编者按

在1981年美国航空航天局“科学新概念讨论会”上曾经提出用空间系绳进行空间运输方案，当时与会者十分赞赏并认为大有发展前途。经过几年深入研究，现已取得重要进展。此文阐明了空间系绳工作原理及在地球空间、地球 - 月球空间与地球 - 火星空间开展运输的初步方案。从此文中亦可以看出，一个新概念的诞生对科学技术发展的重要作用。为此刊登，供广大读者参考。

通过容许的动量交换，一根直径5毫米的系绳可以一次又一次地节省10吨推进剂。

空间系绳是用名叫开维拉的化纤材料或不锈钢制成的长绳，可以补充或者在某些情况下可以取代火箭，把载荷升到更高的轨道。它们依靠在它们所依附的物体和载荷之间交换动量来完成此事。因此，在环绕地球、月球或行星的轨道上使用并且抽取这些星体的巨大动量，它们几乎像电梯一样，勿需推进剂，把航天器从低轨道升到更高的轨道，或者甚至达到逃逸速度。反之，它们亦可以使载荷降低高度。当它们这么做时，它们就对它们的平台补充动量。得到的好处是：对于轨道运输飞行器来说，燃料大大节省，性能明显提高。

现有的实例是通过系绳在航天飞机和向外布放载荷之间交换动量。给该载荷以微小向外速度。当它移动10米远时，它便开始滞后，因为它具有与航天飞机相同的线速度，但离开地球的半径则较大。任何偏离当地垂线的位移，都会在每端质量处引起恢复力趋向于使它们返回当地垂线处。在该位置，该载荷具有与航天飞机相同的角速度，但具有较大的线速度。于是便把航天飞机的动量传给载荷。结果是，航天飞机高度降低了，但比起载荷的收益要小得多，因为航天飞机质量大得很。这种哑铃式系统的质量中心仍然是在原来轨道上。

虽然用系绳保持，但是载荷具有的线速度比在它的高度上所需的轨道速度要大。如果被释放，它将进入椭圆轨道，其近地点在释放处，而远地点则在地球的另一侧。如果载荷是在稳定于垂线处释放，远地点的高度则比近地点的高度大，达到系绳长度的7倍。正常情况下，载荷被拉到垂直位置，继续通过它，然后来回振荡。以适当动量收进或放出系绳，就会阻止振荡直至载荷停在垂直位置，或者加强振荡直至载荷绕航天飞机作圆周旋转。旋转或摆动的载荷通过垂直位置时，它的速度要比稳定的载荷具有的速度大，如果被释放，就会升到更高高度。载荷直接从后向前摆动180°，此时释放，便会上升到为系绳长度14倍的远地点；旋转的载荷，达到的高度则更高些。

利用这种特性的工作系统，需要系绳布放器、控制器和回收器。已经研制了一个系绳系统，不是用于释放物体，而是简单用来布放和回收科学卫星。此项工作于1974年开始，当时意大利0. 哥伦布曾经建议在航天飞机上用长达100公里系绳拖着科学载荷飞行。作为他的工作及史密逊天体物理天文台与国家航空航天局的研究与开发结果，意大利和美国开始执行一项关于研制系绳卫星系统的合作计划，国家航空航天局和马丁 · 马利他公司负责布放器，意大利皮安略国家航空航天局负责卫星。首次发射安排在1989年，使用一根长20公里传导系绳，去研究电离层和电磁现象。正在筹划在1991年，第二个卫星用长100公里系绳悬挂在下面，用来研究地球大气层中另—不可接近的部分。

有几项深入研究项目研究了利用系绳布放器进行动量交换的途径。其中一项研究项目着眼于把一个大型天文台（例如重达20，000英磅装有高级X射线天文物理设备的卫星）送到高的圆形轨道。结果表明：一根32海里长的系绳可以把X射线卫星从航天飞机的较低的椭圆形轨道布放到320海里轨道上，因而航天飞机的轨道机动系统节省了5000英磅推进剂。航天飞机的起始和终了的轨道却仍然是椭圆形的。系绳的张力仅仅是载荷质量的2.5%，即500英磅。这可以很容易地用一根直径0.1英寸开维拉系绳和或许稍加修改的《系绳卫星系统》布放器来操作。使用此项技术，航天飞机可以比它单独使用自身推进装置多布放5000英磅。

在加利福尼亚州桑迪哥地区的能量科学实验室正在研制极其简单可以随意使用的系绳系统，它拟装进特制的容器内。首次在轨道上验证将安排在航天飞机恢复飞行之后不久。此系统基本上没有什么运动件，系绳很简单地缠绕在固定卷轴上。可充气的气囊夹住两个夹板之间的绳子以保持布放时的张力。测量计测量已放出系绳的长度，当放到恰当长度时，切断器用来切断系绳。这个系统利用一根10公里系绳，可以布放350英磅载荷。

实际问题对系绳的动量交换应用有种种限制。研究把载荷从500公里低地轨道运到35800公里地球同步轨道需用的系绳。对于稳态释放，按照7倍规则计算，在低地轨道系绳大约要5000公里长。有两个问题提出来了。首先，就安全再进入而言，航天飞机的近地点掉得太低了。其次，系绳张力随长度呈线性增大，它将超过现有任何材料的强度。增大系绳直径无济于事，因为系绳必须支持自身质量，这也是随长度呈线性增大。对于开维拉来说，在低地轨道其极限长度是480公里。超过这个长度，仅仅由系绳质量引起的张力就会超过材料强度，况且还要考虑3.5安全系数。在地球同步轨道上，重力减小，极限长度约为8000公里（在地球表面，在情况下，这个长度仅50公里）。

锥形系绳在一定程度上可以解决这个问题。靠近载荷的系绳部分需要支持的只是载荷，但质心部分则必须支持载荷和系绳质量。因此，质心附近的系绳必须加粗。按等应力设计，最大直径随长度呈指数增大。

因而锥形系绳没有长度限制，但可能变得十分粗大。就低地轨道300公里长锥形系绳而言，其质量对载荷质量的比值约为1。就600公里长锥形系绳而言，此比值增大到10，只当系绳系统可在轨道上多次使用时用它才值得。在地球同步轨道上，具有质量比为1的锥形系绳长度是5000公里。

因此，实际使用时，在低地轨道上，系绳长度不会超过300-600公里。尽管如此，用这样系绳进行低地轨道至地球同步轨道运输仍然会有明显好处。它们可以对具有推进级的载荷给予速度或高度的助推。这种助推直接转变成载荷达到地球同步轨道的效益。两个PAM-A载荷辅助舱或四个PAM-D载荷辅助舱及它们的载荷可以装在航天飞机货舱中。如果在360公里系绳上起动，每个载荷辅助舱可携带60%多载荷到达地球同步轨道。一枚《人马座》运载火箭就会增加20%载荷，即2800英磅。在地球同步轨道平台下垂的长5000公里系绳下端捕捉此运输级并把它卷上去，还会得到双倍的好处。

如果可以把系绳系统固定在能够承担动量损失的大质量体永久置于轨道上，利用系绳把动量交换给这种轨道运输飞行器，可以更有效些。航天飞机本身不便向它提供，而空间站则可以，系绳设施可以成为空间站的永久性设备。随着空间站扩展及其质量增大，它将成为更有效的动量交换器。它损失的动量可利用大比冲推进装置或通过从系绳上向下布放航天飞机返回地球并且使用其中某些能量和动量予以补充。每次机动飞行可节省13，000英磅推进剂。空间站将起惯性质量作用，把能量和质量从航天飞机传给如此发射的轨道运输飞行器。这两种技术都正在研究之中。

理论上说，空间站利用系绳作动量交换，适合于往返运输。例如，从月球返回的载荷和飞行器可以与离开的载荷和飞行器相协调，使空间站总动量平均值不变。

看看空间站以外情况，我们将会看到大型空间建筑物和大量各种用途材料。即使没有系绳，把材料从月球运抵低地轨道或地球同步轨道需用的动力就比从地球表面运去的小。有了系绳，只要用非常少燃料就能进行运输。例如，在月球轨道上空间站，作为运输枢纽，可以放下一根系绳去捕获从月面发射到亚轨道的飞行器。飞行器便顺着该系绳爬上去，接着沿着另一根向上伸展的系绳（约1000公里长）达到释放点。于是此飞行器就有足够的逃逸速度沿着返回轨道抵达地球。因此，只要耗费恰好足以把飞行器加速到月球亚轨道速度的燃料，此飞行器通过与月球站进行动量交换便能返回地球。月球站依靠相反过程，即靠着捕获从地球来的类似飞行器把它释放进月球亚轨道降到月球，可以弥补失去的动量。只要使用5毫米粗的系绳，每个飞行器就能节省1.6公里/秒速度变化量。

由于月球比地球小得多，在那儿系绳强度不需要那么大。火星除了有弗泊斯（Phobos）和狄莫斯（Deimos）卫星作为系绳运输理想地外，也具有这个优点。这两个卫星直径小于25公里，每个质量超过1兆公吨。而且，弗泊斯和狄莫斯都有接近于圆形的赤道轨道，分别位于5890和20，100公里高度上，其周期各为8小时和30小时左右。它们可以作为中转站，在不使用推进装置情况下，把来自火星低轨道的载荷加速到该行星的逃逸速度。

首先用运载火箭发射到火星低轨道上，载荷将沿着375公里长系绳向上布放，接着释放，上升，与从弗泊斯下垂的1160公里长系绳会合。在此长度处，载荷和系绳尖部相对速度为零。当载荷进场时，系绳尖部小型自动装置检测并跟踪它，然后与它对接。接着载荷便顺着系绳爬升到弗泊斯，或卷被卷进。在弗泊斯上，载荷被运到另一侧，在940公里长系绳上布放和释放。高度增大，将使它与从狄莫斯伸出的系绳会合，在狄莫斯上的过程与在弗泊斯上类似。于是，当从狄莫斯6100公里长系绳向上释放时，载荷便逃离火星。这个过程是可以反方向进行：用同一系绳系统捕获来自地球的载荷，并把它传送到火星低轨道上。在这种情况下，鉴于卫星的巨大质量，不要求动量平衡。

在弗泊斯和狄莫斯上进行捕获没有什么困难。系绳尖部和载荷彼此处于50公里范围内，相对速度在50公里/小时以下，共15 ~ 20分钟。系绳要求也都是十分合理的。20，000公斤质量可用一根直径5毫米开维拉系绳操作。对于这种质量，这种发亮的绳子可在每个尖部节省10，000公斤推进剂。在地球终端，系绳运输将会节省3000公斤推进剂。

许多外行星的卫星都可当作类似的动量银行，太阳系中成千上万颗小行星同样可以使用。近来研究表明：有了系绳，可以利用小行星给出动量，在太阳系内推进或制动。例如，旁掠航天器发射一个带系绳的穿插器，插进小行星，并且当系绳拉紧时，绕着小行星摇过预定的角度进到期望的新轨道。随后系绳在小行星处被切断，并卷进，供以后使用。对轨道的影响，将与真实重力辅助的情况相同。由在飞往火星途中的航天器使用，这种技术因降低火星进场速度可以节省50%燃料。许多直径1公里以上位于地球和火星之间轨道上小行星可以为此用途服务，但是系绳材料至少要比开维拉强2 ~ 3倍。这些系绳应用可以包括在捕获小行星作为空间活动材料来源的项目中。

难以想象这些沉重的项目竟能用这样细长的绳子来悬挂，但它确有铁的物理定律作依据。

（Aerospace America，1986年7月）