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.

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1 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

2 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。

3 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.

4 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)

5 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。

6 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。

7 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

8 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。

9 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；

10 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）。

11 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 ”.

12 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

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