浅谈航天缆索的运用 a ‘ simple ’ idea, but one with an amazing number of uses PB 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 Sanmartín 撰文，《科学》杂志， 2004 年第十期