浅析天问一号(上篇)——发电与电能来源
分享| July 30, 2020天问一号 太空 能源 
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近年来,越来越多国家加入太空探险的行列。除了激发爱国情操和显扬国威、也能吸引与聚集人才。最近最热门的话题不过于阿联酋、中国与美国的“火星竞赛”。

虽然几乎所有中文媒体对“天问一号”和中国的火星任务捧上天,甚至吹嘘“超越美国,领先全球”。在这篇与下一篇文章内,我们将会探讨中文媒体从未提起的技术性难题。

任何太空探险任务都是充满技术性挑战,而当中最大的挑战是电能供应。仪器即使有万般功能,却随时可能耗电量大而不能使用。而飞行器上由于体积和重量有限,除非是本身有电池或发电机,否则就必须要想办法在太空飞行中产生电能。

在太空,最大的能源是太阳能。

所以几乎所有地球上空的人造卫星或探险器都是使用太阳能。以国际太空站为例(如图1),它拥有2500平方公尺的范围,提供75-90 千瓦的电力。太阳能板还必须随着地球运动而转变角度,追求最大的发电量。

图1:国际太空站上巨大的太阳能板。这些太阳能板会随着地球自转调整最佳角度,以追求最高的能源转换效益。 (图片来源:美国太空署)

然而,离开地球的距离越远,阳光辐照度就会下降。最糟糕的是密度并不与距离形成正比,而是指数性下降。地球表面上的最大太阳辐照度每平方尺1000瓦特;但是在火星上仅有每平方尺590瓦特。而且辐照度会随着火星运行角度和沙尘暴而减弱。

2018年6月,火星发生了人类史上所知道的最大沙风暴。 当时的沙风暴强烈得沙尘包围了整个火星,火星表面如黑夜。美国太空署的”机会号”探测车(如图2)在这种情况下因为无法获得足够电能而最终死机。经过多个月抢救无效,最终2019年2月宣布“机会号”任务完成。

所以绝对不能小看火星上的沙尘暴。

图2:“机会号”探测车因为沙尘暴覆盖了太阳能板表面而最终“寿终正寝’”于火星。

低阳光辐照度意味着太阳能板所能生产的电能更低,再加上火星表面与太阳之间的角度变化,仅仅靠太阳能并不一定能生产足够的电能。

那么探测车需要多少电能?除了移动、基本仪器需要以外,还有无线通电。另外,火星上也有四季;昼夜温差大。在夏天白天,温度大概摄氏20度,夜晚则可以低至负摄氏70度。因此还必须要把一部分电能分配到探测车上的酬载仪器以保持运作温度。

因此,探测车的供电要求非常严格, 除了要24小时发电以外,还必须能提供稳定电能。太阳能板很明显并不是最好的选择。

因此,美国早在1960年代就已经开始就已经发展放射性同位素热电产器(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG)。RTG 早在登陆月球后的阿波罗计划中使用。值得注意的是RTG并非美国太空署产品,而是美国能源署产品。根据《维基百科》资料,过去40年,在过去26个太空探险任务中共使用了45个RTG。它是一架利用放射性衰变产生热能的发电机,主要成分为钸-238。钸-238并不存在大自然之间,需要经过加工生产。 事实上,钸-238是生产核弹头的副产品。如今所使用的钸-238都是冷战时期生产和储存至今。由于美国早已不生产核弹头,因此美国太空署曾经为未来探险任务所需要的钸-238来源头痛。根据某些非官方资料,美国能源署目前所剩下可使用的钸-238只有10公斤左右。

美国太空署在“好奇号”开始在火星探测车使用新一代多任务放射性同位素热点产器(Multi-mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG,如图3)。在即将发射的“毅力号”火星探测车上的MMRTG发电量为110瓦特。

图3:每个MMTGR重约45公斤。图为MMTGR 详细部件。(图片来源:维基百科)
图4:预计美国时间7月30日升空的美国“毅力号”火星探测车 (图片来源:美国太空署)

MMRTG由于使用高浓度核子原料,再加上其可军事化技术,因此受美国《国际武器贸易管制条例》所限,并不能出口到任何国家。

根据中国所公布的公开资料,“天问一号”仅使用太阳能板生产电能(如图5)。中国航天局从未公开过多“天问一号”的规范资料,包括太阳能板的范围与能量转换效益。但是由于辐照度低,假设能源转换率仅有20%,估计仅有电能输出20至30瓦特,而且很难维持发电稳定。

图5:在第69届国际宇航大会所展示的‘天问一号’模型。美国既没有出口MMTGR,也没有任何公开资料显示“天问一号”上会有安装同样的类似MMTGR的能源器。(图片来源:维基百科)。

同样的,由于缺乏“天问一号”的规范,我们并不知道这个电量是否真正能满足该探险车的电能需求;但是这问题可以从能源管理上着手。例如在非必要时刻关闭某些仪器,例如当火星围绕器在火星背面而无法与“天问一号”联系时关闭天线,或是在夜晚停止所有仪器以让电能转换成热能保温仪器。

阅读本文下篇:

浅析天问一号(下篇)——地球与火星之间联系


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