《关于地球和天空的梦想》中最早描述了这种系统及其使用方法。为形成人造重力，齐奥尔科夫斯基提出把空间站与一个重物用500米长的链条连在一起在太空旋转， 而为了使重物也能运动，用卷扬机把链条放下和拉起。1910年，灿德尔提出了空间升降机的设计方案，用一根即6万公里长的系绳从月球伸到地球，在重力和离心力的作用下，这条系绳总是拉紧的。沿这条系绳可以运送货物，就像用索道运送货物一样。 在20～30年代，齐奥尔科夫斯基的设计思想体现在孔德拉秋克旋转式系绳空间站设计方案中和别利亚耶夫的科幻小说中。灿德尔关于空间升降机的设计思想于60～70年代在阿尔楚塔诺夫的著作中得到了发挥，他提出了一个从地球表面到静止轨道的系绳系统方案。而波利亚科夫则提出了一个地球空间项链系绳系统方案。 
1965年能源火箭公司(前中央机械制造设计局)在科罗廖夫领导下准备开始作世界上第一个系绳系统的空间实验。当时提出，用一根1 公里长的钢绳把联盟号飞船与运载火箭末级连在一起，使它们一起运转，在飞船上造成人工重力。但由于科罗廖夫的逝世这一工作停止了。20年后，能源火箭公司才重新恢复系绳系统的研制工作。由此看来，在60年代中期俄罗斯在这一技术领域本来居于领先地位，而且进一步发展是有条件的，但由于俄罗斯国家领导层对继续这项工作缺乏兴趣，而被美国专家们超过了。三、各国的设计思想和实验项目俄罗斯以外的国家在这一技术领域的发展是与意大利科学家科隆博的名字分不开的。他与在美国工作的意大利专家格罗西一起于60～70年代设计了许多系绳系统及其空间实际应用方案并积极推动这一技术领域的发展。尤其是他们提出了电磁系绳系统和捆绑式大气探测器设计思想，这些思想在90年代的意-美TSS-1和 TSS-2方案中得到了实际应用。美国航宇局某研究所所长别基的支持也促进了TSS设计方案的实现，他于1983年组织了这方面专家的第一次工作会见。此后，于1986年在美国阿林顿，1987年在意大利威尼斯，1989年在美国旧金山，1995年在美国华盛顿举行了多次空间系绳系统国际会议，在最后这次会议上美国、加拿大、意大利、德国、西班牙、法国、奥地利、日本和中国的专家发表了论文。
1966年底，美国在双子星座载人飞船上曾作过2项实验，即用30米长的合成纤维带把飞船与阿金纳火箭级连在一起。第一次实验中，空间物体的绑体绕共同的质心旋转；第二次实验中，在稳定的垂直状态下旋转。在美-日计划的框架内，1980～1985年间向328公里高空进行了4次探空火箭的发射。有效载荷在飞行过程中沿导电索离开箭体400米。在前2次实验中，系绳只伸长30米和65米；在后2次实验中，系绳完全放出，完成了系绳系统电力研究工作。 意-美TSS-1实验于1992年进行。固定在长20公里的导电索上的意大利卫星被从美国亚特兰蒂斯号航天飞机上放出，完成电动力特性和无线电物理研究。卫星是意大利阿列尼亚公司设计的，而捆绑系统是由美国马丁·玛丽埃塔公司设计的。把系绳固定在卷扬机上总共放出了265米，尔后系绳被卷回。 1996年2月，美国航天飞机在飞行过程中试图重复这一实验(TSS-R)。系绳全部放出，但由于短路而被烧断，可能的原因是绝缘层被机械损伤所致。由于出现事故，昂贵的意大利卫星连同系绳一起坠入其它轨道而消失。在TSS 系列实验期间还进行了部分电动力研究。在TSS-R实验中，系绳上的电流曾达到0.5安。 1993～1994年间美国还进行过2次试验，即SEDS-1和SEDS-2。从德尔它-2型运载火箭的末级上把有效载荷放出了20公里，是用美国专家约克伦设计的线卷释放的。在第一次试验中试验了从轨道上无能耗回收货物；第二次试验把系绳系统展开到垂直状态。1993年又用德尔它火箭进行了一次PMG试验，用长500米的导电索研究系绳系统的某种电力效应。 加拿大于1989年和1995年用1公里长的系绳分别进行了两次实验。1996年5月，美国用长4公里的系绳投放了2颗卫星(即TIPS实验)。另有一项长期飞行计划用于研究系绳抗流星粒子的性能。 美国人在完成了TSS-1和TSS-1R两次试验之后(耗资近10亿美元)， 开始了绳索系统的研究计划。计划中的TSS-2试验是从航天飞机上把大气探测器用系绳下降到100公里处，这项计划取消了。其它几项空间试验计划开始受1000万美元的限制，后来实际上终止了。在美国2003年以前的航天飞机飞行计划中没有列入系绳系统的试验项目。 四、俄罗斯的设计和试验计划俄罗斯曾组织科学队伍从事空间系绳系统的理论研究。从60年代末期起，这些研究工作主要是在苏联科学院应用数学研究所内进行，参加研究的有别列茨基、萨雷切夫、莱温这样的大科学家。关于系绳系统力学方面的研究早已在莫斯科国家航空技术大学进行。近年来莫斯科航空学院、莫斯科鲍曼国家技术大学、莫扎伊斯基军事空间工程研究院也开始了类似的研究工作。关于系绳系统的电动力学和无线电物理学的研究工作正在机械制造中央科学研究院、俄罗斯科学院无线电技术和电子学研究所以及莫斯科技术物理研究所内进行。
机械制造科研生产联合公司曾与地球磁性、电离层及无线电波传播研究所一起在钻石号空间站上进行了一项实验计划，从站上伸出一条系有仪器平台的绳索进行地球物理研究。在拉沃奇金科研生产联合公司，正在设计一项火星探测计划，以火卫行星
际站为基地放出系绳型火星侵入式探测器，另一项计划是以预报卫星为基地放出系绳系统，进行空间站的维护工作。俄罗斯科学院空间研究所提出了一项四方形系绳系统，用来研究近地空间的电场和磁场。莫斯科通信和信息技术大学正在研究一种“奔跑”式系绳系统。近来还在进行一些有外国专家参与的系绳系统研究工作。萨马拉航空研究所和中央特别设计局正与德国公司一起设计一项实验计划，在光子卫星上系上一个德国野莴苣舱。机械制造中央科学研究院根据美国航宇局的要求设计了一种两用研究计划，在进步-Ｍ号飞船上装设电动力学系绳系统。 能源火箭航天公司与欧洲专家们协作正在设计一项实验计划，借助一些长的绳索使弹道舱和货运飞船从载人空间站返回地面。能源公司还曾于1994年同德国一家公司合作制订了一项实验计划，然后根据欧空局的订货进行了虹舱的系绳返回实验。 五、空间系绳系统的发展前景俄罗斯能源火箭航天公司从1987年重新投入了空间系绳系统的研究工作，以在载人空间站的框架内掌握并应用这种系统。他们制订的发展俄罗斯空间系绳系统的构想规定：在第一阶段，在空间站上进行系绳-1、系绳-1A、火神、和系绳-2等一系列空间系绳系统实验；下一阶段，制造并在新的空间站上试运行运输型、发电型和研究型系绳系统。将来，制造载人空间站及其多功能系绳系统。
系绳-1系统是由俄罗斯能源公司于1989年完成的一项独特的设计。 实验目的是研究系绳系统展开力学、飞行和分离及其无能耗轨道机动飞行。系绳-1计划规定在轨道上建立由和平号空间站与进步-Ｍ号飞船组成的空间系绳系统，它们之间用20公里长的合成纤维系绳相连。系统在轨飞行一周后实现分离，飞船进入低轨道，而空间站则增加轨道高度，这种机动飞行可节省约150公斤燃料。 目前系绳-1实验准备工作接近完成，拟于1999年下半年进行实验。系绳-1A实验的设想与系绳-1相同，只是把系绳长度增加到50公里。利用这样长的系绳可使货运飞船从轨道上无能耗降落，并在太平洋预定地区溅落。这时空间站把轨道升高约10公里，可节省燃料达400公斤。 
在下一次火神实验中，在轨道上展开一个电动力系绳系统，从货运飞船上伸出一根长100米的杆，杆端装有仪器舱。分别装在飞船上和仪器舱内的电子仪器带有等离子接触器，可以完成系绳系统电动特性及地球磁场和电离层等离子区内各种现象的研究。此外，在空间站上和在专门布置的地面测控点上计划接收和分析辐射的超低频无线电信号。在20昼夜的飞行过程中将进行发电状态、推进状态、输电状态和辐射状态的功能试验，以及在轨定向控制试验。最后一项是系绳－2实验，旨在对轨道系绳系统的力学、 电动力学和无线电物理学作全面系统的研究。该系统由轨道站和货运飞船组成，用20公里长的电缆连接，升降机可沿着电缆上下移动。装在空间站、飞船和升降机上的仪器可进行系统在不同状态下的试运行，并进行预定的系统动态和电磁特性研究。系绳系统在轨飞行不少于一个月，之后将分离。 如果系绳-1和系绳-1A实验获得成功， 则开始制造并在轨道站上使用多次使用的运输系绳系统，用于从轨道上下降返回舱、工作完的飞船和组件、桁架和板。这种系统还用来定期提高空间站的轨道而不消耗燃料。根据预先的设计，该系统的基础将是一个空间站的专用舱，它包括一个卷扬机，用于展开60公里长的系绳；一个100米长的桁架推出和拉回机构和一具货物抓起和抛出装置。 在火神和系绳-2实验完成后， 则开始设计一种在空间站上正常运行的系绳系统。在长电缆的一端装设一个太阳能或核能发电装置。所发出的电通过电缆传送给空间站，保证空间站各辅助系统及其他仪器用电。此外，系统在推进状态工作时，电缆内的电流与地球磁场相互作用，靠电动力支撑或缓慢提高空间站轨道的高度。 在发电状态工作时，部分地降低系统的轨道高度，可在短时间内使空间站获得大功率电能。 将来，无论是在实验中还是在系统的正常运行中，都将有可能利用在空间中展开的系绳系统所具备的巨大能力，从事各种科学研究工作。对轨道站机组人员自我感觉和工作能力，对动物行为，对微重力条件下植物的生长，对固体和液体的特性诸问题的研究，将带来巨大的利益。另一方面，是在系绳系统展开时对轨道站本身外部大气的自然排除过程的研究。这可获得特纯真空，用于完成空间技术领域的某些研究工作。在系绳系统飞行中，可借助于分散配置的众多传感器测量地球物理场；利用系绳天线的电磁辐射作用于电离层，研究电离层的特性，完成其他有益的研究。由于空间系绳系统研究工作的顺利发展，有可能在21世纪中叶建造成新一代永久性载人轨道站。根据预先研究，这种轨道站应是一种复杂的系绳系统，它由2 个多组合站构成，多组合站由数条系绳连接。还有一部升降机沿着各站之间的系绳运行， 以及与系绳相联的各个组件。诚然，遥想未来当然会有风险，但能源公司已经取得这类轨道站专利权， 如图7所示。 |
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