空間系繩的安全性設計準則探討

李愛軍，張叢叢，王長青

（西北工業大學 國際空間系繩系統研究中心，西安 710072）

0 引言

繩系衛星系統是指借助柔性系繩將兩個或多個衛星連在一起飛行的組合體，其用途涵蓋微重力產生、電動力推進、繩系交會及捕捉、空間碎片（含微流星體）清除和深空探測等諸多重要領域。由于系繩是這個系統的關鍵組成部分，所以選擇一種合適的系繩是任務成功的關鍵。多年來，科研人員進行了多次空間系繩試驗，但基本上沒有達到預期效果，這與系繩的選擇不當有一定關系。例如，1992年，TSS-1繩系衛星試驗中由于纏繞之故使系繩只釋放了268 m[1]；1994年，SEDS-2繩系衛星試驗中，釋放出的系繩3.7 d后就被空間碎片切斷[2]；1996年，TSS-2試驗中，系繩可能由于機械損傷導致電路短路而被燒斷[3]；1998年，ATEX繩系衛星試驗任務中，只考慮了系繩的生存能力而未考慮其展開性能，結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速率改變，從而導致展開失敗[4]。可見系繩的選擇對試驗的成敗有著重要的影響。

考慮空間環境因素對系繩安全性的影響，本文主要從結構和材料兩方面著手，對系繩的安全性進行分析，并結合歷次空間試驗的結果，詳細說明空間系繩在安全性設計方面應注意的問題。

1 系繩的材料

影響系繩安全的空間環境因素主要有紫外輻射、原子氧以及空間碎片等，其中紫外輻射會導致系繩的性能退化，原子氧會造成系繩的剝蝕老化，而空間碎片的碰撞可能會切斷系繩。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，其中起強度作用的材料為系繩的骨干部分。從目前已經實施的空間系繩試驗來看，所用強度材料主要有 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，強度優于不銹鋼，柔韌性好，耐磨且抵抗紫外輻射，可以制造成任務所需要的任何長度（不需要拼接）。Kevlar-29在高低溫環境下性能很好，抗紫外輻射和原子氧侵蝕的能力很強。在 AIRSAT[5]、AIRSEDS[6]、ATM[7]任務中，強度材料均使用了Kevlar-29。相比Kevlar-29而言，Kevlar-49不易吸水，其抗熱膨脹能力更優，在 ProSEDS任務和后續的幾個任務中均被采用。

Spectra材料具有摩擦系數小、抗磨損能力強、粉塵產生少的特性，其抗紫外能力優于Kevlar，但耐熱性能較差。Spectra-1000是由一種具有高適應性的聚乙烯纖維編織而成的，它具有較高的比強度，是當時（1993年）市場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]任務中，均采用了Spectra-1000。2000年，研制單位又推出了Spectra-2000，這是當時世界上強度最大的合成纖維，主要使用在ProSEDS任務中[9]。

除了以上兩種主要的材料外，使用過的強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任務中，出現了系繩展開問題，導致試驗任務失敗。Dyneema材料由于強度大、密度小、耐濕熱性好，被應用在YES-2試驗中。

在地面試驗中，對 M5、Zylon、PBO纖維、TEX纖維等材料進行了研究。M5材料具有強度大、耐高溫、抗切割、耐腐蝕、抗紫外輻射等優良特性，但其對溫度的適應范圍較窄。PBO纖維強度大、耐高溫、耐磨損、質量小，但是它的界面剪切強度小，這也限制了其應用。

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任務需要的材料。

1.2 導電材料

對于導電系繩還需要嵌入導電材料，主要嵌入的是銅和鋁材。早期的導電系繩一般選擇銅，但到了近期，人們多選擇鋁。因為鋁的質量小，強度大，而導電、導熱能力又與銅相差不多。例如在 TSS任務中，導電系繩使用了多層絕緣的銅線，即以Nomex材料（一種耐高溫輕質芳香族聚酰胺）為核心，并在它上面纏繞10股AWG34號銅線（鍍錫），銅線的絕緣采用聚四氟乙烯。在室溫下，對TSS任務中的導電系繩的電阻進行測量：總長度為22 km的系繩，電阻大約為2100 ?。還曾對TSS-2任務的導電系繩電流進行了測量：達到 0.5 A[1]。在 ProSEDS試驗中，導電材料使用的是 7股AWG28號鋁線，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到4169 V。

1.3 其他材料

在空間系繩試驗中，有時還會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數據。例如在SEDS-1試驗中，在系繩末端的100 m部分嵌入了焊接劑，旨在作一個被動制動的測試。在距離末端1.3 km、1.7 km、2.1 km處都嵌入了3 m長的焊接劑，以便在展開系繩時在18～19 km處注入一個張力波。而在系繩總長度的中點處也嵌入了一個偶極子陣列，即這種嵌入是通過在10 m長的尼龍單絲上每隔100 mm處使用25 mm長的鋁線進行。遺憾的是，在陣列展開前由于 C波段雷達跟蹤中止的原因而沒有獲取到關于陣列的數據。于是，在接下來的試驗中，科研人員在編織中準備使用30 cm長的AWG42號鋁線，以確保陣列對于超高頻雷達的可見性。

2 系繩的結構

2.1 電動力系繩的結構

實際應用到試驗中的電動力系繩一般由多層材料混合包裹而成。例如 TSS任務中使用的導電系繩[10]如圖 1所示，其核心為 Nomex，在其上纏繞了10股AWG34號銅線（帶絕緣），強度部分為Kevlar纖維，最外層為Nomex編織結構（用來抵抗原子氧侵蝕）。

圖1 TSS任務中系繩的結構Fig. 1 Structure of tether in the TSS mission

1993年，為了驗證電離層的電動力學特性，科學家在PMG試驗中繼續使用了500 m長的18號銅線進行空間試驗。

2000年開始，為了探索設計新的系繩系統，科研人員對幾種不同結構的電動力系繩進行了分析。最初，意大利國家研究委員會機構（GUNCE）對單股系繩進行了測試，發現單股系繩比較容易被切斷，即使增加了系繩直徑，其生存能力仍遠低于空間任務的預期。鑒于此，Alenia Spazio提出了新的雙股系繩結構，即環與環以結的形式連接，如圖2所示。對雙股系繩結構進行試驗測試，結果表明：為了滿足任務的壽命要求，僅僅通過調節結點之間的距離難以達到目的，還要同時調節每股系繩的直徑[11]。

圖2 雙股系繩結構Fig. 2 Structure of double-strand tether

除了上述系繩結構形式外，科研人員還設計了其他新型的系繩結構，例如網狀系繩和帶狀系繩[12]，如圖3所示。同時，導電材料選擇鋁線。對網狀系繩和帶狀系繩進行了試驗測試，結果表明：網狀系繩的生存能力強于帶狀系繩；而帶狀系繩的導電性能好于網狀系繩。

圖3 各種不同的系繩結構Fig. 3 Different structures of tether

網狀結構系繩的典型結構為Hoytether結構[13]，如圖4所示。這是一種三軸網狀結構，包括主線和輔線，主線承受軸向載荷，輔線由間隔的對角線交叉連接而成，輔線只有在主線受到破壞時才承受載荷。對按Hoytether結構設計的系繩進行了撞擊試驗測試，結果表明：當撞擊微粒直徑為系繩直徑的0.3倍時，系繩的生存能力為99.99%[2]，其使用壽命可以達到幾周甚至幾個月。總之，結構更加復雜的系繩生存能力更高。為了驗證電離層的電動力學特性，這種系繩的大部分采用了裸露的鋁導線，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。

圖4 Hoytether結構的系繩Fig. 4 Tether of the Hoytether structure

2.2 非導電系繩的結構

從編織方式看，非導電系繩結構并不完全相同，有的為單一的編織方式，而有的則根據試驗展開過程或者是減速過程等要求為由幾種不同材料的部分拼接而成。

單一編織的系繩結構較為簡單，也在歷次的試驗任務中常被使用。例如在SEDS任務中，科研人員采用了8×375的空心編織結構[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任務中，系繩采用了12×650的編織結構[2]，這種系繩直徑相對于SEDS任務的更大。系繩的編織方法不同，其壽命也不同。試驗證明，以12×650的編織結構所連接的系繩，其使用壽命較長（890 d）。除上述兩次任務之外，AIRSAT、AIRSEDS、ATEX任務也使用了這種純編織式結構的系繩。

ATM試驗任務的系繩結構如圖5所示，這種系繩與上述編織結構不同，在縱向上是一種單一結構，然而從橫向來看，又是一種多層的包裹結構。它的結構相對簡單，其強度部分為直徑1.65 mm的Kevlar-29纖維，外面包裹著Nomex保護層，系繩最大直徑為2.16 mm[7]。

圖5 ATM任務使用的系繩結構Fig. 5 Structure of the tether in the ATM mission

有些試驗還使用了由不同材料拼接而成的組合結構系繩。圖6所示的是ProSEDS試驗任務所使用的系繩，由4部分組成：第一段(d)為160 m長的Kevlar-49編織結構，起到使導電系繩和展開機構絕緣的作用；第二段(c)為一段包裹式結構，內層為Kevlar-49的內核，中間層為AWG28號鋁線，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，長為 10 km，為非導電系繩；第四段(a)為 20 m 的Kevlar-49編織結構，主要是防止系繩被末端金屬高溫熔化。這種系繩的4部分分別承擔了不同的功能，更有利于任務的實施[9]。

圖6 ProSEDS任務使用的系繩結構Fig. 6 Structure of the tether in the ProSEDS mission

YES-2試驗是迄今為止比較成功的一次系繩試驗，使用的也是組合式結構系繩，如圖7所示。系繩的強度部分由迪尼瑪SK65材料以8×220的方式編織而成（長度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）、用以防止末端高溫熔化的Kevlar-49編織系繩（9 m長）和用于固定普魯士結的自由端（0.5 m長）[15]。

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

3 系繩安全性設計的考慮因素

在選擇系繩時，需要考慮兩個重要因素：系繩的材料和直徑[16]。

在選擇系繩材料時，需要綜合考慮如下8個方面：

1）強度與重量之比；

2）極限強度；

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）卷軸存儲效果，即要保證系繩在存儲一段時間后可以順利從展開機構釋放；

8）吸濕特性，即是否會因為環境濕度的變化而引起系繩結構受損。

在確定系繩的直徑時，需要考慮如下3個方面的因素：

1）可容許的質量；

2）可容許的體積；

3）空間碎片（含微流星體）的影響。

在對系繩的材料與直徑進行選擇時，除了要根據空間試驗任務要求考慮到上述影響因素之外，還需要做各種地面測試試驗。對于電動力系繩，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任務中系繩的材料及其他一些指標。

表1 系繩材料結構特性Table 1 Structure characteristics of tether’s materials

4 結束語

本文主要從系繩的材料和結構角度，對國外空間系繩試驗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計需考慮的因素。結合我國系繩發展現狀，我們應該借鑒和吸收國外的技術及研究成果，加強空間系繩關鍵技術攻關（包括材料制備技術、編織工藝、測試試驗技術等），開展空間系繩地面和空間飛行試驗，以填補我國在空間系繩方面的研究空白。

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