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。”金棟平說。

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。

科學家還設想利用這條導線切割地球磁場發(fā)電，為衛(wèi)星設備提供能源。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?！苯饤澠秸f，“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。”

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。”金棟平說，“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合，和材料方面的研究者一起，將它付諸實現(xiàn)?！?/p>