月球旅行的奇思妙想

吳　凡

將來人類到月球或火星旅行時(shí)使用的或許不是火箭，而是更簡單古樸的工具——系鏈。系鏈者，繩索也，那是人類歷史展現(xiàn)曙光時(shí)代發(fā)明的繩索。

宇宙運(yùn)輸使用的系鏈確實(shí)起到了類似拴牛馬等家畜用的繩索的作用。在宇宙空間拴的不是牛馬，而是將系鏈拴在飛船或衛(wèi)星上。那么怎么使用系鏈產(chǎn)生推進(jìn)力呢?有兩種方式。第一種為動量傳遞型，將兩顆衛(wèi)星用特制的繩索連接起來，其中一顆衛(wèi)星用“動量”將另一顆衛(wèi)星“擲”到另一個(gè)軌道上。使用這種方式能夠?qū)⒂行лd荷(載在飛船上的乘客或物資的總稱)運(yùn)送到月球或水星等行星上。從物理原理上說，就是將一個(gè)衛(wèi)星具有的部分動量交給另一個(gè)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)加速。第二種為電動力傳遞型，所謂繩索是一根導(dǎo)線，有電流通過，它與地球周圍存在的磁場相互作用產(chǎn)生動力。這樣流過系鏈的電能便轉(zhuǎn)換為動能。

顯而易見，無論是第一種還是第二種，它們的最大特點(diǎn)都是無需消耗巨大的能源就能得到推進(jìn)力，所以作為在宇宙空間的運(yùn)輸手段具有卓越的經(jīng)濟(jì)效益。對于動量傳遞型系鏈，只要分給已存在于軌道上衛(wèi)星一點(diǎn)點(diǎn)動量就行。如果是利用電磁力的系鏈，只要從安裝在衛(wèi)星上的太陽電池供給電力就行。

宇宙的“放風(fēng)箏”實(shí)驗(yàn)

關(guān)于系鏈的宇宙實(shí)驗(yàn)至今已實(shí)施了17次，其中大部分取得成功，但是有兩個(gè)失敗的宇宙實(shí)驗(yàn)最為著名。一個(gè)是1992年在亞特蘭蒂斯號航天飛機(jī)上進(jìn)行的放風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)。亞特蘭蒂斯號裝載的是意大利的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，安裝了外包絕緣的導(dǎo)電性好的銅線作為系鏈，并被收藏在卷線機(jī)內(nèi)。

當(dāng)亞特蘭蒂斯號到達(dá)地球軌道上時(shí)，打開貯存室從卷線機(jī)緩緩伸展系鏈，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星往遠(yuǎn)離地球的方向扔出去。所謂被航天飛機(jī)曳著的系鏈在空間移動是指長長的電纜在覆蓋地球的磁場中穿越。由于這被當(dāng)作一種發(fā)電系統(tǒng)，目的是驗(yàn)證通過系鏈將航天飛機(jī)特有的部分動能轉(zhuǎn)換為電能，但因卷線機(jī)中途未能很好轉(zhuǎn)動，實(shí)驗(yàn)中止。

4年后美國國家航空航天局再度嘗試同樣實(shí)驗(yàn)。這次系鏈順利地從卷線機(jī)送出，前端安裝實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的系鏈按計(jì)劃伸展到20千米，而且這個(gè)系鏈一邊橫穿越地球磁場一邊轉(zhuǎn)動，系鏈中產(chǎn)生3500伏電壓。

航天飛機(jī)在非常稀薄大氣的電離層中飛行，為此設(shè)計(jì)在系鏈兩端安裝的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和航天飛機(jī)上搭載電機(jī)，將系鏈產(chǎn)生的電流流過周圍的電離層。遺憾的是包在系鏈上的絕緣強(qiáng)度好像不夠，結(jié)果電流沒按設(shè)計(jì)的從系鏈的兩端出入。實(shí)際上從航天飛機(jī)貯存室的懸臂和系鏈之間發(fā)生了電氣放電，因?yàn)榛鸹▽⑾垫湡龜唷?/p>

失敗的啟示

由此，用系鏈做幾千瓦的宇宙發(fā)電實(shí)驗(yàn)再次以失敗告終，但是偶然發(fā)現(xiàn)用系鏈獲得另一個(gè)推進(jìn)力的方法，即將系鏈作為“宇宙拋石機(jī)”的實(shí)驗(yàn)得到實(shí)現(xiàn)。

系鏈燒斷前，實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在航天飛機(jī)上方20千米處繞地球飛行。一般的人造衛(wèi)星軌道高度越往上飛行速度越慢。為此，如果在自然的狀態(tài)，比航天飛機(jī)軌道高20千米飛行的人造衛(wèi)星速度比航天飛機(jī)慢。但是這次實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星用系鏈與航天飛機(jī)連接起來，結(jié)果在其軌道高度飛得比原來的人造衛(wèi)星速度快。特別是系鏈燒斷時(shí)，實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星多余的運(yùn)動量被釋放，衛(wèi)星一下子飛到航天飛機(jī)上方140千米處，上升到原先航天飛機(jī)上方20千米高度的7倍。

美國系鏈應(yīng)用公司的卡洛爾受此啟發(fā)，提出了使用系鏈迅速將結(jié)束使命的人造衛(wèi)星或火箭的燃料箱脫離軌道闖入大氣層銷毀的辦法，即從大型衛(wèi)星拴上20千米長系鏈的有效載荷使其落下的實(shí)驗(yàn)。這次與宇宙放風(fēng)箏失敗實(shí)驗(yàn)中航天飛機(jī)與載荷在軌道高度的“上下關(guān)系”正相反。從人造衛(wèi)星落下的系鏈一邊切割地球磁力線一邊旋轉(zhuǎn)，人造衛(wèi)星的動能轉(zhuǎn)為電能，速度減慢。因此如果在適當(dāng)時(shí)刻切斷系鏈，衛(wèi)星開始按計(jì)劃落下，并落到了預(yù)先確定的地面位置。系鏈應(yīng)用公司將此命名為“終止系鏈”，期待作為解決宇宙垃圾對策之一，正在積極地進(jìn)行實(shí)用化。

對付宇宙垃圾顯威力

美國國家航空航天局的馬歇爾宇宙飛行中心考慮采用導(dǎo)電性系鏈作為從軌道上除去不要的人造衛(wèi)星或火箭燃料箱的一種手段，以實(shí)現(xiàn)低成本防止宇宙垃圾發(fā)生的想法。

如上所述，導(dǎo)電性系鏈飛行在軌道上，與包圍地球的磁場相互作用產(chǎn)生電力。這意味安裝系鏈的衛(wèi)星的動能被轉(zhuǎn)化為電能，并且以熱等形式被消耗。由于衛(wèi)星的動能不斷地轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)果飛行速度降低。如果飛行速度降低，導(dǎo)致無法維持以前的軌道高度，開始下降，最后闖入大氣層燒毀。為了快速降低軌道高度，通常有必要使用推進(jìn)劑(但運(yùn)到軌道上將要耗費(fèi)很大成本)，但是用本方法只要從衛(wèi)星垂下系鏈就能實(shí)現(xiàn)。

美國系鏈應(yīng)用公司正考慮同樣系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。首先在人造衛(wèi)星或火箭的第一級預(yù)先放入內(nèi)裝系鏈的小型裝置。一旦火箭用完或衛(wèi)星發(fā)生故障不能使用時(shí)，展開導(dǎo)電性系鏈，快速降低衛(wèi)星或火箭的高度，盡快闖入大氣層銷毀。

美國國家航空航天局也正探討利用導(dǎo)電性系鏈，讓人造衛(wèi)星的軌道提升。如果用太陽電池供給的電力在系鏈流過電流，則通過與地球磁場的相互作用產(chǎn)生的電磁力在系鏈上產(chǎn)生推進(jìn)力，將人造衛(wèi)星拽上去。

現(xiàn)在軌道上建設(shè)的國際空間站，如果與存在周圍的極少一點(diǎn)大氣分子碰撞，軌道會一點(diǎn)點(diǎn)下降。為此，必須用推進(jìn)劑維持軌道高度。但是用來自太陽電池的電力供給，通過導(dǎo)電性系鏈獲得推進(jìn)力的話，則將變得不需要燃料補(bǔ)給。

我們?yōu)閷⑤d荷運(yùn)送到月球或更遠(yuǎn)的行星上，正在研究在軌道上高速旋轉(zhuǎn)的長幾百千米系鏈的“高速車輪”系統(tǒng)。想法是簡單的，像上個(gè)世紀(jì)30年代美國人布魯士寫的冒險(xiǎn)小說中的主人公泰山借助從樹上懸下的藤蔓從一根到另一根健步如飛地移動那樣，在不同軌道高度旋轉(zhuǎn)的系鏈之間交接載荷。

去月球的高速公路

首先，用像航天飛機(jī)那樣能夠不斷往返宇宙與地球之間的穿梭機(jī)裝載有數(shù)載荷從地上飛上天空，而且上升到高度超過10。千米的地方。因?yàn)橄垫滈L幾百千米，所以轉(zhuǎn)半圈，載荷一下子上升幾百千米，而且到達(dá)其最高點(diǎn)的地方，這次在更上面橢圓軌道旋轉(zhuǎn)的系鏈接收載荷。接著系鏈將載荷猛向月球甩去，漂在月球軌道上的系鏈抓住這個(gè)載荷。

在月球軌道上的被稱為“月球電梯”的系鏈依舊咕嚕咕嚕旋轉(zhuǎn)。但是月球引力小，沒有大氣，所以旋轉(zhuǎn)月球電梯的下端來到近月面。收到來自地球載荷的月球電梯轉(zhuǎn)半圈將載荷送達(dá)月球。與此同時(shí)，交替地將送到地球的載荷曳起來。如果月球電梯收到來自地球側(cè)的載荷，這時(shí)月球電梯除原先持有的動能外還加上載荷的動能，反過來將載荷扔回地球側(cè)的動能減小，但是通過與地球側(cè)系鏈互贈載荷，使月球側(cè)系鏈的動能不斷得到補(bǔ)充并貯存起來。其結(jié)果月球電梯順利地收到來自外部的能量補(bǔ)充，能夠繼續(xù)將載荷在月地之間往返，這種運(yùn)輸系統(tǒng)使到月球的頻繁往來成為可能，稱之通向月球的“高速公路”。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)尚需克服眾多技術(shù)上的難題。但是一旦這種系鏈運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這種經(jīng)濟(jì)效益高的宇宙高速公路的魅力將前途無量?；蛟S有一天在通往火星等行星或其衛(wèi)星的軌道上有許多系鏈在旋轉(zhuǎn)，人或貨物頻繁地往來。有趣的是，宇宙旅行這一切是從人類歷史展現(xiàn)曙光時(shí)代發(fā)明的一條系鏈開始。

責(zé)任編輯蒲暉