浅谈航天缆索的运用 a ‘ simple ’ idea, but one with an amazing number of uses

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

13. Thank you