系绳卫星可以探索知之甚少的上层大气层区域，有助于了解气候及为高超音速飞行器开辟通道。

晴天，大气层几乎不像看到的那么简单、它的变化无穷层次很多的结构是复杂的，它的物理、化学和动力学过程就是如此。大气层下层（高达60公里左右的对流层和同温层）已经用气球、飞机和卫星遥感作了仔细考察，但是外层（大约在舫和130公里之间）几乎没有探索和测量过。实际上，这个区域通常被大气层科学家称为“空白层”。

然而，上层大气层是重要的。不仅它的结构和动力学影响着整个地球系统，而且新一代航空航天器在那里可能需要机动性能。因为这个区域对气球来说太高而对长期在轨道上运行的卫星来说又太低，因此研究人员基本上无法接近。依靠探空火箭、《大气层探索者》卫星（在其椭圆阶段定期达到150公里高度）和再进入航天飞机轨道器，已经得到了少量资料。这些飞行器只能快速通过此区域。没有从低于200公里的圆轨道收集到任何资料，几乎没有从低于130公里所有轨道搜集到什么资料。需要长期、稳态、全球性、在恒定高度上进行观测。

这种观测可由系绳卫星提供。长100公里以上系绳可以把在200公里航天，飞机轨道下面的卫星布放到大约90公里和可能更低的高度。

需要上层大气层的科学资料，以便了解气候变化，污染物迁移，“核冬天”烟雾迁移与接着产生的大气层冷却，大气层物理学、化学与动力学，太阳——地球相互作用（例如大气层白天变厚与太阳最大限度膨胀），生态学相互作用，无线电通讯等起因，并且很好综合我们自身大气层的资料足以帮助我们去研究其它行星的大气层。

对于地球所有陆地和海洋资源来说，它便是环绕着地球的大气层的茧，支配着那里的生命。虽然对大气层外层知道甚少，但是那里发生的情况通过下层把它的影响向下传到我们生活和飞行的地方。空间之下云层之上的外层区域充满着活力，有：在最高云层远上方稀薄空气的波动，带电粒子的薙扰，空气的垂向潮汐，由风动力产生的巨大电流河，以及一个似乎不属于那里的“冷”夹层，在那里发生的情况影响着地球的许多过程，这同样影响着我们居住环境和我们的生态学 · 这里是未来高超音速飞行器必定飞行的地区。

下一代航天器可能包括：气动力辅助的轨道运输飞行器（新型运载火箭），航空航天飞机，可机动的空间站“救生船”，再进入研究飞行器，以及先进的行星飞行器。为了设计这些航天器，要有上层大气层的大气和空气热力学数据。这些数据的具体用途有：空气热力学模拟，表征能够影响性能界限的外层大气层变化情况，决定飞行器动力学与控制律，以及设计防热系统、耐热结构和自适应控制系统，使用最需要的这些数据，可能正在使飞行器起变化。分析表明，这些航天器的机动性要求在70公里以上高度于再进入M数约25附近作持续飞行。就这些新型飞行器的工程设计和研制而言，我们需要进一步更好地去了解上层大气层的静力学和动力学特性。

以往在设计于下层大气层中飞行的飞行器时，一直使用风洞试验和解析模拟。解析模拟技术同样要靠风洞数据辅以飞行试验来改善和证实的。然而，未来飞行器将以高超音速速度在上层大气层中飞行，在这个区域中，从有粘性、相互作用分子流到自由分子流的过渡成为重要情况，因而使得飞行器的传统设计方法过时。而且，在高超音速风洞中气动力和热流量的基本测量不可能同时模拟马赫数、雷诺数和努森数，并且模型小，分辨率也低。此外还有，试验段气体成分与高空发现的不一致，在暂冲式风洞中测量时间非常短。

上层大气层还有令人惊讶之处，几次航天飞机飞行已经发现，在大约75公里高度，大气层密度变化无常，即“起伏不平”，相差之大达到60%。未来飞行器必须设计成能够适应这种不确定情况。

为了把未来飞行器设计放在更可靠的基础上，有必要在上层大气层中通过测量非常接近于飞行器表面的自由流与附面层的气体密度与成分去研究空气热力能和动量交换以及流场剖面。从理论上说、这些测量应从表面延伸到激波层，或者甚至达到自由流，而且不应影响流动。

完成此项研究的一种有希望的途径就是利用在美国 - 意大利联合计划中提出的系绳卫星系统去拖一个飞行器以高超音速的速度通过在大约130公里以上的上层大气层。

由航天飞机运载的系绳卫星系统有两个主要部件：系绳卫星和布放装置。卫星直径1.5米，拟在离轨道器高达100公里处进行科学实验。布放装置将布放、操纵和回收卫星，并在选定的高度上维护它。

使用系绳卫星系统的主要目的将是研究系绳系统与上层大气层之间能量和动量的交换，研究还将包括上层大气层特点和卫星激波层中气体动力学过程，这些将增加我们对卫星空气热力学的化学和物理学方面的认识。初期经验应能指出，系绳卫星系统是否适用于从较高高度（此处大气层由平均自由行程大的分子组成）至较低高度（此处分子强烈地相互作用）的空气热力学试验。

在大约130公里高度以下，呈指数增加的大气密度使卫星和系绳的阻力和加热增大。球形卫星不可能穿透到较低高度，当阻力太大时有可能倾向于沿着大气层移动。低高度的气动力卫星应当有增大稳定性和穿透力的气动力设计和经得起加热的防热系统。

系绳必须超过100公里，经得住大阻力和高温。因此，它们的材料必须强而轻、柔软、不导电和忍受高温。目前材料把系绳卫星系统限制到大约120公里的最低高度上。新材料可以允许降到在大约100公里高度上使用，但是在100公里以下使用的材料务必保持强度在1000 K左右。系绳材料同样要祇受大的冲击力：直径1毫米长100公里系绳投影面积为100平方米，从统计学上看，在长期执行任务期间，足以遇到被陨星击毁的机会。制造甚高温、高强度、可靠的、长100公里系绳需要研究新的生产和试验设备。

使用承受大阻力的系绳系统，使它们的控制系统成为非常重要。要确定系绳的动力学和控制律，列出计算机模型，以便模拟和确定任务与系绳要求，要提出布放、回收和控制系绳与卫星的机构及控制系统的技术。

在将来，有可能把系绳卫星系统的研究延伸到可能低至90公里的高度，可能拖着专门设计的模型。为此，系绳卫星系统势必被扩充成航天飞机系绳空气热力学研究设备。计算机模拟已经表明，这种设备对于获得地面设备所不可能获得的风洞类型数据来说是可行的。按照一次简单任务，当模型在大气层中经历环球一周并覆盖一系列流区与高度所遇到的各种变化时有可能收集到稳态空气热力学和空气动力学的数据。需要仪器去测量大气的密度、成分、磁场和气体迁移机制的昼 - 夜变化情况。

根据初期数据，有可能提出模拟此后飞行任务所用的分析技术和控制律，确定仪器要求，对系绳和卫星进行改进。模拟已经表明，把任务包线扩大到近30公里高度是可行的。

任务持续时间将受若干因素限制。例如，卫星若由电池供电可以持续飞行40小时。但是，最严格限制是在开动航天飞机轨道器的机动系统以防止因系绳和卫星阻力而引起轨道滞后所用的燃料上。延长观测时间，尤其在较低高度上，要求航天飞机提供连续推力以保持高度不变，最后，最低高度是受系绳和被系卫星的耐热能力限制、

虽然目前系绳卫星系统方案或许能够为系绳卫星系统20公里长电动力系绳任务和100公里长大气层系绳任务提供所需的技术。但是，还需要额外的技术以便更深地贯穿大气层。这些技术包括：卫星的空气热力学设计、系绳材料、动力学与控制律、模拟模型、布放与回收机构、系绳与卫星控制系统、科学与工程仪器以及系绳制造。

对这些发展和飞行试验的报酬也许是在目前知道甚少的区域中测绘和最终飞行的能力。

[Aerospace America，1988年4月号］