天文太空

太空飛行纜索

應用基本物理定律產生的動力, 乘著纜索即可在太空飛行, 火箭推進將不再是唯一的選擇。

撰文/羅倫茲尼(Enrico Lorenzini)、桑馬丁(Juan Sanmart)
翻譯/傅宗玫

天文太空

太空飛行纜索

應用基本物理定律產生的動力, 乘著纜索即可在太空飛行, 火箭推進將不再是唯一的選擇。

撰文/羅倫茲尼(Enrico Lorenzini)、桑馬丁(Juan Sanmart)
翻譯/傅宗玫

太空中可沒有加油站。 每次太空任務,太空船都必須攜帶完成工作所需的全部能量來源,通常是化學推進劑、光電電池或核反應器。


除此之外,唯一能選擇的遞送服務可是貴得嚇人。例如,要維持國際太空站(International Space Station)在預估的10年生命期內不會逐漸偏離軌道,估計需要77公噸的助力器推進劑。而要將燃料送到太空站所在的360公里高度,即使以最低價格:每磅7000美元(以目前標準而言,是賤如塵土的價格),也需要12億美元來維持軌道的穩定。這些問題在探索木星等外行星時更加複雜,因為它們距離太陽太遠,使光電電池的生電效率降低,且每公克燃料都必須被載送到幾億公里之遠。


纜索系統在探索木星及其衛星時的運作方式(想像圖)。當整個裝置和繫附其上的研究儀器滑行通過木衛二與木衛四間的太空時,纜索系統便藉由與木星(背景)的強大磁場交互作用而產生能量。

因此科學家正重新審視一項經過實驗測試的技術──太空纜索(Space Tether)。它利用基礎物理定律,提供指向、人造重力、電能、推進和拖曳力,因而降低或消除對化學性能量來源的需求。纜索是由一條可以彎曲的纜線連結兩個物體所組成的系統。如果纜索是導電的,那麼整個系統就成為電動纜索,或稱EDT(electrodynamic tether)。不同於傳統設計中利用化學或電能推進器,使太空船和推進劑之間交換動量,EDT則是透過磁場的調節,與旋轉中的行星交換動量。


利用可彎曲纜線連接兩個物體成為太空纜索。上圖為美國海軍研究實驗室的一項「進階纜索試驗」合成影像,圖示為其半伸張的狀態。


長久以來,纜索令太空狂熱者深深著迷。如齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)和克拉克(Arthur C. Clarke)等的夢想家,便曾想像利用纜索做為太空電梯,將人從地面快速送上軌道。1960年代中期,兩項雙子星飛行任務即測試利用30公尺長的纜索為太空人產生人造重力。自那之後,又進行了許多類型的纜索實驗。主要的挑戰在於機電方面:工程師尚未研發出可靠的技術,以處理EDT在太空中所遭受到的高電壓。他們也還未能解決讓纜索在惡劣的太空環境中得以續存的所有相關問題,或找出方法抑制EDT可能產生的各種震動。


儘管如此,許多科學家相信這項技術將革新某些類型的太空飛行,應用的層面遍括地球低軌道到行星任務。EDT可能被用來清理環繞地球軌道的殘骸、以高於燃料電池的效率發電並使人造衛星保持在適當的軌道上。


能自我修正的系統

纜索利用了軌道動力學裡有時違悖直覺的特性。在環繞行星運行的穩定軌道上,任何物體都受到兩股相抗衡力量的作用:軌道運行造成向外拉的離心力恰好與向下的重力平衡。在物體的質心重力和離心力正好抵消。因此太空艙內的觀測者處於無重力狀態,不會感受到任何加速度。

如果把一個完整的人造衛星,換成兩個分別在略微不同軌道上的衛星,並以纜索相連,會發生什麼事?纜索會使得兩枚衛星成為單一系統。重力和離心力在位於兩枚衛星之間的質心仍然會相抵消,但是在個別衛星卻不平衡。外側的衛星所受重力較弱而離心力較強;因此淨力將把它向外推。內側的衛星則正好相反而被往內拉。