核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

本文来自微信民众号: 科学大院(ID:kexuedayuan),作者: 川陀太空,头图来自:影戏《火星救济》

2020年7月23日12时41分,我国初次火星探测使命天问一号探测器在中国文昌航天发射场升空。现在,天问一号遨游飞翔状况优越,探测器已离开地球引力影响局限,进入行星际转移轨道,飞离地球凌驾150万公里。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

这是7月27日“天问一号”探测器应用光学导航敏感器拍摄的地月合影。(国度航天局供应)

此次火星探测从立项到发射只用了4年的时刻,2016年国度同意立项,使命目的是经由过程一次发射使命完成对火星环球举行一次综合性的探测,同时对火星外表睁开地区巡查,使命目的将经由过程轨道器、巡查器完成。

发射前夜,7月22日,中国火星探测工程对外宣布了1:1的天问一号下落平台和巡查器的表面。天问一号巡查器的质量为200公斤,巡查器上有6个车轮,照顾6台科学仪器。6台仪器分别是:多光谱相机,可以拍摄火星外表环境;次表层雷达,能用于探测火星表层下方的地质构造;身分探测仪,可以剖析火星岩石的身分;磁场探测器,可以研讨火星磁场;气候丈量仪,可以对着陆区四周的气候环境举行丈量;以及一台地形相机,用来协助巡查器计划线路。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

天问一号组合体遨游飞翔器构造图(图片泉源:中国航天)

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

天问一号着陆器构造图,整流罩下面是下落平台(图片泉源:环球网)

天问一号巡查器设想寿命为3个月,那末问题来了,要完成这么多火星探测使命,谁为巡查器供应动力呢?

探测器的动力泉源都有哪些

现在,探测器的动力泉源主如果太阳能和核电池。

从性能上看,核电池不依赖光照,可以自立发生能量,能量密度大,而且稳固性好,事情时刻长。

美国宇航局在1977年发射的旅行者系列均采纳了核电池,2015年到达冥王星的新视野号也安装了核电池。旅行者1号之所以可以在1977年入轨,时隔40多年后依然与地球保持联系,最大的缘由就在于运用了核电池。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

美国宇航局核电池示意图(图片泉源:美国宇航局)

美国现在运用最多的核电池为钚-238同位素,半衰期为87.7年,迄今已有200多个探测器运用了钚-238同位素电池。现在正在火星上行驶的猎奇号火星车采纳的是核动力装配,全称为放射性同位素热机电,应用钚-238作为燃料。核动力的上风是稳固,可以在任何情况下供应125瓦的功率输出,美国宇航局估计在14年后还剩100瓦功率。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

钚238核电池构造图(图片泉源:NASA)

核电池不仅可认为本身保温,还能为仪器供电,延续事情。

嫦娥 4号上就搭载了中俄团结研发的核电池手艺,如果没有核电池参与,嫦娥4号的事情寿命会下降,这是由于蓄电池与砷化镓太阳能电池阵列的组合会涌现功率下降的问题,不适合历久在月面卑劣的环境下运用。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。

为何天问一号火星车要运用太阳能做为动力泉源

天问一号巡查器作为第一个上岸火星外表的中国火星车,采纳了太阳能作为能量泉源。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

天问一号火星车示意图(图片泉源:中国航天)

火星轨道与太阳的间隔比火星与地球要远,这说明火星上接收到的光照强度要比地球上接收到的弱许多。而地球轨道上的光强每平方米大小面积上可到达1353瓦的数值,在火星外表,每平方米大小面积上的光强为590瓦,只要地球的40%摆布。如果人能站在火星上看太阳,会发明太阳不是那末扎眼。以上数据照样一个均匀数,我们依然须要斟酌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,在近日点的时刻,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,比拟于月球环境,月面靠近真空,不存在云层遮挡、沙尘等问题,火星的环境要庞杂许多,火星外表有沙尘暴,一次迸发还会延续数周。

历史上,美国宇航局多个火星着陆器和火星车都运用了太阳能电池板手艺。以时机号火星车为例,运用的电池板均匀输出功率为140瓦,跟着火星沙尘的静电掩盖、火星季节性光照变化,输出功率会下降到50瓦,估计运用2至3年的时刻内,转换效力将会降至本来的40%摆布。

如许的情况下,天问一号巡查器为何还要用太阳能作为动力泉源,而不必较稳固的核电池呢?

只能说,在现在的前提下,这个设想是异常相符近况的。

运用核电池也并非百利而无一害。起首,运用核电池对火箭发射的安全系数有更高的请求,一旦发射涌现问题,钚-238会对地面环境形成核辐射伤害。美国此前也发生过钚-238核电池变乱,致使钚-238被释放到大气中,形成核污染。

其次,虽然我国也控制了一些核电池手艺,但核电池太庞杂,质量太大,轻易出问题。要在天问一号巡查器上运用,过于冒险。为了稳妥起见,天问一号巡查器运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称,然则数目上多了一些,有4片,面积更大。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

天问一号4片太阳能电池板,后期有可能上核电池(图片泉源:中国航天)

但不得不认可,如果前提许可的话,核动力才是最好的挑选。

核动力或是将来太空探究新趋向

虽然火星上能接收到的太阳光照强度比拟地球削弱了许多,然则照样可以支撑巡查器完成探测使命。关于太阳系中的别的离太阳更远,或是能接遭到太阳光照更弱的行星,核电池或许是唯一的挑选。

比方,间隔地球近来的行星是金星,金星外表被粘稠的云层掩盖,可反射掉90%的光照,基础没法取得充足强的光照。现在在金星外表存活下来的探测器最长幸存时刻为110分钟,不到2个小时。如果我们要发射探测器在金星上下落,要想长时刻存活,还须要靠核电池。

如果向太阳系外侧轨道行星进军,我们还将面临辐射环境越发卑劣的木星,在木星轨道上,均匀光照强度仅为地球轨道的3.4%,异常幽暗,太阳目视结果会变得更小。如果要在木星的卫星群上软着陆,必定要运用到核电池。

超越木星轨道以外的行星为天王星、海王星,要想对这两颗冰巨星及其卫星举行探测,核电池是必不可少的。

“天问一号”已开启了中国航天对行星探究的大门,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,将是一种趋向。当我们逐步控制核电池手艺以后,将来的中国火星车一定会采纳核电池作为动力,如许可以钻入火星熔岩窟窿举行长时刻探究,太阳系的行星大将遍及中国制造探测器。

核动力上风显著,天问一号为何还要运用太阳能?

本文由科普中国融会创作出品,川陀太空制造,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协带同社会各方应用信息化手腕展开科学流传的科学威望品牌。

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