月球旅行的奇思妙想

吴　凡

将来人类到月球或火星旅行时使用的或许不是火箭，而是更简单古朴的工具——系链。系链者，绳索也，那是人类历史展现曙光时代发明的绳索。

宇宙运输使用的系链确实起到了类似拴牛马等家畜用的绳索的作用。在宇宙空间拴的不是牛马，而是将系链拴在飞船或卫星上。那么怎么使用系链产生推进力呢?有两种方式。第一种为动量传递型，将两颗卫星用特制的绳索连接起来，其中一颗卫星用“动量”将另一颗卫星“掷”到另一个轨道上。使用这种方式能够将有效载荷(载在飞船上的乘客或物资的总称)运送到月球或水星等行星上。从物理原理上说，就是将一个卫星具有的部分动量交给另一个卫星，实现加速。第二种为电动力传递型，所谓绳索是一根导线，有电流通过，它与地球周围存在的磁场相互作用产生动力。这样流过系链的电能便转换为动能。

显而易见，无论是第一种还是第二种，它们的最大特点都是无需消耗巨大的能源就能得到推进力，所以作为在宇宙空间的运输手段具有卓越的经济效益。对于动量传递型系链，只要分给已存在于轨道上卫星一点点动量就行。如果是利用电磁力的系链，只要从安装在卫星上的太阳电池供给电力就行。

宇宙的“放风筝”实验

关于系链的宇宙实验至今已实施了17次，其中大部分取得成功，但是有两个失败的宇宙实验最为著名。一个是1992年在亚特兰蒂斯号航天飞机上进行的放风筝实验。亚特兰蒂斯号装载的是意大利的实验卫星，安装了外包绝缘的导电性好的铜线作为系链，并被收藏在卷线机内。

当亚特兰蒂斯号到达地球轨道上时，打开贮存室从卷线机缓缓伸展系链，同时将实验卫星往远离地球的方向扔出去。所谓被航天飞机曳着的系链在空间移动是指长长的电缆在覆盖地球的磁场中穿越。由于这被当作一种发电系统，目的是验证通过系链将航天飞机特有的部分动能转换为电能，但因卷线机中途未能很好转动，实验中止。

4年后美国国家航空航天局再度尝试同样实验。这次系链顺利地从卷线机送出，前端安装实验卫星的系链按计划伸展到20千米，而且这个系链一边横穿越地球磁场一边转动，系链中产生3500伏电压。

航天飞机在非常稀薄大气的电离层中飞行，为此设计在系链两端安装的实验卫星和航天飞机上搭载电机，将系链产生的电流流过周围的电离层。遗憾的是包在系链上的绝缘强度好像不够，结果电流没按设计的从系链的两端出入。实际上从航天飞机贮存室的悬臂和系链之间发生了电气放电，因为火花将系链烧断。

失败的启示

由此，用系链做几千瓦的宇宙发电实验再次以失败告终，但是偶然发现用系链获得另一个推进力的方法，即将系链作为“宇宙抛石机”的实验得到实现。

系链烧断前，实验卫星在航天飞机上方20千米处绕地球飞行。一般的人造卫星轨道高度越往上飞行速度越慢。为此，如果在自然的状态，比航天飞机轨道高20千米飞行的人造卫星速度比航天飞机慢。但是这次实验卫星用系链与航天飞机连接起来，结果在其轨道高度飞得比原来的人造卫星速度快。特别是系链烧断时，实验卫星多余的运动量被释放，卫星一下子飞到航天飞机上方140千米处，上升到原先航天飞机上方20千米高度的7倍。

美国系链应用公司的卡洛尔受此启发，提出了使用系链迅速将结束使命的人造卫星或火箭的燃料箱脱离轨道闯入大气层销毁的办法，即从大型卫星拴上20千米长系链的有效载荷使其落下的实验。这次与宇宙放风筝失败实验中航天飞机与载荷在轨道高度的“上下关系”正相反。从人造卫星落下的系链一边切割地球磁力线一边旋转，人造卫星的动能转为电能，速度减慢。因此如果在适当时刻切断系链，卫星开始按计划落下，并落到了预先确定的地面位置。系链应用公司将此命名为“终止系链”，期待作为解决宇宙垃圾对策之一，正在积极地进行实用化。

对付宇宙垃圾显威力

美国国家航空航天局的马歇尔宇宙飞行中心考虑采用导电性系链作为从轨道上除去不要的人造卫星或火箭燃料箱的一种手段，以实现低成本防止宇宙垃圾发生的想法。

如上所述，导电性系链飞行在轨道上，与包围地球的磁场相互作用产生电力。这意味安装系链的卫星的动能被转化为电能，并且以热等形式被消耗。由于卫星的动能不断地转化为电能，结果飞行速度降低。如果飞行速度降低，导致无法维持以前的轨道高度，开始下降，最后闯入大气层烧毁。为了快速降低轨道高度，通常有必要使用推进剂(但运到轨道上将要耗费很大成本)，但是用本方法只要从卫星垂下系链就能实现。

美国系链应用公司正考虑同样系统的商业应用。首先在人造卫星或火箭的第一级预先放入内装系链的小型装置。一旦火箭用完或卫星发生故障不能使用时，展开导电性系链，快速降低卫星或火箭的高度，尽快闯入大气层销毁。

美国国家航空航天局也正探讨利用导电性系链，让人造卫星的轨道提升。如果用太阳电池供给的电力在系链流过电流，则通过与地球磁场的相互作用产生的电磁力在系链上产生推进力，将人造卫星拽上去。

现在轨道上建设的国际空间站，如果与存在周围的极少一点大气分子碰撞，轨道会一点点下降。为此，必须用推进剂维持轨道高度。但是用来自太阳电池的电力供给，通过导电性系链获得推进力的话，则将变得不需要燃料补给。

我们为将载荷运送到月球或更远的行星上，正在研究在轨道上高速旋转的长几百千米系链的“高速车轮”系统。想法是简单的，像上个世纪30年代美国人布鲁士写的冒险小说中的主人公泰山借助从树上悬下的藤蔓从一根到另一根健步如飞地移动那样，在不同轨道高度旋转的系链之间交接载荷。

去月球的高速公路

首先，用像航天飞机那样能够不断往返宇宙与地球之间的穿梭机装载有数载荷从地上飞上天空，而且上升到高度超过10。千米的地方。因为系链长几百千米，所以转半圈，载荷一下子上升几百千米，而且到达其最高点的地方，这次在更上面椭圆轨道旋转的系链接收载荷。接着系链将载荷猛向月球甩去，漂在月球轨道上的系链抓住这个载荷。

在月球轨道上的被称为“月球电梯”的系链依旧咕噜咕噜旋转。但是月球引力小，没有大气，所以旋转月球电梯的下端来到近月面。收到来自地球载荷的月球电梯转半圈将载荷送达月球。与此同时，交替地将送到地球的载荷曳起来。如果月球电梯收到来自地球侧的载荷，这时月球电梯除原先持有的动能外还加上载荷的动能，反过来将载荷扔回地球侧的动能减小，但是通过与地球侧系链互赠载荷，使月球侧系链的动能不断得到补充并贮存起来。其结果月球电梯顺利地收到来自外部的能量补充，能够继续将载荷在月地之间往返，这种运输系统使到月球的频繁往来成为可能，称之通向月球的“高速公路”。

当然，实现这个系统尚需克服众多技术上的难题。但是一旦这种系链运输系统实现，这种经济效益高的宇宙高速公路的魅力将前途无量。或许有一天在通往火星等行星或其卫星的轨道上有许多系链在旋转，人或货物频繁地往来。有趣的是，宇宙旅行这一切是从人类历史展现曙光时代发明的一条系链开始。

责任编辑蒲晖