空間系繩的安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則探討

李愛(ài)軍，張叢叢，王長(zhǎng)青

（西北工業(yè)大學(xué) 國(guó)際空間系繩系統(tǒng)研究中心，西安 710072）

0 引言

繩系衛(wèi)星系統(tǒng)是指借助柔性系繩將兩個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星連在一起飛行的組合體，其用途涵蓋微重力產(chǎn)生、電動(dòng)力推進(jìn)、繩系交會(huì)及捕捉、空間碎片（含微流星體）清除和深空探測(cè)等諸多重要領(lǐng)域。由于系繩是這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，所以選擇一種合適的系繩是任務(wù)成功的關(guān)鍵。多年來(lái)，科研人員進(jìn)行了多次空間系繩試驗(yàn)，但基本上沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，這與系繩的選擇不當(dāng)有一定關(guān)系。例如，1992年，TSS-1繩系衛(wèi)星試驗(yàn)中由于纏繞之故使系繩只釋放了268 m[1]；1994年，SEDS-2繩系衛(wèi)星試驗(yàn)中，釋放出的系繩3.7 d后就被空間碎片切斷[2]；1996年，TSS-2試驗(yàn)中，系繩可能由于機(jī)械損傷導(dǎo)致電路短路而被燒斷[3]；1998年，ATEX繩系衛(wèi)星試驗(yàn)任務(wù)中，只考慮了系繩的生存能力而未考慮其展開(kāi)性能，結(jié)果可能是由于系繩的形狀記憶特性或其他特性而使系繩展開(kāi)速率改變，從而導(dǎo)致展開(kāi)失敗[4]。可見(jiàn)系繩的選擇對(duì)試驗(yàn)的成敗有著重要的影響。

考慮空間環(huán)境因素對(duì)系繩安全性的影響，本文主要從結(jié)構(gòu)和材料兩方面著手，對(duì)系繩的安全性進(jìn)行分析，并結(jié)合歷次空間試驗(yàn)的結(jié)果，詳細(xì)說(shuō)明空間系繩在安全性設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意的問(wèn)題。

1 系繩的材料

影響系繩安全的空間環(huán)境因素主要有紫外輻射、原子氧以及空間碎片等，其中紫外輻射會(huì)導(dǎo)致系繩的性能退化，原子氧會(huì)造成系繩的剝蝕老化，而空間碎片的碰撞可能會(huì)切斷系繩。因此，在系繩的材料選擇上必須要充分考慮這些環(huán)境因素的影響。

1.1 主體材料

空間系繩一般為由多種材料制作而成的組合體，其中起強(qiáng)度作用的材料為系繩的骨干部分。從目前已經(jīng)實(shí)施的空間系繩試驗(yàn)來(lái)看，所用強(qiáng)度材料主要有 Kevlar-29與 Kevlar-49、Spectra-1000與Spectra-2000以及Dyneema（迪尼瑪）等。

Kevlar（凱芙拉）是一種芳綸纖維，強(qiáng)度優(yōu)于不銹鋼，柔韌性好，耐磨且抵抗紫外輻射，可以制造成任務(wù)所需要的任何長(zhǎng)度（不需要拼接）。Kevlar-29在高低溫環(huán)境下性能很好，抗紫外輻射和原子氧侵蝕的能力很強(qiáng)。在 AIRSAT[5]、AIRSEDS[6]、ATM[7]任務(wù)中，強(qiáng)度材料均使用了Kevlar-29。相比Kevlar-29而言，Kevlar-49不易吸水，其抗熱膨脹能力更優(yōu)，在 ProSEDS任務(wù)和后續(xù)的幾個(gè)任務(wù)中均被采用。

Spectra材料具有摩擦系數(shù)小、抗磨損能力強(qiáng)、粉塵產(chǎn)生少的特性，其抗紫外能力優(yōu)于Kevlar，但耐熱性能較差。Spectra-1000是由一種具有高適應(yīng)性的聚乙烯纖維編織而成的，它具有較高的比強(qiáng)度，是當(dāng)時(shí)（1993年）市場(chǎng)上可得到的耐沖擊性最好的材料。在 SEDS-1[8]、SEDS-2[2]、TiPS[2]、ATEX[5]任務(wù)中，均采用了Spectra-1000。2000年，研制單位又推出了Spectra-2000，這是當(dāng)時(shí)世界上強(qiáng)度最大的合成纖維，主要使用在ProSEDS任務(wù)中[9]。

除了以上兩種主要的材料外，使用過(guò)的強(qiáng)度材料還包括聚乙烯和Dyneema。由于聚乙烯材料存在形狀記憶特性及較大的靜摩擦，在ATEX任務(wù)中，出現(xiàn)了系繩展開(kāi)問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)任務(wù)失敗。Dyneema材料由于強(qiáng)度大、密度小、耐濕熱性好，被應(yīng)用在YES-2試驗(yàn)中。

在地面試驗(yàn)中，對(duì) M5、Zylon、PBO纖維、TEX纖維等材料進(jìn)行了研究。M5材料具有強(qiáng)度大、耐高溫、抗切割、耐腐蝕、抗紫外輻射等優(yōu)良特性，但其對(duì)溫度的適應(yīng)范圍較窄。PBO纖維強(qiáng)度大、耐高溫、耐磨損、質(zhì)量小，但是它的界面剪切強(qiáng)度小，這也限制了其應(yīng)用。

不同材料有不同特性，我們要做的就是從各種材料中挑選出適合試驗(yàn)任務(wù)需要的材料。

1.2 導(dǎo)電材料

對(duì)于導(dǎo)電系繩還需要嵌入導(dǎo)電材料，主要嵌入的是銅和鋁材。早期的導(dǎo)電系繩一般選擇銅，但到了近期，人們多選擇鋁。因?yàn)殇X的質(zhì)量小，強(qiáng)度大，而導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力又與銅相差不多。例如在 TSS任務(wù)中，導(dǎo)電系繩使用了多層絕緣的銅線，即以Nomex材料（一種耐高溫輕質(zhì)芳香族聚酰胺）為核心，并在它上面纏繞10股AWG34號(hào)銅線（鍍錫），銅線的絕緣采用聚四氟乙烯。在室溫下，對(duì)TSS任務(wù)中的導(dǎo)電系繩的電阻進(jìn)行測(cè)量：總長(zhǎng)度為22 km的系繩，電阻大約為2100 ?。還曾對(duì)TSS-2任務(wù)的導(dǎo)電系繩電流進(jìn)行了測(cè)量：達(dá)到 0.5 A[1]。在 ProSEDS試驗(yàn)中，導(dǎo)電材料使用的是 7股AWG28號(hào)鋁線，其外圍包裹著8.7 μm厚的涂層以用于抗原子氧侵蝕和紫外輻射，系繩的平均擊穿電壓達(dá)到4169 V。

1.3 其他材料

在空間系繩試驗(yàn)中，有時(shí)還會(huì)在系繩中嵌入一些其他材料，有的是為了增加系繩的某種特性，有的是為了收集一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如在SEDS-1試驗(yàn)中，在系繩末端的100 m部分嵌入了焊接劑，旨在作一個(gè)被動(dòng)制動(dòng)的測(cè)試。在距離末端1.3 km、1.7 km、2.1 km處都嵌入了3 m長(zhǎng)的焊接劑，以便在展開(kāi)系繩時(shí)在18～19 km處注入一個(gè)張力波。而在系繩總長(zhǎng)度的中點(diǎn)處也嵌入了一個(gè)偶極子陣列，即這種嵌入是通過(guò)在10 m長(zhǎng)的尼龍單絲上每隔100 mm處使用25 mm長(zhǎng)的鋁線進(jìn)行。遺憾的是，在陣列展開(kāi)前由于 C波段雷達(dá)跟蹤中止的原因而沒(méi)有獲取到關(guān)于陣列的數(shù)據(jù)。于是，在接下來(lái)的試驗(yàn)中，科研人員在編織中準(zhǔn)備使用30 cm長(zhǎng)的AWG42號(hào)鋁線，以確保陣列對(duì)于超高頻雷達(dá)的可見(jiàn)性。

2 系繩的結(jié)構(gòu)

2.1 電動(dòng)力系繩的結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用到試驗(yàn)中的電動(dòng)力系繩一般由多層材料混合包裹而成。例如 TSS任務(wù)中使用的導(dǎo)電系繩[10]如圖 1所示，其核心為 Nomex，在其上纏繞了10股AWG34號(hào)銅線（帶絕緣），強(qiáng)度部分為Kevlar纖維，最外層為Nomex編織結(jié)構(gòu)（用來(lái)抵抗原子氧侵蝕）。

圖1 TSS任務(wù)中系繩的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of tether in the TSS mission

1993年，為了驗(yàn)證電離層的電動(dòng)力學(xué)特性，科學(xué)家在PMG試驗(yàn)中繼續(xù)使用了500 m長(zhǎng)的18號(hào)銅線進(jìn)行空間試驗(yàn)。

2000年開(kāi)始，為了探索設(shè)計(jì)新的系繩系統(tǒng)，科研人員對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的電動(dòng)力系繩進(jìn)行了分析。最初，意大利國(guó)家研究委員會(huì)機(jī)構(gòu)（GUNCE）對(duì)單股系繩進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)單股系繩比較容易被切斷，即使增加了系繩直徑，其生存能力仍遠(yuǎn)低于空間任務(wù)的預(yù)期。鑒于此，Alenia Spazio提出了新的雙股系繩結(jié)構(gòu)，即環(huán)與環(huán)以結(jié)的形式連接，如圖2所示。對(duì)雙股系繩結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：為了滿足任務(wù)的壽命要求，僅僅通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)點(diǎn)之間的距離難以達(dá)到目的，還要同時(shí)調(diào)節(jié)每股系繩的直徑[11]。

圖2 雙股系繩結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of double-strand tether

除了上述系繩結(jié)構(gòu)形式外，科研人員還設(shè)計(jì)了其他新型的系繩結(jié)構(gòu)，例如網(wǎng)狀系繩和帶狀系繩[12]，如圖3所示。同時(shí)，導(dǎo)電材料選擇鋁線。對(duì)網(wǎng)狀系繩和帶狀系繩進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：網(wǎng)狀系繩的生存能力強(qiáng)于帶狀系繩；而帶狀系繩的導(dǎo)電性能好于網(wǎng)狀系繩。

圖3 各種不同的系繩結(jié)構(gòu)Fig. 3 Different structures of tether

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系繩的典型結(jié)構(gòu)為Hoytether結(jié)構(gòu)[13]，如圖4所示。這是一種三軸網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括主線和輔線，主線承受軸向載荷，輔線由間隔的對(duì)角線交叉連接而成，輔線只有在主線受到破壞時(shí)才承受載荷。對(duì)按Hoytether結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系繩進(jìn)行了撞擊試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：當(dāng)撞擊微粒直徑為系繩直徑的0.3倍時(shí)，系繩的生存能力為99.99%[2]，其使用壽命可以達(dá)到幾周甚至幾個(gè)月。總之，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的系繩生存能力更高。為了驗(yàn)證電離層的電動(dòng)力學(xué)特性，這種系繩的大部分采用了裸露的鋁導(dǎo)線，起到控制單元的作用[14]，即從電離層中收集電子并把電子傳送到系統(tǒng)。

圖4 Hoytether結(jié)構(gòu)的系繩Fig. 4 Tether of the Hoytether structure

2.2 非導(dǎo)電系繩的結(jié)構(gòu)

從編織方式看，非導(dǎo)電系繩結(jié)構(gòu)并不完全相同，有的為單一的編織方式，而有的則根據(jù)試驗(yàn)展開(kāi)過(guò)程或者是減速過(guò)程等要求為由幾種不同材料的部分拼接而成。

單一編織的系繩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，也在歷次的試驗(yàn)任務(wù)中常被使用。例如在SEDS任務(wù)中，科研人員采用了8×375的空心編織結(jié)構(gòu)[8]，這種編織方法容易連接并允許其他材料嵌入其中；而在Tips任務(wù)中，系繩采用了12×650的編織結(jié)構(gòu)[2]，這種系繩直徑相對(duì)于SEDS任務(wù)的更大。系繩的編織方法不同，其壽命也不同。試驗(yàn)證明，以12×650的編織結(jié)構(gòu)所連接的系繩，其使用壽命較長(zhǎng)（890 d）。除上述兩次任務(wù)之外，AIRSAT、AIRSEDS、ATEX任務(wù)也使用了這種純編織式結(jié)構(gòu)的系繩。

ATM試驗(yàn)任務(wù)的系繩結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種系繩與上述編織結(jié)構(gòu)不同，在縱向上是一種單一結(jié)構(gòu)，然而從橫向來(lái)看，又是一種多層的包裹結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其強(qiáng)度部分為直徑1.65 mm的Kevlar-29纖維，外面包裹著Nomex保護(hù)層，系繩最大直徑為2.16 mm[7]。

圖5 ATM任務(wù)使用的系繩結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of the tether in the ATM mission

有些試驗(yàn)還使用了由不同材料拼接而成的組合結(jié)構(gòu)系繩。圖6所示的是ProSEDS試驗(yàn)任務(wù)所使用的系繩，由4部分組成：第一段(d)為160 m長(zhǎng)的Kevlar-49編織結(jié)構(gòu)，起到使導(dǎo)電系繩和展開(kāi)機(jī)構(gòu)絕緣的作用；第二段(c)為一段包裹式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為Kevlar-49的內(nèi)核，中間層為AWG28號(hào)鋁線，最外層為13%的聚苯胺和87%的COR的混合物涂層；第三段(b)為扁平編織的Spectra-2000纖維，長(zhǎng)為 10 km，為非導(dǎo)電系繩；第四段(a)為 20 m 的Kevlar-49編織結(jié)構(gòu)，主要是防止系繩被末端金屬高溫熔化。這種系繩的4部分分別承擔(dān)了不同的功能，更有利于任務(wù)的實(shí)施[9]。

圖6 ProSEDS任務(wù)使用的系繩結(jié)構(gòu)Fig. 6 Structure of the tether in the ProSEDS mission

YES-2試驗(yàn)是迄今為止比較成功的一次系繩試驗(yàn)，使用的也是組合式結(jié)構(gòu)系繩，如圖7所示。系繩的強(qiáng)度部分由迪尼瑪SK65材料以8×220的方式編織而成（長(zhǎng)度30 km），另外3部分分別為用以減少系繩振蕩的減振裝置（5.3 m長(zhǎng)）、用以防止末端高溫熔化的Kevlar-49編織系繩（9 m長(zhǎng)）和用于固定普魯士結(jié)的自由端（0.5 m長(zhǎng)）[15]。

圖7 YES-2試驗(yàn)使用的系繩Fig. 7 Tether in the YES-2 mission

3 系繩安全性設(shè)計(jì)的考慮因素

在選擇系繩時(shí)，需要考慮兩個(gè)重要因素：系繩的材料和直徑[16]。

在選擇系繩材料時(shí)，需要綜合考慮如下8個(gè)方面：

1）強(qiáng)度與重量之比；

2）極限強(qiáng)度；

3）耐高低溫的能力；

4）空間碎片（含微流星體）的影響；

5）抗原子氧侵蝕的能力；

6）抗紫外輻射的能力；

7）卷軸存儲(chǔ)效果，即要保證系繩在存儲(chǔ)一段時(shí)間后可以順利從展開(kāi)機(jī)構(gòu)釋放；

8）吸濕特性，即是否會(huì)因?yàn)榄h(huán)境濕度的變化而引起系繩結(jié)構(gòu)受損。

在確定系繩的直徑時(shí)，需要考慮如下3個(gè)方面的因素：

1）可容許的質(zhì)量；

2）可容許的體積；

3）空間碎片（含微流星體）的影響。

在對(duì)系繩的材料與直徑進(jìn)行選擇時(shí)，除了要根據(jù)空間試驗(yàn)任務(wù)要求考慮到上述影響因素之外，還需要做各種地面測(cè)試試驗(yàn)。對(duì)于電動(dòng)力系繩，要考慮其電氣特性（如絕緣體厚度），盡可能消除靜電影響，消除電暈和電弧，且避免系繩中存在氣體。表 1列出了本文所介紹的試驗(yàn)任務(wù)中系繩的材料及其他一些指標(biāo)。

表1 系繩材料結(jié)構(gòu)特性Table 1 Structure characteristics of tether’s materials

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從系繩的材料和結(jié)構(gòu)角度，對(duì)國(guó)外空間系繩試驗(yàn)中所采用的系繩的情況作了分析，給出了空間系繩安全性設(shè)計(jì)需考慮的因素。結(jié)合我國(guó)系繩發(fā)展現(xiàn)狀，我們應(yīng)該借鑒和吸收國(guó)外的技術(shù)及研究成果，加強(qiáng)空間系繩關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)（包括材料制備技術(shù)、編織工藝、測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)等），開(kāi)展空間系繩地面和空間飛行試驗(yàn)，以填補(bǔ)我國(guó)在空間系繩方面的研究空白。

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