浅谈航天缆索的运用 a ‘simple’ idea, but one with an amazing number of uses

PB04203108 蔡昕昕

指导老师：程福臻

电磁学基本原理

产生电流当导体在磁场中运动时，带电粒子受到与磁场和运动方向垂直的力的推动作用。线圈会受到与导体运动方向相反的作用力 F ，即洛仑兹力的另一分量。缆索系统就利用了电磁学最经典的现象来产生电流。

外部驱动电流在电路中加入电池 , 可以克服感应电流，逆转电子流方向，作用力因而改变方向。电动力学缆索用这种效果产生推动。

航天缆索的工作原理

一条不闭合的缆索如何工作呢 ?

客观条件 :大气的电离层

缆索与电离层交换电子，从一端（阳极）收集自由电子并将它们驱逐到另一端（阴极）。导电的电离层使该电路完成回路，结果产生一个稳定的电流 .

应用一 :可提供飞船电能 一个位于低地球轨道上的 20千米长缆索 ,具有适当阳极

设计 ,每秒吸收－ 0.5 库仑电子，可产生 P=UI=(E-RI)I=(BLv-RI)I≈BLvI =1(G)×20(Km)×10(Km/s)×0.5(A) ≈10 千瓦的功率 足以驱动载人飞船上的研究设备。( 其中 L=20Km ,B 取地球平均磁感应强度 1G ， I=0.5A,

在低地球轨道上 v取速度 10Km/s , 忽略 R)

应用二 :降低或增加轨道上飞船的速度 在缆索中使

用铝、铜或其他导体可以作为发电机。

缆索在由南地球磁场中自西向东穿过时，就会感应内部电子沿着缆索向下流动。（如左图）随之产生的作用力与飞船运动方向相反 ,降低其轨道高度。

阻力效应的应用：清理地球轨道空间中的残骸

如果新发射的卫星携带有这样的装置，在其使用寿命即将终结时打开装置，或者利用机器人操纵器捕获到太空残骸碎片，并将它们携带到一个轨道缆索系统上，这种阻力效应可以加速其重返大气层的时间进程。

动力效应的应用：解决国际空间站昂贵的上推等问题

通过使用光电池组或其他电源，在低地球轨道上逆转缆索的电流方向，缆索系统受到与其运动方向一致的作用力，从而造成推进以提升其轨道高度。

克服引力：每磅 $ 7000 （约 $ 3000／ Kg) 资料 : 如果采用一种其推进力只相当于空间站功率 10%的电动力学缆索 ,十年内节约（ 77－ 17）吨＝ 60吨推进燃料

应用三 :探索木星

客观条件： 木星的物理特性——木星有一个巨型磁场，比地球的大得多，磁层向外延伸超过 6.5×107千米；具有随自身共同旋转

的磁化电离层，木星 的静止轨道大约在云 层上端的 88,500 千米 处，是地球的 2.5倍。

讨论一

综上所述航天缆索的确具备很多的优势，仿佛给我们提供了一份免费的午餐 ！？

能量守恒定律告诉我们这是不可能的。

例如，电能的产生是以牺牲卫星的高度为代价的，而高度又通过消耗火箭发动机的能量而获得；

那为何不让燃料电池直接将燃料转化成电能？

缆索系统“提供飞船能源”，更准确的说是“用高于燃料电池的效率发电”，即缆索系统实际上更高效。

缆索与火箭的组合能够比燃料电池产生更多的电能，因为电池不会从其燃料带来的轨道能量中获益，而前者可以（产生的电能即磁场阻力做功的功率）。

讨论二 航天缆索的局限性——不能唯一的提供动力。 本质在于洛仑兹力不做功。

那航天缆索的优势究竟来源于何处？

这是利用了磁场“传递”能量的“过渡”过程。在这个中间过程中，人们通过分析使用不同种类能源所需的投资，获得效益。

航天缆索的优势在于“更高效” .

参考文献：

［ 1］《电磁学》普通物理学教程之三，胡友秋、程福臻、刘之景编，高等教育出版社［ 2］《航天飞缆》， Enrico Lorenzini 、 Juan San

martín撰文，《科学》杂志， 2004年第十期