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匿名用戶
2020-09-21
探測(cè)器的動(dòng)力來(lái)源都有哪些?
目前，探測(cè)器的動(dòng)力來(lái)源主要是太陽(yáng)能和核電池。
從性能上看，核電池不依賴光照，能夠自主產(chǎn)生能量，能量密度大，而且穩(wěn)定性好，工作時(shí)間長(zhǎng)。
美國(guó)宇航局在1977年發(fā)射的旅行者系列均采用了核電池，2015年抵達(dá)冥王星的新視野號(hào)也安裝了核電池。旅行者1號(hào)之所以能夠在1977年入軌，時(shí)隔40多年后仍然與地球保持聯(lián)系，最大的原因就在于使用了核電池。
美國(guó)目前使用最多的核電池為钚-238同位素，半衰期為87.7年，迄今已經(jīng)有200多個(gè)探測(cè)器使用了钚-238同位素電池。目前正在火星上行駛的好奇號(hào)火星車采用的是核動(dòng)力裝置，全稱為放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，利用钚-238作為燃料。核動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定，可以在任何情況下提供125瓦的功率輸出，美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)在14年后還剩100瓦功率。
核電池不僅可以為自己保溫，還能為儀器供電，持續(xù)工作。
嫦娥 4號(hào)上就搭載了中俄聯(lián)合研發(fā)的核電池技術(shù)，如果沒(méi)有核電池介入，嫦娥4號(hào)的工作壽命會(huì)降低，這是因?yàn)樾铍姵嘏c砷化鎵太陽(yáng)能電池陣列的組合會(huì)出現(xiàn)功率降低的問(wèn)題，不適合長(zhǎng)期在月面惡劣的環(huán)境下使用。在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月的月夜時(shí)，如果沒(méi)有核電池供電，為儀器保溫，儀器極可能會(huì)被凍壞。
為什么天問(wèn)一號(hào)火星車要使用太陽(yáng)能作為動(dòng)力來(lái)源?
天問(wèn)一號(hào)巡視器作為第一個(gè)登陸火星表面的中國(guó)火星車，采用了太陽(yáng)能作為能量來(lái)源。
火星軌道與太陽(yáng)的距離比火星與地球要遠(yuǎn)，這說(shuō)明火星上接收到的光照強(qiáng)度要比地球上接收到的弱得多。而地球軌道上的光強(qiáng)每平方米大小面積上可達(dá)到1353瓦的數(shù)值，在火星表面，每平方米大小面積上的光強(qiáng)為590瓦，只有地球的40%左右。假如人能站在火星上看太陽(yáng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)不是那么刺眼。以上數(shù)據(jù)還是一個(gè)平均數(shù)，我們?nèi)匀恍枰紤]火星軌道與太陽(yáng)之間近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的差值，綜合來(lái)看，軌道光強(qiáng)數(shù)據(jù)在500至700之間，在近日點(diǎn)的時(shí)候，光照強(qiáng)度會(huì)大一些，如果火星在遠(yuǎn)日點(diǎn)，就小一些。
另一個(gè)方面，相比于月球環(huán)境，月面接近真空，不存在云層遮擋、沙塵等問(wèn)題，火星的環(huán)境要復(fù)雜得多，火星表面有沙塵暴，一次爆發(fā)還會(huì)持續(xù)數(shù)周。
歷史上，美國(guó)宇航局多個(gè)火星著陸器和火星車都使用了太陽(yáng)能電池板技術(shù)。以機(jī)遇號(hào)火星車為例，使用的電池板平均輸出功率為140瓦，隨著火星沙塵的靜電覆蓋、火星季節(jié)性光照變化，輸出功率會(huì)降低到50瓦，預(yù)計(jì)使用2至3年的時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率將會(huì)降至原來(lái)的40%左右。
這樣的情況下，天問(wèn)一號(hào)巡視器為什么還要用太陽(yáng)能作為動(dòng)力來(lái)源，而不用較穩(wěn)定的核電池呢?
只能說(shuō)，在目前的條件下，這個(gè)設(shè)計(jì)是非常符合現(xiàn)狀的。
使用核電池也并不是百利而無(wú)一害。首先，使用核電池對(duì)火箭發(fā)射的安全系數(shù)有更高的要求，一旦發(fā)射出現(xiàn)問(wèn)題，钚-238會(huì)對(duì)地面環(huán)境造成核輻射危害。美國(guó)此前也發(fā)生過(guò)钚-238核電池事故，導(dǎo)致钚-238被釋放到大氣中，造成核污染。
其次，雖然我國(guó)也掌握了一些核電池技術(shù)，但核電池太復(fù)雜，質(zhì)量太大，容易出問(wèn)題。要在天問(wèn)一號(hào)巡視器上使用，過(guò)于冒險(xiǎn)。為了穩(wěn)妥起見，天問(wèn)一號(hào)巡視器使用的是太陽(yáng)能電池板，與嫦娥4號(hào)上的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池陣列相當(dāng)，但是數(shù)量上多了一些，有4片，面積更大。
但不得不承認(rèn)，如果條件允許的話，核動(dòng)力才是最佳的選擇。
核動(dòng)力或是未來(lái)太空探索新趨勢(shì)
雖然火星上能接收到的太陽(yáng)光照強(qiáng)度相比地球減弱了很多，但是還是能夠支持巡視器完成探測(cè)任務(wù)。對(duì)于太陽(yáng)系中的其它離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，或是能接收到的太陽(yáng)光照更弱的行星，核電池或許是唯一的選擇。
例如，距離地球最近的行星是金星，金星表面被濃厚的云層覆蓋，可反射掉90%的光照，根本無(wú)法獲得足夠強(qiáng)的光照。目前在金星表面存活下來(lái)的探測(cè)器最長(zhǎng)幸存時(shí)間為110分鐘，不到2個(gè)小時(shí)。如果我們要發(fā)射探測(cè)器在金星上著落，要想長(zhǎng)時(shí)間存活，還需要靠核電池。
如果向太陽(yáng)系外側(cè)軌道行星進(jìn)軍，我們還將面對(duì)輻射環(huán)境更加惡劣的木星，在木星軌道上，平均光照強(qiáng)度僅為地球軌道的3.4%，非常昏暗，太陽(yáng)目視效果會(huì)變得更小。如果要在木星的衛(wèi)星群上軟著陸，必然要使用到核電池。
超出木星軌道之外的行星為天王星、海王星，要想對(duì)這兩顆冰巨星及其衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)，核電池是必不可少的。
“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)開啟了中國(guó)航天對(duì)行星探索的大門，核動(dòng)力將是下一個(gè)突破口，打造一款成熟的中國(guó)制造核動(dòng)力電池，將是一種趨勢(shì)。當(dāng)我們逐漸掌握核電池技術(shù)之后，未來(lái)的中國(guó)火星車一定會(huì)采用核電池作為動(dòng)力，這樣可以鉆入火星熔巖洞穴進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間探索，太陽(yáng)系的行星上將遍布中國(guó)制造探測(cè)器。