核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

2020-07-31 中國科普博覽

出品:科普中國

製作:川陀太空

監製:中國科學院計算機網絡信息中心

2020年7月23日12時41分,我國首次火星探測任務天問一號探測器在中國文昌航天發射場升空。目前,天問一號飛行狀態良好,探測器已脫離地球引力影響範圍,進入行星際轉移軌道,飛離地球超過150萬公裡。


核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△這是7月27日「天問一號」探測器利用光學導航敏感器拍攝的地月合影。(國家航天局提供)

這次火星探測從立項到發射只用了4年的時間,2016年國家批准立項,任務目標是通過一次發射任務完成對火星全球進行一次綜合性的探測,同時對火星表面展開區域巡視,任務目標將通過軌道器、巡視器完成。

發射前夕,7月22日,中國火星探測工程對外發布了1:1的天問一號著落平臺和巡視器的外貌。天問一號巡視器的質量為200公斤,巡視器上有6個車輪,攜帶6臺科學儀器。6臺儀器分別是:多光譜相機,可以拍攝火星表面環境;次表層雷達,能用於探測火星表層下方的地質結構;成分探測儀,可以分析火星巖石的成分;磁場探測器,可以研究火星磁場;氣象測量儀,可以對著陸區周圍的氣象環境進行測量;以及一臺地形相機,用來幫助巡視器規劃路線。


核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△天問一號組合體飛行器結構圖,圖片來源:中國航天


核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△天問一號著陸器結構圖,整流罩下面是著落平臺,圖片來源:環球網

天問一號巡視器設計壽命為3個月,那麼問題來了,要完成這麼多火星探測任務,誰為巡視器提供動力呢?

探測器的動力來源都有哪些?

目前,探測器的動力來源主要是太陽能和核電池

從性能上看,核電池不依賴光照,能夠自主產生能量,能量密度大,而且穩定性好,工作時間長。

美國宇航局在1977年發射的旅行者系列均採用了核電池,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,時隔40多年後仍然與地球保持聯繫,最大的原因就在於使用了核電池。


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△美國宇航局核電池示意圖,圖片來源:美國宇航局

美國目前使用最多的核電池為鈽-238同位素,半衰期為87.7年,迄今已經有200多個探測器使用了鈽-238同位素電池。目前正在火星上行駛的好奇號火星車採用的是核動力裝置,全稱為放射性同位素熱電機,利用鈽-238作為燃料。核動力的優勢是穩定,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年後還剩100瓦功率。

核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△鈽238核電池結構圖,圖片來源:NASA

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合研發的核電池技術,如果沒有核電池介入,嫦娥4號的工作壽命會降低,這是因為蓄電池與砷化鎵太陽能電池陣列的組合會出現功率降低的問題,不適合長期在月面惡劣的環境下使用。在長達半個月的月夜時,如果沒有核電池供電,為儀器保溫,儀器極可能會被凍壞。

為什麼天問一號火星車要使用太陽能作為動力來源?

天問一號巡視器作為第一個登陸火星表面的中國火星車,採用了太陽能作為能量來源。

核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△天問一號火星車示意圖,圖片來源:中國航天

火星軌道與太陽的距離比火星與地球要遠,這說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,會發現太陽不是那麼刺眼。以上數據還是一個平均數,我們仍然需要考慮火星軌道與太陽之間近日點和遠日點的差值,綜合來看,軌道光強數據在500至700之間,在近日點的時候,光照強度會大一些,如果火星在遠日點,就小一些。

另一個方面,相比於月球環境,月面接近真空,不存在雲層遮擋、沙塵等問題,火星的環境要複雜得多,火星表面有沙塵暴,一次爆發還會持續數周。

歷史上,美國宇航局多個火星著陸器和火星車都使用了太陽能電池板技術。以機遇號火星車為例,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、火星季節性光照變化,輸出功率會降低到50瓦,預計使用2至3年的時間內,轉換效率將會降至原來的40%左右。

這樣的情況下,天問一號巡視器為什麼還要用太陽能作為動力來源,而不用較穩定的核電池呢?

只能說,在目前的條件下,這個設計是非常符合現狀的。

使用核電池也並不是百利而無一害。首先,使用核電池對火箭發射的安全係數有更高的要求,一旦發射出現問題,鈽-238會對地面環境造成核輻射危害。美國此前也發生過鈽-238核電池事故,導致鈽-238被釋放到大氣中,造成核汙染。

其次,雖然我國也掌握了一些核電池技術,但核電池太複雜,質量太大,容易出問題。要在天問一號巡視器上使用,過於冒險。為了穩妥起見,天問一號巡視器使用的是太陽能電池板,與嫦娥4號上的三結砷化鎵太陽能電池陣列相當,但是數量上多了一些,有4片,面積更大。


核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

△天問一號4片太陽能電池板,後期有可能上核電池,圖片來源:中國航天

但不得不承認,如果條件允許的話,核動力才是最佳的選擇。

核動力或是未來太空探索新趨勢

雖然火星上能接收到的太陽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。對於太陽系中的其它離太陽更遠,或是能接收到的太陽光照更弱的行星,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,金星表面被濃厚的雲層覆蓋,可反射掉90%的光照,根本無法獲得足夠強的光照。目前在金星表面存活下來的探測器最長倖存時間為110分鐘,不到2個小時。如果我們要發射探測器在金星上著落,要想長時間存活,還需要靠核電池。

如果向太陽系外側軌道行星進軍,我們還將面對輻射環境更加惡劣的木星,在木星軌道上,平均光照強度僅為地球軌道的3.4%,非常昏暗,太陽目視效果會變得更小。如果要在木星的衛星群上軟著陸,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,要想對這兩顆冰巨星及其衛星進行探測,核電池是必不可少的。

「天問一號」已經開啟了中國航天對行星探索的大門,核動力將是下一個突破口,打造一款成熟的中國製造核動力電池,將是一種趨勢。當我們逐漸掌握核電池技術之後,未來的中國火星車一定會採用核電池作為動力,這樣可以鑽入火星熔巖洞穴進行長時間探索,太陽系的行星上將遍布中國製造探測器。


核動力優勢明顯,天問一號為什麼還要使用太陽能?

相關焦點

  • 核動力優勢明顯,美國早就用上了,為何天問一號還要使用太陽能?
    眾所周知,天問一號在7月23日的時候就已發射升空了,其搭載著中國人的火星夢踏上了漫長且艱難的旅程。據了解,目前天問一號的狀態良好,已脫離了地球引力影響的範圍,轉而進入了星際轉移軌道,預計飛行7個月後抵達火星。
  • 「天問一號」安裝的是太陽能電池,恰恰反映了中國核領域的不足
    ​眾所周知,"天問一號「已經成功升空,將在不久後便抵達火星軌道。天問一號是我國自主研發的火星探測器。目前,飛行狀況良好。天問一號將是全球首個一次性完成繞、落、巡三個任務的探測器,但從這一點來說,它是了不起的。
  • 國內核電池技術仍需努力,天問一號火星車只用太陽能電池供電
    早在幾十年前,美國就開始對火星的探索,在1975年便將海盜號系列火星探測器送上火星;而中國在航天技術上起步較晚,經過不斷地努力,7月23日將中國第二個火星探測器「天問一號」送上太空,按照計劃,天問一號將在明年2月登陸火星。
  • 「天問一號」發射升空,將為這個產業帶來巨大影響
    核動力的優勢明顯,但技術起點較高,且一次性投入費用大。美國的放射性同位素熱電池屬於被管控的技術,比如鈽-238放射性同位素電池,美俄都有相關的技術,但都被嚴格控制使用。美國使用鈽-238核電池的時間很長,在「阿波羅11號」就已經使用了兩個15瓦功率的核電池。
  • 為什麼天問一號火星探測器不像NASA好奇號那樣採用核電池?
    2020年7月23日,中國第二個火星探測器「天問一號」成功發射升空,如果一切正常,預計於2021年2月份抵達火星。美國幾十年前就開始探測火星了,2012年8月,NASA的好奇號火星車成功登陸火星,這雖然是美國的第4臺火星車,但它卻是世界上第1輛採用核動力驅動的火星車。
  • 天問一號的使命,探測既愛又怕的外星生物,2021年將完成火星著陸
    在對太空的探索中,我們從沒有停止過,從實現第一次完成航天載人飛行、第一次太空漫步、第一次月球探測、甚至還要第一次組建我國自己的空間站。這麼多的第一次,完全的說明了我國航天事業的興起,並且夢想還在即將遠行,太空探索才剛剛開始。今天我們迎來一次的新的挑戰,那就是火星探測任務。
  • 「天問一號」升空:我梳理了10個你最想知道的問題
    四、為什麼今年三個國家扎堆發射火星探測器?今年有三個國家向火星發射探測器:我國的「天問一號」探測器、美國的「毅力」號火星車和阿聯的「希望」號探測器。如果錯過了8月15日這個最後的窗口日期,那麼就要繼續等兩年,這是為什麼呢?
  • 天問一號成功發射,7月後抵達火星,和美國好奇號有什麼不同
    這意味著,天問一號將和美國好奇號將同臺探測火星。那它兩到底有什麼不同呢?1、探測任務天問一號要實現在沒有任何經驗的情況下,做到一次發射同時完成環繞、著陸、巡視3種探測目標。這個難度相當之大。從地球發射開始,需要經歷地火轉移、減速變軌、著陸火星、釋放火星車等等步驟,全程大約5500萬公裡行程,任何一個步驟出現問題都意味著任務失敗。
  • 除了動力來源,天問一號和毅力號在這些方面也大有不同
    這個7月,人類共有三個火星探測器依次成功出發,阿聯希望號環繞器,中國天問一號環繞器/著陸器/巡視器,美國毅力號/巡視器號直升機。作為本次探索火星的兩位選手,不論是繼承前輩意志的好奇號,還是承載無數國人希望的天問一號,都將代替全人類邁向無盡的深空。中美兩國開展火星探索的時間不同,所以在技術上有一些差距無可厚非,不過有了對比差距,才知道我們應該在哪些地方發力。
  • 天問一號成功發射,7個月後將抵達火星,和美國好奇號有什麼不同
    今日,我國首顆火星探測器「天問一號「在海南文昌航天發射中心成功發射升空,預計飛行7個月後,會變軌到火星軌道,並開始環繞火星。當在火星軌道上找到合適時機時,就會開始降低軌道高度,並進行著陸。在著陸器成功著陸火星後,著陸器需要釋放火星車,火星車被釋放後開始巡視,並進行科學探測任務。這意味著,天問一號將和美國好奇號將同臺探測火星。那它兩到底有什麼不同呢?
  • 「毅力號」VS「天問一號」
    火星車加上附屬的登陸設備總重量為3.9噸,比我們的「天問一號」要輕一些,採用比長徵五號運力小一些的宇宙神V541型火箭發射。宇宙神5型運載火箭為宇宙神系列運載火箭中最新的型號。宇宙神V541型火箭「天問一號」的火星車 &「毅力號」「天問一號
  • 天問一號4個「大翅膀」暗藏玄機:能扛住零下110攝氏度超低溫
    天問一號已經升空,開啟了中國探索太陽系行星的大門,本文將解釋我們探索太陽系的關鍵技術之一:砷化鎵深空電源,如何在天問一號上使用。天問一號巡視器有4個「大翅膀」,能扛住零下110攝氏度超低溫,這是在火星上行駛的生存之道。
  • 日行30萬公裡的「天問一號」火星探測器,與美國好奇號有何區別?
    「天問一號」是中國行星探測任務「天問系列」裡首個火星探測器。而關於它的名稱來源,也是非常有意義的。據報導,8月2日,「天問一號」已經成功實施地火轉移軌道的首次中途修正,目前,它正以每天30萬公裡的速度遠離地球,向火星更進一步。而隨著距離的增大,信息傳輸也受到了影響,再加上太空環境遠比我們想像中的複雜,所以「天問一號」任重道遠。
  • NASA毅力號成功發射,為什麼它能比天問一號提早3個月登陸火星?
    在今年夏天的火星發射窗口期間,可謂是熱鬧非凡,人類相繼向火星發射了三個探測器,先是阿聯的希望號,再是中國的天問一號,最後是美國的毅力號。預計這三個探測器都會在大約半年後飛抵火星,並對火星開展探測。其中希望號是軌道器,不會登陸火星,只有我國的天問一號和美國的毅力號將會在火星表面登陸。
  • 天問一號,狀態良好!
    9月20日23時許,中國首個火星探測器天問一號完成第二次軌道中途修正,並在軌驗證了推力為120N的發動機的實際性能。目前,天問一號已在軌飛行60天,距離地球約1900萬千米,飛行路程約1.6億公裡,狀態良好。為什麼要進行軌道修正?
  • 天問一號,狀態良好
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  • 中國太空探索一大步:「天問一號」,目標火星
    首次火星探測任務被命名為「天問一號」。除了緊隨其後的「天問一號」,美國的「毅力號」也計劃於本月底飛往火星。發射前一天,天問一號著陸平臺和火星車終於揭開了神秘面紗。最受關注的火星車,高度達 1.85 米,重量約為 240 公斤,裝配有 4 個太陽能電池板、探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀,以便對火星進行全方位的探測。車身外形和《機器人總動員》的瓦力有些神似。
  • 「天問一號」發射成功,火星機器人是如何工作的?
    2020年7月23日,中國首次火星探測任務「天問一號」成功發射。「天問一號」火星機器人長這樣在成功著陸之後,「天問一號」火星機器人將進行「拍照留念」、探測物質和元素、探測環境和偵測火星淺層地質結構天問一號火星車設計壽命為 90 個火星日,但實際能服役多久不好說。比如設計壽命同樣是 90 天的火星車機遇號,卻因為沙塵暴吹開了太陽能電池板的塵埃得以繼續工作。最終機遇號在火星上工作了 15 年,以秒速 1 釐米在火星表面行駛了超過 45.16 公裡,創下了火星車的行駛距離記錄。
  • 天問一號VS毅力號,詳解中美兩國火星任務使用技術!
    需要注意的是:"天問一號"是咱們首次火星探測任務,而美國這是第五次派遣火星漫遊車。動力方面天問一號使用摺疊式太陽能電池板供電,所以使用壽命、供電功率會有一定的限制。而且使用了太陽能電池板也就意味著,火星車只能在有陽光照射時才能工作,而背對陽光時只能原地休息。所以此次「天問一號」的著陸點是火星赤道以北的一處名叫烏託邦衝擊盆地內的平原。相比於廣泛使用的太陽能電池,毅力號使用的是放射性同位素核電池驅動,用來維持儀器的運轉和在火星寒冷期間冬天保溫。
  • 「天問一號」還要跨過幾道生死之關?
    天問一號已經出發了,從海南文昌101號工位!關於天問一號和它的火星車各種相關已經被鋪天蓋地的科普過了,今天就簡單說說從地球到火星,天問一號到底要跨過幾個生死之關?因此精準控制,減速切入火星軌道,是「天問一號」的第二個坎!天問一號如何著陸?火星車有哪些難度進入了火星軌道,「天問一號」就完事大吉了嗎?應該說到這裡任務完成了三分之一,為什麼說只有三分之一呢?