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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,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。,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
2、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.,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)IBLvI=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),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
3、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。,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。,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$3000Kg)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,
4、十年内节约（7717）吨60吨推进燃料,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6.5107千米；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。,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；,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）。,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”.,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 Sanmartn撰文，科学杂志，2004年第十期,Thank you,
