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匿名用戶(hù)
2020-09-21
探測器的動(dòng)力來(lái)源都有哪些?
目前，探測器的動(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(lài)光照，能夠自主產(chǎn)生能量，能量密度大，而且穩定性好，工作時(shí)間長(cháng)。
美國宇航局在1977年發(fā)射的旅行者系列均采用了核電池，2015年抵達冥王星的新視野號也安裝了核電池。旅行者1號之所以能夠在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)探測器使用了钚-238同位素電池。目前正在火星上行駛的好奇號火星車(chē)采用的是核動(dòng)力裝置，全稱(chēng)為放射性同位素熱電機，利用钚-238作為燃料。核動(dòng)力的優(yōu)勢是穩定，可以在任何情況下提供125瓦的功率輸出，美國宇航局預計在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，持續工作。
嫦娥 4號上就搭載了中俄聯(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號的工作壽命會(huì )降低，這是因為蓄電池與砷化鎵太陽(yáng)能電池陣列的組合會(huì )出現功率降低的問(wèn)題，不適合長(cháng)期在月面惡劣的環(huán)境下使用。在長(cháng)達半個(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)一號火星車(chē)要使用太陽(yáng)能作為動(dòng)力來(lái)源?
天問(wèn)一號巡視器作為第一個(gè)登陸火星表面的中國火星車(chē)，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，這說(shuō)明火星上接收到的光照強度要比地球上接收到的弱得多。而地球軌道上的光強每平方米大小面積上可達到1353瓦的數值，在火星表面，每平方米大小面積上的光強為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)現太陽(yáng)不是那么刺眼。以上數據還是一個(gè)平均數，我們仍然需要考慮火星軌道與太陽(yáng)之間近日點(diǎn)和遠日點(diǎn)的差值，綜合來(lái)看，軌道光強數據在500至700之間，在近日點(diǎn)的時(shí)候，光照強度會(huì )大一些，如果火星在遠日點(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)境要復雜得多，火星表面有沙塵暴，一次爆發(fā)還會(huì )持續數周。
歷史上，美國宇航局多個(gè)火星著(zhù)陸器和火星車(chē)都使用了太陽(yáng)能電池板技術(shù)。以機遇號火星車(chē)為例，使用的電池板平均輸出功率為140瓦，隨著(zhù)火星沙塵的靜電覆蓋、火星季節性光照變化，輸出功率會(huì )降低到50瓦，預計使用2至3年的時(shí)間內，轉換效率將會(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，而不用較穩定的核電池呢?
只能說(shuō)，在目前的條件下，這個(gè)設計是非常符合現狀的。
使用核電池也并不是百利而無(wú)一害。首先，使用核電池對火箭發(fā)射的安全系數有更高的要求，一旦發(fā)射出現問(wèn)題，钚-238會(huì )對地面環(huán)境造成核輻射危害。美國此前也發(fā)生過(guò)钚-238核電池事故，導致钚-238被釋放到大氣中，造成核污染。
其次，雖然我國也掌握了一些核電池技術(shù)，但核電池太復雜，質(zhì)量太大，容易出問(wèn)題。要在天問(wèn)一號巡視器上使用，過(guò)于冒險。為了穩妥起見(jiàn)，天問(wèn)一號巡視器使用的是太陽(yáng)能電池板，與嫦娥4號上的三結砷化鎵太陽(yáng)能電池陣列相當，但是數量上多了一些，有4片，面積更大。
但不得不承認，如果條件允許的話(huà)，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
雖然火星上能接收到的太陽(yáng)光照強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任務(wù)。對于太陽(yáng)系中的其它離太陽(yáng)更遠，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)法獲得足夠強的光照。目前在金星表面存活下來(lái)的探測器最長(cháng)幸存時(shí)間為110分鐘，不到2個(gè)小時(shí)。如果我們要發(fā)射探測器在金星上著(zhù)落，要想長(cháng)時(shí)間存活，還需要靠核電池。
如果向太陽(yáng)系外側軌道行星進(jìn)軍，我們還將面對輻射環(huán)境更加惡劣的木星，在木星軌道上，平均光照強度僅為地球軌道的3.4%，非?；璋?，太陽(yáng)目視效果會(huì )變得更小。如果要在木星的衛星群上軟著(zhù)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，要想對這兩顆冰巨星及其衛星進(jìn)行探測，核電池是必不可少的。
“天問(wèn)一號”已經(jīng)開(kāi)啟了中國航天對行星探索的大門(mén)，核動(dòng)力將是下一個(gè)突破口，打造一款成熟的中國制造核動(dòng)力電池，將是一種趨勢。當我們逐漸掌握核電池技術(shù)之后，未來(lái)的中國火星車(chē)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(cháng)時(shí)間探索，太陽(yáng)系的行星上將遍布中國制造探測器。