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天问一号为什么不使用核动力

2020-07-31 09:24:45  来源:中国科普博览

2020年7月23日12时41分,我国首次火星探测任务天问一号探测器在中国文昌航天发射场升空。目前,天问一号飞行状态良好,探测器已脱离地球引力影响范围,进入行星际转移轨道,飞离地球超过150万公里。

△这是7月27日“天问一号”探测器利用光学导航敏感器拍摄的地月合影。(国家航天局提供)

这次火星探测从立项到发射只用了4年的时间,2016年国家批准立项,任务目标是通过一次发射任务完成对火星全球进行一次综合性的探测,同时对火星表面展开区域巡视,任务目标将通过轨道器、巡视器完成。

发射前夕,7月22日,中国火星探测工程对外发布了1:1的天问一号着落平台和巡视器的外貌。天问一号巡视器的质量为200公斤,巡视器上有6个车轮,携带6台科学仪器。6台仪器分别是:多光谱相机,可以拍摄火星表面环境;磁表层雷达,能用于探测火星表层下方的地质结构;成分探测仪,可以分析火星岩石的成分;磁场探测器,可以研究火星磁场;气象测量仪,可以对着陆区周围的气象环境进行测量;以及一台地形相机,用来帮助巡视器规划路线。

△天问一号组合体飞行器结构图,图片来源:中国航天

△天问一号着陆器结构图,整流罩下面是着落平台,图片来源:环球网

天问一号巡视器设计寿命为3个月,那么问题来了,要完成这么多火星探测任务,谁为巡视器提供动力呢?

目前,探测器的动力来源主要是太阳能和核电池。

从性能上看,核电池不依赖光照,能够自主产生能量,能量密度大,而且稳定性好,工作时间长。

美国宇航局在1977年发射的旅行者系列均采用了核电池,2015年抵达冥王星的新视野号也安装了核电池。旅行者1号之所以能够在1977年入轨,时隔40多年后仍然与地球保持联系,最大的原因就在于使用了核电池。

△美国宇航局核电池示意图,图片来源:美国宇航局

美国目前使用最多的核电池为钚-238同位素,半衰期为87.7年,迄今已经有200多个探测器使用了钚-238同位素电池。目前正在火星上行驶的好奇号火星车采用的是核动力装置,全称为放射性同位素热电机,利用钚-238作为燃料。核动力的优势是稳定,可以在任何情况下提供125瓦的功率输出,美国宇航局预计在14年后还剩100瓦功率。

△钚238核电池结构图,图片来源:NASA

核电池不仅可以为自己保温,还能为仪器供电,持续工作。

嫦娥 4号上就搭载了中俄联合研发的核电池技术,如果没有核电池介入,嫦娥4号的工作寿命会降低,这是因为蓄电池与砷化镓太阳能电池阵列的组合会出现功率降低的问题,不适合长期在月面恶劣的环境下使用。在长达半个月的月夜时,如果没有核电池供电,为仪器保温,仪器极可能会被冻坏。

天问一号巡视器作为第一个登陆火星表面的中国火星车,采用了太阳能作为能量来源。

△天问一号火星车示意图,图片来源:中国航天

火星轨道与太阳的距离比火星与地球要远,这说明火星上接收到的光照强度要比地球上接收到的弱得多。而地球轨道上的光强每平方米大小面积上可达到1353瓦的数值,在火星表面,每平方米大小面积上的光强为590瓦,只有地球的40%左右。假如人能站在火星上看太阳,会发现太阳不是那么刺眼。以上数据还是一个平均数,我们仍然需要考虑火星轨道与太阳之间近日点和远日点的差值,综合来看,轨道光强数据在500至700之间,在近日点的时候,光照强度会大一些,如果火星在远日点,就小一些。

另一个方面,相比于月球环境,月面接近真空,不存在云层遮挡、沙尘等问题,火星的环境要复杂得多,火星表面有沙尘暴,一次爆发还会持续数周。

历史上,美国宇航局多个火星着陆器和火星车都使用了太阳能电池板技术。以机遇号火星车为例,使用的电池板平均输出功率为140瓦,随着火星沙尘的静电覆盖、火星季节性光照变化,输出功率会降低到50瓦,预计使用2至3年的时间内,转换效率将会降至原来的40%左右。

这样的情况下,天问一号巡视器为什么还要用太阳能作为动力来源,而不用较稳定的核电池呢?

只能说,在目前的条件下,这个设计是非常符合现状的。

使用核电池也并不是百利而无一害。首先,使用核电池对火箭发射的安全系数有更高的要求,一旦发射出现问题,钚-238会对地面环境造成核辐射危害。美国此前也发生过钚-238核电池事故,导致钚-238被释放到大气中,造成核污染。

其次,虽然我国也掌握了一些核电池技术,但核电池太复杂,质量太大,容易出问题。要在天问一号巡视器上使用,过于冒险。为了稳妥起见,天问一号巡视器使用的是太阳能电池板,与嫦娥4号上的三结砷化镓太阳能电池阵列相当,但是数量上多了一些,有4片,面积更大。

△天问一号4片太阳能电池板,后期有可能上核电池,图片来源:中国航天

但不得不承认,如果条件允许的话,核动力才是最佳的选择。

虽然火星上能接收到的太阳光照强度相比地球减弱了很多,但是还是能够支持巡视器完成探测任务。对于太阳系中的其它离太阳更远,或是能接收到的太阳光照更弱的行星,核电池或许是唯一的选择。

例如,距离地球最近的行星是金星,金星表面被浓厚的云层覆盖,可反射掉90%的光照,根本无法获得足够强的光照。目前在金星表面存活下来的探测器最长幸存时间为110分钟,不到2个小时。如果我们要发射探测器在金星上着落,要想长时间存活,还需要靠核电池。

如果向太阳系外侧轨道行星进军,我们还将面对辐射环境更加恶劣的木星,在木星轨道上,平均光照强度仅为地球轨道的3.4%,非常昏暗,太阳目视效果会变得更小。如果要在木星的卫星群上软着陆,必然要使用到核电池。

超出木星轨道之外的行星为天王星、海王星,要想对这两颗冰巨星及其卫星进行探测,核电池是必不可少的。

“天问一号”已经开启了中国航天对行星探索的大门,核动力将是下一个突破口,打造一款成熟的中国制造核动力电池,将是一种趋势。当我们逐渐掌握核电池技术之后,未来的中国火星车一定会采用核电池作为动力,这样可以钻入火星熔岩洞穴进行长时间探索,太阳系的行星上将遍布中国制造探测器。

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