《Acta Astronautica》：A comprehensive review of tethered satellite system missions: Fundamentals, evolution and trend
过去几十年来，系留卫星系统因其在众多空间应用中的多功能性而被广泛研究。编队飞行是最具前景的应用之一，因为系绳能够在航天器之间建立机械连接。其他应用还包括无推进剂推进、系留航天器之间的动量交换、用于主动碎片清除（ADR）和任务后离轨处置（PMD）的柔性捕获与清除，以及其他创新性概念。
本文首先对系绳的基本原理进行了简要概述，随后对迄今为止开展的全部系绳任务进行了全面综述。对于每项任务，均记录了发射年份、轨道特性和载荷质量等关键参数。此外，还考虑了系绳的尺寸、导电性和结构构型。基于这些参数，研究人员以图形化方式对各任务进行了比较，从而识别并讨论历史发展趋势。分析表明，从20世纪到21世纪，系绳长度和载荷质量均显著减小。在系绳设计方面，20世纪主要以圆形单根系绳为特征，而21世纪则出现了向多线系绳和带状系绳的转变。此外，由于导电系绳具有较强的通用性并支持广泛应用，其已在大多数任务中得到采用。
本文旨在对系绳任务进行全面综述，涵盖所有类型的系绳（包括导电系绳与非导电系绳）。此外，文中还概述了若干未来基于系绳的任务概念以及计划中的任务。
1. Introduction
本文围绕系留卫星系统的空间任务谱系展开系统性综述，首先追溯了空间系绳概念的思想源流，从早期空间电梯设想到后续空间系绳技术的扩展应用，说明系绳因能够在两个或多个航天器之间建立机械连接而具备高度任务适应性。正文指出，编队飞行中各航天器通常需要持续克服摄动以维持相对构型，而系绳可通过轻质柔性连接抑制相互漂移，因此成为实现稳定相对定位的重要方案。文中同时概述了多航天器编队、库仑结构、遥感、合成孔径、干涉测量、运输、轨道维持、人工重力、空间电梯、太阳辐射管理、系留太阳能电站以及深空探测等应用方向，并明确本文重点聚焦于已经过在轨验证的概念。为此，研究人员构建了覆盖45项以上任务的数据集，从发射年份、系绳特性、轨道参数及载荷质量等方面开展历史比较分析，以识别发展机遇与技术趋势。
1.1. Tethers for space debris mitigation
本节集中讨论系绳技术在空间碎片缓解中的作用。正文区分了主动碎片清除（ADR）与任务后离轨处置（PMD）的概念边界，并结合欧洲航天局（ESA）和机构间空间碎片协调委员会（IADC）相关规范，指出低地球轨道（LEO）任务后寿命约束正在不断收紧。为避免“凯斯勒综合征”，既需要清除既有碎片，也需要确保新航天器满足离轨要求。在此背景下，系绳系统因低成本、可靠性和轻量化特征而成为重要技术路线。文章将ADR中的系绳应用分为捕获阶段与移除阶段：前者包括网捕、鱼叉和系留空间机器人（TSR），后者则包括利用电动力系绳（EDT）、静电系绳或动量交换系绳实现离轨。文中结合ROGER、e.Deorbit、RemoveDebris等任务与概念说明，认为基于系绳的ADR/PMD方法兼具效率、技术成熟度与工程可行性，是未来空间碎片治理的有力候选方案。
1.2. Survey set-up and limitations
本节交代综述的方法学框架。研究人员首先基于既有综述文献建立初步任务清单，随后结合Scopus与Google Scholar等数据库进行扩展检索，并围绕具体任务名称开展针对性文献追踪，最终形成专门数据库。数据库中汇总了任务年份、轨道参数、载荷质量、系绳尺寸、导电性与结构等信息。正文同时说明，由于部分历史任务公开资料不足，个别字段存在缺失；在主要文献未提供轨道与质量参数时，研究人员引入DISCOSweb等外部数据库补全信息。作者也强调，本研究尽管力求广覆盖，但仍非全部系绳任务的完整全集，仅纳入具备充分科学文献支持的任务，因此结论应在这一边界条件下理解。
2. Tether fundamentals
本节从物理机制层面对空间系绳系统进行基础阐释，指出空间环境中的系绳行为远比地面情形复杂。总体而言，系留系统由连接两个或多个目标体的系绳构成，能够限制其相对漂移，但若系绳松弛，目标体仍可能相互靠近，因此稳定保持拉紧状态依赖特定控制策略。除纯机械连接功能外，部分任务还利用系绳与周围空间环境之间的相互作用实现发电、推进或制动等功能。该节为后文历史任务分析提供了统一的物理背景。
2.1. Gravity gradient stabilised configuration
本小节介绍重力梯度稳定构型。文中从圆轨道中航天器所受引力与离心效应的平衡关系出发，说明“哑铃”式双体系统在局部铅垂方向上可形成天然稳定状态。当两个端质量通过系绳连接并共享同一角速度时，由于上下端所处轨道半径不同，它们各自所需的自由轨道角速度并不相同：上端趋向更慢、下端趋向更快。这种差异导致上端产生向外、下端产生向内的净加速度，进而在系绳内形成张力。若系统偏离竖直平衡方向，重力与离心效应的不平衡还会产生回复力矩，使系统重新指向局部重力方向。因此，重力梯度不仅维持系绳张紧，还为竖直构型提供被动稳定机制。
2.2. Gyroscopically stabilised configuration
本小节讨论陀螺稳定构型。其核心是通过系统绕质心旋转产生离心加速度，从而维持系绳张紧。文中以双体旋转系统为例说明，端部质量在恒定角速度下受到的离心效应与圆周运动等价，系绳长度与角速度共同决定张力水平。与重力梯度稳定不同，陀螺稳定不依赖轨道径向方向，而是依靠自旋建立稳定几何构型。该原理适用于双体系统，也适用于中心航天器向外辐射部署多个系绳的构型，是人工重力、空间运输和部分特殊构型任务的重要基础。
2.3. Momentum exchange
本小节解释动量交换机制。文章指出，在无外力矩条件下，系留系统总角动量守恒。当“哑铃”式系统在共同圆轨道上运行时，两个端质量因位置不同而具有不同的轨道动力学倾向，但系绳约束使其保持统一运动。一旦系绳切断，约束解除，两个质量将在角动量守恒支配下分别进入新的椭圆轨道：下端质量转入较低轨道，其释放点成为远地点；上端质量转入较高轨道，其释放点成为近地点。由此可见，系绳能够在连接状态下重新分配轨道角动量，并在释放时将这种分配转化为轨道能量变化，这正是动量交换运输和返回任务的物理基础。
2.4. Electrodynamic tethers
本节介绍电动力系绳（EDT）。EDT由导电材料构成，能够在轨道运动中与地磁场及电离层等离子体发生相互作用，实现发电或推进。文章强调，EDT任务配置通常需综合考虑系绳导电性、回路闭合方式、等离子体接触器以及轨道条件，因而是系绳技术中最具多功能性的方向之一。
2.4.1. Electric power generation
本小节说明EDT的发电模式。导电回路穿越磁场时会感生电动势（EMF），对于沿轨飞行的导电系绳，其上下端将形成电势差。若借助等离子体接触器、裸露系绳或低功函数系绳（LWT）建立电流闭合路径，则可在系绳、周围等离子体与电离层之间形成电流回路。该电流可为载荷供电，但代价是消耗轨道能量。因此，EDT发电本质上是轨道机械能向电能的转换过程，其效果受轨道速度、磁场强度、系绳长度以及速度矢量与磁场夹角等因素共同影响。
2.4.2. EDT propulsion
本小节分析EDT推进模式。当电流沿系绳流动时，地磁场会施加洛伦兹力，该力的方向取决于电流方向与磁场方向的叉乘关系。若电流由运动感生，自然形成的洛伦兹力通常表现为阻力，使航天器减速并降低轨道；若利用星上电源驱动电流反向流动，则洛伦兹力方向可翻转，产生推进效果。正文指出，低倾角、低轨道高度更有利于增强感生电动势与洛伦兹力，因此EDT主要适用于LEO环境中的无推进剂推进、轨道维持与离轨应用。
2.5. Electrostatic tethers
本节转向静电系绳，讨论带电系绳与周围等离子体流之间的库仑相互作用。作者将其分为两类：电帆（E-sail）和等离子体制动器（Plasma Brake）。前者工作于太阳风环境，通过正电位长系绳偏转质子获取推力；后者工作于电离层环境，通过负电位系绳与等离子体相互作用产生阻力，用于轨道衰减和离轨。
2.5.1. E-sail
电帆由多根细长导电系绳构成，并通过电子枪维持正电位。其工作原理并非太阳光压，而是利用系绳产生的电场偏转太阳风中的质子，从而提取动量并形成推力。与此同时，系绳吸引电子形成电流，由电子枪发射电子维持电荷平衡。正文指出，电帆原理上适合深空推进，是一种面向星际或行星际运输的创新概念，但在地球低轨道中因磁层屏蔽效应无法完成完整验证。
2.5.2. Plasma brake
等离子体制动器是与电帆同源但更简化的方案。其通过自旋维持负偏压系绳张紧，并利用航天器相对电离层等离子体的运动产生库仑阻力，使轨道高度持续降低。文章认为，该方案尤其适用于寿命末期小卫星的被动离轨，是近年来PMD领域的重要研究方向。
3. Past tether missions
本节系统回顾历史上的系绳任务。文章统计，自载人航天时代初期至2026年，已有48项涉及不同系绳类型的任务。研究人员按年代顺序梳理任务，并记录其所属机构、轨道参数、系绳长度、厚度、导电性、结构形式及载荷质量等。该节的核心贡献在于建立跨任务统一叙述框架，使后续趋势比较具有数据基础。作者同时指出，与仅聚焦EDT任务的研究不同，本综述将导电与非导电系绳任务统一纳入分析。
3.1. 20th century missions
20世纪共开展19项系绳任务，整体上以国家航天机构主导、大质量载荷和长系绳方案为主要特征。该时期任务既包括早期载人演示，也包括大量亚轨道探空火箭实验，还包含若干具有里程碑意义的长系绳在轨任务。总体看，这一时期是系绳空间实验的开创和扩展阶段，重点集中于部署技术、基本动力学及空间等离子体电动力学耦合。
3.1.1. Missions in the 1960s
20世纪60年代的代表任务为Gemini XI与Gemini XII。Gemini XI首次在轨验证了通过绕系统质心自旋产生人工重力的可行性，并完成30 m系绳的完整部署；Gemini XII则尝试展示重力梯度稳定。两项任务虽规模有限，却首次揭示了空间系绳动力学的复杂性，为后续研究奠定了实验基础。
3.1.2. Missions in the 1980s
20世纪80年代的任务主要依托探空火箭展开，包括TPE、CHARGE、MAIMIK、Echo-7和OEDIPUS-A等。此类任务多采用母—子载荷构型，通过中短长度导电系绳研究电子束发射、电场分布、等离子体充电和系绳电动力响应。TPE-1与TPE-2受部署摩擦影响未达设计长度，CHARGE-1则实现全长部署并观察到系绳天线效应。MAIMIK和CHARGE-2补充了等离子体相互作用数据，OEDIPUS-A则将测量任务扩展到极光顶侧电离层环境。总体上，这一时期形成了以亚轨道平台验证电动力和等离子体机理的鲜明特色。
3.1.3. Missions in the 1990s
20世纪90年代是大型在轨系绳任务快速发展的时期。CHARGE-2B延续了探空火箭技术链；TSS-1和TSS-1R则成为NASA与意大利航天局合作的标志性任务，系统研究长系绳部署、电流收集与等离子体相互作用。尽管TSS-1因机械问题部署受阻，TSS-1R则在接近全长部署后因电放电导致熔断，但两项任务均产出了高价值科学数据。SEDS-1、PMG和SEDS-2展示了利用Delta II上面级开展部署、发电/推进与离轨实验的可行性，其中SEDS-2还验证了闭环制动控制。OEDIPUS-C继续扩展高空电场观测，TiPS则以超过10年的寿命成为长期生存性研究的重要实例。YES1和ATEx分别尝试在GTO中开展长系绳实验以及验证带状系绳，但前者因碎片风险未获部署许可，后者则因安全逻辑中止释放。这一时期总体体现出长尺度、复杂系统和多目标实验并进的发展态势。
3.2. 21st century missions
进入21世纪后，已开展29项系绳任务。与20世纪相比，该时期明显转向小型化、低成本和大学主导的技术验证模式。任务平台以CubeSat、PicoSat及小卫星为主，系绳长度普遍缩短，重点聚焦离轨、空间碎片缓解、电帆/等离子体制动器、系留机器人以及小尺度空间电梯验证。
3.2.1. Missions in the 2000s
2000年代的任务体现出从大型政府项目向小型平台实验过渡的趋势。PICOSAT 1.0与1.1、MEPSI-1与MEPSI-2采用微小卫星构型，关注近距离编队与在轨检查技术。原计划中的ProSEDS本应继承PMG路线，开展EDT离轨验证，但最终因哥伦比亚号事故后的安全审查而取消。DTUsat-1、CUTE-1.7 + APD、MAST、YES2和STARS则展示了不同技术路线：包括裸导线EDT、寿命末期离轨、Hoytether在轨验证、动量交换返回以及TSR演示。尽管许多任务遭遇通信、部署或子星故障，但YES2成功实现31.7 km级部署，成为21世纪少数超长系绳任务之一。
3.2.2. Missions in the 2010s
2010年代任务类型进一步多样化。T-REX验证了折叠式带状系绳快速部署方法；ESTCube-1尝试在LEO环境验证电帆相关组件；STARS-II与STARS-C延续了系留机器人和部署动力学研究；KITE瞄准空间碎片离轨所需的EDT关键技术；Aalto-1探索等离子体制动器在纳卫星上的应用；STARS-Me尝试小型空间电梯概念；TEPCE则在部分部署条件下验证了电动力推进可行性。同期，PROX-1、NPSAT-1和后续相关任务通过Terminator Tape展示了利用导电带状系绳增强气动与电动力阻力的离轨潜力，标志着系绳技术与空间碎片治理需求的进一步耦合。
3.2.3. Missions in the 2020s
2020年代的任务更集中于被动离轨、微型化演示和应用验证。Dragracer通过对比携带与未携带Terminator Tape的两颗6U CubeSat，清晰证明了系绳离轨模块对轨道寿命的显著缩短作用。DESCENT探索宽带裸导体系绳的离轨能力；MiTEE-1虽最终未采用柔性系绳，但仍服务于未来EDT微型推进设计；STARS-EC完成了轨道空间电梯概念的成功部署验证；AuroraSat-1、FORESAIL-1和ESTCube-2继续推进等离子体制动器与E-sail技术成熟度；ADRASTEA则以小尺度动量交换构型验证多系绳释放方案；STARS-Me2进一步拓展了微型空间电梯与碎片缓解结合的实验方向。总体而言，这一阶段表明系绳技术正朝更实际的空间可持续应用场景收敛。
4. Missions assessment
本节基于前述数据库开展跨任务比较分析，按照平台类型、系绳构型、轨道环境和任务尺度对各任务进行图形化评估。作者将任务划分为CubeSat、PicoSat、探空火箭、航天飞机载荷、Delta II上面级载荷等类别，并据此识别时间演化趋势、轨道选择偏好、质量—尺度关联以及系绳结构演变。该节是全文从“历史叙述”转向“规律提炼”的关键部分。
4.1. Year of launch
按发射年份与系绳长度比较可见，20世纪90年代至2000年前后是km级乃至10 km级长系绳任务的集中时期，而21世纪初以后则迅速转向短系绳和小卫星。作者特别指出，ProSEDS在2003年的取消是重要转折点之一。修正均值分析显示，2003年前后平均系绳长度由约5000 m降至约250 m，下降超过一个数量级。近年来约70%的任务采用1 km以下系绳，反映出工程风险控制、经费约束以及大学主导研发模式共同推动的小型化趋势。
4.2. Orbital parameters
轨道参数比较显示，约四分之一任务为探空火箭亚轨道飞行，其余绝大多数位于LEO，仅YES进入GTO。多数在轨任务采用圆轨道或近圆轨道。EDT任务通常选择低倾角、低高度轨道，以提高感生电动势（EMF）和洛伦兹力效率；而高倾角和太阳同步轨道（SSO）集群则多与大学CubeSat、等离子体制动器及相关技术演示有关。亚轨道任务则在1980—1995年最为集中，OEDIPUS-C达到探空火箭系绳任务中的最高远地点。
4.3. Payload mass
载荷质量与系绳长度的对比表明，Gemini任务在质量上是显著离群点，而PICOSAT系列则代表最低质量端。总体趋势显示，近15年的任务多集中在10 kg以下、1 km以下，尤其大量任务采用约100 m量级系绳，体现出轻小型平台上的持续研究热度。该结果与时间演化分析相互印证：21世纪系绳任务重心明显从大型系统转向微小卫星与低成本技术验证。
4.4. Tether characteristic
在系绳特性方面，研究将其区分为单根系绳、多线系绳与带状系绳，并进一步区分导电与非导电类型。统计显示，超过三分之二任务使用导电系绳，反映其在EDT、等离子体制动器和科学测量中的广泛适用性。20世纪任务以圆截面单根系绳为主，而21世纪则更偏向多线系绳与带状系绳。多线系绳提升了抗微流星体/碎片损伤能力，带状系绳在部署动力学与生存性方面也显示出优势。载荷质量与系绳厚度之间总体存在正相关，但不同应用路线仍呈现差异化设计，说明系绳结构已从单纯追求强度转向综合权衡生存性、质量、部署性和功能集成。
5. Future missions
本节简要梳理未来计划与概念任务。MiTEE-2拟重新引入柔性系绳，延续微型EDT研究；STARS-X计划部署1 km系绳并开展沿绳爬行器与捕网实验；FORESAIL-2原拟在高椭圆轨道中同时测试等离子体制动与E-sail模式，但E-sail部分因技术挑战被缩减；E.T.PACK及其飞行阶段E.T.PACK-F致力于基于低功函数系绳（LWT）开发无耗材离轨组件；ESTCube-LuNa尝试将E-sail验证拓展至月球轨道；BOLAS则提出利用25 km Hoytether在月球低空实施双星重力梯度观测。可以看出，未来任务正同时沿两条路径推进：一条面向LEO轨道维持与离轨应用，另一条面向月球与深空环境中的新型推进和科学探测。
6. Conclusions
结论部分强调，48项历史任务共同证明了系留卫星系统具有广泛应用潜力，涵盖推进、发电、动量交换、捕获清除和碎片缓解等多个方向。文章的主要贡献在于建立了截至2026年的综合任务目录，并基于统一参数体系揭示历史趋势。总体上，20世纪任务由航天机构主导，典型特征是长系绳和大载荷；21世纪则由高校和学术机构推动，转向短系绳、轻载荷与验证型任务。ProSEDS取消后，长系绳任务显著减少，显示出明显的小型化收缩趋势。与此同时，导电系绳因适用场景丰富而占据主流，结构设计也从单根圆线向多线和带状构型演进。近年来，随着空间碎片问题加剧，ADR与PMD正成为系绳技术最具现实紧迫性的应用方向。作者据此认为，尽管迄今多数任务仍属技术演示性质，但考虑到系绳技术的多样潜力，未来有望出现更加大胆且面向实际运行需求的任务。
