（来源：中国航空报）

　　在肯塔基大学的一个实验室里，三个小型航天器模型在低摩擦气垫轨道上滑动，彼此相互推拉，无须推进器、推进剂或物理接触。它们利用的是精心控制的磁场，这项技术未来有望帮助卫星群在太空中保持精确的队形，而无须持续消耗燃料。

　　这项研究将于2026年9月发表在《航空航天科学与技术》杂志上，标志着研究人员向所谓的“电磁编队飞行”（EMFF）迈出了重要一步。电磁编队飞行是一种利用星载线圈而非传统的推进剂推进器来控制卫星相对位置的方法。

　　在这项研究中，研究人员展示了一个分散式的三卫星控制系统，该系统利用交变磁场力以厘米级的精度维持队形，为未来的空间望远镜、干涉仪、引力波探测器和其他分布式航天器任务提供了一条可能的道路。

　　这项由肯塔基大学机械与航空航天工程系科学家探索的研究，聚焦于航天器工程领域一个长期存在的问题：未来的许多任务可能不再依赖于单个大型航天器，而是依靠一组以精心编队飞行的小型卫星。如果这些卫星能够极其精确地保持间距和姿态，它们就能像一台更大的科学仪器一样协同工作。例如，分布式孔径望远镜可以利用多个间距经过精确控制的航天器，实现单个整体式望远镜难以甚至无法实现的观测能力。

　　类似的编队飞行概念已被提出用于空间干涉仪和其他一些航天器相对位置对任务性能至关重要的任务。

　　然而，保持多颗卫星的编队飞行并非易事。标准航天器依靠推进器，而推进器消耗的推进剂有限。随着时间的推移，燃料会耗尽，从而限制任务持续时间和机动性。推进器喷出的尾焰还会污染敏感仪器，这对于搭载精密光学、科学或电磁传感器的航天器来说是一个令人担忧的问题。

　　然而，电磁编队飞行（EMFF）提供了一种不同的可能性。每个航天器都携带电磁线圈。当电流流过这些线圈时，它们会产生磁场。这些磁场会与附近航天器产生的磁场相互作用，产生吸引力或排斥力，从而改变卫星之间的相对位置。简而言之，卫星可以利用磁力相互推拉。

　　这个想法并非全新。之前的研究已经探索了两颗航天器之间的电磁编队飞行，包括使用直流驱动线圈进行的实验。

　　当编队包含三颗或更多卫星时，问题就变得更加复杂。在这种情况下，每颗卫星的磁场都会与其他卫星的磁场相互作用，形成一张耦合力网络，随着编队规模的扩大，控制难度也会越来越大。

　　这项新研究采用交变磁场力（AMFF）来解决这个问题。研究人员没有使用稳定的直流电流驱动线圈，而是使用特定频率的正弦电流。

　　关键在于，只有当两颗卫星的磁矩以相同的频率交替变化时，它们才会产生非零的时间平均相互作用力。如果它们不共享同一频率，则它们之间的平均作用力可以忽略不计。

　　这种频率匹配方法有效地使系统能够通过电磁方式配对卫星。一对卫星可以在一个频率上相互作用，而另一对卫星则可以在另一个频率上相互作用。

　　通过调整每个正弦信号的振幅，卫星可以控制每对卫星之间的作用力，而无须采用集中式控制器一次性计算整个编队的运动。

　　研究人员表示：“只有频率相同的卫星对才能产生非零的时间平均卫星间作用力，而该作用力完全由共同频率所处的振幅决定。本研究提出的方法是分散式的，这意味着每颗卫星只能获取其相对于附近卫星的位置和速度测量值。”

　　集中式控制在较小的系统中可行，但随着卫星编队规模的扩大，计算量会变得非常庞大。可扩展的系统需要每颗航天器根据附近卫星的情况作出局部决策，而不是由单个控制器计算整个编队中的所有作用力。

　　为了验证这一想法，研究人员搭建了一个地面实验平台，该平台使用三个定制的电磁驱动系统单元，安装在线性气垫导轨上。

　　气垫导轨使这些单元能够以低摩擦力运动，模拟卫星之间的一维相对运动。每个单元都包含一个电磁线圈、电池、电力电子元件、Arduino Due微控制器、无线通信硬件以及用于测量相对位置的激光测距传感器。

　　在三卫星系统中，中心单元由两个正弦电流之和驱动，而每个外围单元则分别由其中一个频率驱动。这使得中心单元能够独立地与每个外围单元交互，从而验证了频分复用磁控制的核心原理。

　　在闭环实验中，三卫星系统在不到30秒的时间内完成了编队。最大稳态编队误差小于±0.01米，平均稳态编队误差小于±0.001米。

　　这些数据表明，该方法不仅在实验室中产生了磁力牵引，而且具有实际应用价值。该系统利用局部反馈和交变磁场，使多个单元能够稳定地排列成所需的队形，同时避免了耦合问题——耦合问题限制了大型编队的电磁控制。

　　研究人员还将实验结果与计算机模拟进行了比较。虽然模拟结果与观测结果基本吻合，但研究团队也注意到一些由实际硬件因素造成的差异，包括传感器干扰、电流饱和、可能的未对准、沿轨道气流扰动以及未建模的磁效应。

　　这些注意事项非常重要。这并非

　　太空飞行演示，而且该系统仅在一个维度上进行了测试。真正的航天器将在更为复杂的环境中运行，微重力、辐射、极端温度变化、近地轨道大气阻力、引力、地球磁场以及设备限制等因素都会产生影响。

　　研究人员还指出，传统的推进器可能仍然用于轨道维持、轨道转移或控制卫星编队的整体质心。

　　本质上，这并非要取代所有航天器推进系统。更准确地说，它是一种无须推进剂即可控制已入轨卫星编队相对位置的潜在方法。

　　尽管如此，这一局限性并不影响其潜在影响。如果电磁编队飞行技术能够规模化并应用于实际航天器，则有望降低未来分布式任务的推进剂需求。这可以延长任务寿命，减少对敏感仪器的污染风险，并使航天器编队比现有架构更加灵活。

　　该研究部分由美国国家航空航天局（NASA）、美国国家科学基金会和美国空军科学研究办公室资助。资金组合体现了该研究的科学性和战略性双重目标。美国国家航空航天局探索用于未来空间天文台和科学任务的精确编队飞行技术的需求。与此同时，美国空军显然对卫星协调、机动性和高可靠性分布式空间系统有着浓厚的兴趣。

　　该研究最大的贡献可能是它证明了基于磁场的卫星控制既可以实现去中心化，又可以实现可扩展性。

　　交变磁场力并非将多卫星编队视为一个必须自上而下控制的复杂系统，而是允许每颗卫星使用分配的频率来管理与其邻近卫星的交互。随着太空任务向星座、集群和分布式架构发展，这项技术将变得越来越有价值。

　　研究人员表示，要超越一维空中跟踪实验，实现三维测试、更贴近实际的传感和控制硬件，并最终进行在轨验证，还需要开展更多工作。三维位置控制需要额外的线圈，而相对姿态控制可能需要为每对相互作用的卫星设置额外的驱动频率。尽管如此，实验室结果表明，该基本概念在三体系统中有效，而这恰恰是难点所在。

　　两颗卫星可以相对容易地相互拉动或推动。三颗卫星则引入了耦合问题，使得电磁编队飞行变得困难。通过演示交变磁场下的三颗卫星控制，该研究提供了基于频率的解决方案的实验证据。

　　对于未来的太空任务而言，这可能是一个意义重大的进步。下一代望远镜和轨道仪器或许不再需要建造成单个庞大的航天器，它们可能采用虚拟组装的方式，由多颗卫星协同飞行，形成一个协调的整体。

　　如果真是如此，如何在不浪费推进剂的情况下精确地保持这些卫星的排列，将成为未来天文学、地球观测和国家安全空间系统的关键技术之一。

　　研究人员表示，该研究展示了利用交变磁场力技术实现的3颗卫星分散式电磁编队飞行实验演示。实验中获得的稳定时间和稳态编队误差表明，这种方法极有可能满足卫星星座重构和维护的要求，从而解决无推进剂编队飞行的问题。 （航柯）