空间系绳的安全性设计准则探讨

李爱军，张丛丛，王长青

（西北工业大学 国际空间系绳系统研究中心，西安 710072）

0 引言

绳系卫星系统是指借助柔性系绳将两个或多个卫星连在一起飞行的组合体，其用途涵盖微重力产生、电动力推进、绳系交会及捕捉、空间碎片（含微流星体）清除和深空探测等诸多重要领域。由于系绳是这个系统的关键组成部分，所以选择一种合适的系绳是任务成功的关键。多年来，科研人员进行了多次空间系绳试验，但基本上没有达到预期效果，这与系绳的选择不当有一定关系。例如，1992年，TSS-1绳系卫星试验中由于缠绕之故使系绳只释放了268 m[1]；1994年，SEDS-2绳系卫星试验中，释放出的系绳3.7 d后就被空间碎片切断[2]；1996年，TSS-2试验中，系绳可能由于机械损伤导致电路短路而被烧断[3]；1998年，ATEX绳系卫星试验任务中，只考虑了系绳的生存能力而未考虑其展开性能，结果可能是由于系绳的形状记忆特性或其他特性而使系绳展开速率改变，从而导致展开失败[4]。可见系绳的选择对试验的成败有着重要的影响。

考虑空间环境因素对系绳安全性的影响，本文主要从结构和材料两方面着手，对系绳的安全性进行分析，并结合历次空间试验的结果，详细说明空间系绳在安全性设计方面应注意的问题。

1 系绳的材料

影响系绳安全的空间环境因素主要有紫外辐射、原子氧以及空间碎片等，其中紫外辐射会导致系绳的性能退化，原子氧会造成系绳的剥蚀老化，而空间碎片的碰撞可能会切断系绳。因此，在系绳的材料选择上必须要充分考虑这些环境因素的影响。

1.1 主体材料

空间系绳一般为由多种材料制作而成的组合体，其中起强度作用的材料为系绳的骨干部分。从目前已经实施的空间系绳试验来看，所用强度材料主要有 Kevlar-29与 Kevlar-49、Spectra-1000与Spectra-2000以及Dyneema（迪尼玛）等。

Kevlar（凯芙拉）是一种芳纶纤维，强度优于不锈钢，柔韧性好，耐磨且抵抗紫外辐射，可以制造成任务所需要的任何长度（不需要拼接）。Kevlar-29在高低温环境下性能很好，抗紫外辐射和原子氧侵蚀的能力很强。在 AIRSAT[5]、AIRSEDS[6]、ATM[7]任务中，强度材料均使用了Kevlar-29。相比Kevlar-29而言，Kevlar-49不易吸水，其抗热膨胀能力更优，在 ProSEDS任务和后续的几个任务中均被采用。

Spectra材料具有摩擦系数小、抗磨损能力强、粉尘产生少的特性，其抗紫外能力优于Kevlar，但耐热性能较差。Spectra-1000是由一种具有高适应性的聚乙烯纤维编织而成的，它具有较高的比强度，是当时（1993年）市场上可得到的耐冲击性最好的材料。在 SEDS-1[8]、SEDS-2[2]、TiPS[2]、ATEX[5]任务中，均采用了Spectra-1000。2000年，研制单位又推出了Spectra-2000，这是当时世界上强度最大的合成纤维，主要使用在ProSEDS任务中[9]。

除了以上两种主要的材料外，使用过的强度材料还包括聚乙烯和Dyneema。由于聚乙烯材料存在形状记忆特性及较大的静摩擦，在ATEX任务中，出现了系绳展开问题，导致试验任务失败。Dyneema材料由于强度大、密度小、耐湿热性好，被应用在YES-2试验中。

在地面试验中，对 M5、Zylon、PBO纤维、TEX纤维等材料进行了研究。M5材料具有强度大、耐高温、抗切割、耐腐蚀、抗紫外辐射等优良特性，但其对温度的适应范围较窄。PBO纤维强度大、耐高温、耐磨损、质量小，但是它的界面剪切强度小，这也限制了其应用。

不同材料有不同特性，我们要做的就是从各种材料中挑选出适合试验任务需要的材料。

1.2 导电材料

对于导电系绳还需要嵌入导电材料，主要嵌入的是铜和铝材。早期的导电系绳一般选择铜，但到了近期，人们多选择铝。因为铝的质量小，强度大，而导电、导热能力又与铜相差不多。例如在 TSS任务中，导电系绳使用了多层绝缘的铜线，即以Nomex材料（一种耐高温轻质芳香族聚酰胺）为核心，并在它上面缠绕10股AWG34号铜线（镀锡），铜线的绝缘采用聚四氟乙烯。在室温下，对TSS任务中的导电系绳的电阻进行测量：总长度为22 km的系绳，电阻大约为2100 Ω。还曾对TSS-2任务的导电系绳电流进行了测量：达到 0.5 A[1]。在 ProSEDS试验中，导电材料使用的是 7股AWG28号铝线，其外围包裹着8.7 µm厚的涂层以用于抗原子氧侵蚀和紫外辐射，系绳的平均击穿电压达到4169 V。

1.3 其他材料

在空间系绳试验中，有时还会在系绳中嵌入一些其他材料，有的是为了增加系绳的某种特性，有的是为了收集一些试验数据。例如在SEDS-1试验中，在系绳末端的100 m部分嵌入了焊接剂，旨在作一个被动制动的测试。在距离末端1.3 km、1.7 km、2.1 km处都嵌入了3 m长的焊接剂，以便在展开系绳时在18～19 km处注入一个张力波。而在系绳总长度的中点处也嵌入了一个偶极子阵列，即这种嵌入是通过在10 m长的尼龙单丝上每隔100 mm处使用25 mm长的铝线进行。遗憾的是，在阵列展开前由于 C波段雷达跟踪中止的原因而没有获取到关于阵列的数据。于是，在接下来的试验中，科研人员在编织中准备使用30 cm长的AWG42号铝线，以确保阵列对于超高频雷达的可见性。

2 系绳的结构

2.1 电动力系绳的结构

实际应用到试验中的电动力系绳一般由多层材料混合包裹而成。例如 TSS任务中使用的导电系绳[10]如图 1所示，其核心为 Nomex，在其上缠绕了10股AWG34号铜线（带绝缘），强度部分为Kevlar纤维，最外层为Nomex编织结构（用来抵抗原子氧侵蚀）。

图1 TSS任务中系绳的结构Fig. 1 Structure of tether in the TSS mission

1993年，为了验证电离层的电动力学特性，科学家在PMG试验中继续使用了500 m长的18号铜线进行空间试验。

2000年开始，为了探索设计新的系绳系统，科研人员对几种不同结构的电动力系绳进行了分析。最初，意大利国家研究委员会机构（GUNCE）对单股系绳进行了测试，发现单股系绳比较容易被切断，即使增加了系绳直径，其生存能力仍远低于空间任务的预期。鉴于此，Alenia Spazio提出了新的双股系绳结构，即环与环以结的形式连接，如图2所示。对双股系绳结构进行试验测试，结果表明：为了满足任务的寿命要求，仅仅通过调节结点之间的距离难以达到目的，还要同时调节每股系绳的直径[11]。

图2 双股系绳结构Fig. 2 Structure of double-strand tether

除了上述系绳结构形式外，科研人员还设计了其他新型的系绳结构，例如网状系绳和带状系绳[12]，如图3所示。同时，导电材料选择铝线。对网状系绳和带状系绳进行了试验测试，结果表明：网状系绳的生存能力强于带状系绳；而带状系绳的导电性能好于网状系绳。

图3 各种不同的系绳结构Fig. 3 Different structures of tether

网状结构系绳的典型结构为Hoytether结构[13]，如图4所示。这是一种三轴网状结构，包括主线和辅线，主线承受轴向载荷，辅线由间隔的对角线交叉连接而成，辅线只有在主线受到破坏时才承受载荷。对按Hoytether结构设计的系绳进行了撞击试验测试，结果表明：当撞击微粒直径为系绳直径的0.3倍时，系绳的生存能力为99.99%[2]，其使用寿命可以达到几周甚至几个月。总之，结构更加复杂的系绳生存能力更高。为了验证电离层的电动力学特性，这种系绳的大部分采用了裸露的铝导线，起到控制单元的作用[14]，即从电离层中收集电子并把电子传送到系统。

图4 Hoytether结构的系绳Fig. 4 Tether of the Hoytether structure

2.2 非导电系绳的结构

从编织方式看，非导电系绳结构并不完全相同，有的为单一的编织方式，而有的则根据试验展开过程或者是减速过程等要求为由几种不同材料的部分拼接而成。

单一编织的系绳结构较为简单，也在历次的试验任务中常被使用。例如在SEDS任务中，科研人员采用了8×375的空心编织结构[8]，这种编织方法容易连接并允许其他材料嵌入其中；而在Tips任务中，系绳采用了12×650的编织结构[2]，这种系绳直径相对于SEDS任务的更大。系绳的编织方法不同，其寿命也不同。试验证明，以12×650的编织结构所连接的系绳，其使用寿命较长（890 d）。除上述两次任务之外，AIRSAT、AIRSEDS、ATEX任务也使用了这种纯编织式结构的系绳。

ATM试验任务的系绳结构如图5所示，这种系绳与上述编织结构不同，在纵向上是一种单一结构，然而从横向来看，又是一种多层的包裹结构。它的结构相对简单，其强度部分为直径1.65 mm的Kevlar-29纤维，外面包裹着Nomex保护层，系绳最大直径为2.16 mm[7]。

图5 ATM任务使用的系绳结构Fig. 5 Structure of the tether in the ATM mission

有些试验还使用了由不同材料拼接而成的组合结构系绳。图6所示的是ProSEDS试验任务所使用的系绳，由4部分组成：第一段(d)为160 m长的Kevlar-49编织结构，起到使导电系绳和展开机构绝缘的作用；第二段(c)为一段包裹式结构，内层为Kevlar-49的内核，中间层为AWG28号铝线，最外层为13%的聚苯胺和87%的COR的混合物涂层；第三段(b)为扁平编织的Spectra-2000纤维，长为 10 km，为非导电系绳；第四段(a)为 20 m 的Kevlar-49编织结构，主要是防止系绳被末端金属高温熔化。这种系绳的4部分分别承担了不同的功能，更有利于任务的实施[9]。

图6 ProSEDS任务使用的系绳结构Fig. 6 Structure of the tether in the ProSEDS mission

YES-2试验是迄今为止比较成功的一次系绳试验，使用的也是组合式结构系绳，如图7所示。系绳的强度部分由迪尼玛SK65材料以8×220的方式编织而成（长度30 km），另外3部分分别为用以减少系绳振荡的减振装置（5.3 m长）、用以防止末端高温熔化的Kevlar-49编织系绳（9 m长）和用于固定普鲁士结的自由端（0.5 m长）[15]。

图7 YES-2试验使用的系绳Fig. 7 Tether in the YES-2 mission

3 系绳安全性设计的考虑因素

在选择系绳时，需要考虑两个重要因素：系绳的材料和直径[16]。

在选择系绳材料时，需要综合考虑如下8个方面：

1）强度与重量之比；

2）极限强度；

3）耐高低温的能力；

4）空间碎片（含微流星体）的影响；

5）抗原子氧侵蚀的能力；

6）抗紫外辐射的能力；

7）卷轴存储效果，即要保证系绳在存储一段时间后可以顺利从展开机构释放；

8）吸湿特性，即是否会因为环境湿度的变化而引起系绳结构受损。

在确定系绳的直径时，需要考虑如下3个方面的因素：

1）可容许的质量；

2）可容许的体积；

3）空间碎片（含微流星体）的影响。

在对系绳的材料与直径进行选择时，除了要根据空间试验任务要求考虑到上述影响因素之外，还需要做各种地面测试试验。对于电动力系绳，要考虑其电气特性（如绝缘体厚度），尽可能消除静电影响，消除电晕和电弧，且避免系绳中存在气体。表 1列出了本文所介绍的试验任务中系绳的材料及其他一些指标。

表1 系绳材料结构特性Table 1 Structure characteristics of tether’s materials

4 结束语

本文主要从系绳的材料和结构角度，对国外空间系绳试验中所采用的系绳的情况作了分析，给出了空间系绳安全性设计需考虑的因素。结合我国系绳发展现状，我们应该借鉴和吸收国外的技术及研究成果，加强空间系绳关键技术攻关（包括材料制备技术、编织工艺、测试试验技术等），开展空间系绳地面和空间飞行试验，以填补我国在空间系绳方面的研究空白。

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