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为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

2020年7月23日,中国第二个火星探测器“天问一号”成功发射升空,如果一切正常,预计于2021年2月份抵达火星。

2020年7月23日,中国第二个火星探测器“天问一号”成功发射升空,如果一切正常,预计于2021年2月份抵达火星。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

美国几十年前就开始探测火星了,2012年8月,NASA的好奇号火星车成功登陆火星,这虽然是美国的第4台火星车,但它却是世界上第1辆采用核动力驱动的火星车。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为好奇号火星车。

我国的嫦娥4号月球探测器就使用了中俄联合研制的核电池,这也是我国的航天器首次使用核电池。

老美的技术比较先进,在1961年就为人造卫星用上核电池了。而发射于1977年的旅行者1号探测器也使用了核电池,所以能够持续工作几十年,预计到2025年才会失去电力。

天问1号火星探测器虽然也搭载了一辆火星车,但是还是使用的太阳能电池供电。为什么我国不为火星车装上核燃料电池?

什么是核电池,有什么优点?

核电池,简单来说就是将核能转换为电能的装置。世界上最早的核电池是美国于上世纪50年代研发出来的。除了一些航天器,心脏起搏器中也采用了这种电池。最小的核电池仅比硬币大些。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图就是微型核电池,这一类小型核电池可以为心脏起搏器供电。

通常有三种方式可以产生核能,分别是核聚变、核裂变和核衰变。核聚变还在研究当中。核裂变已经用于发电,核潜艇中就用的是小型核裂变反应堆,不过要想装到航天器上,技术上还达不到。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为核动力潜艇。

核衰变就是放射性元素的衰变,通常包括阿尔法衰变、贝塔衰变和伽马衰变,在衰变过程中能够释放出能量,不过能量没有核聚变和核裂变那么强。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为放射性元素的三种放射性衰变。

核电池又叫做放射性同位素发电装置,种类非常多,应用较广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。其中,温差式核电池通常被用于航天器,它利用具有热电效应的材料将核衰变过程中释放出的能量(热能)转化为电能,然后供航天器使用。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为NASA的放射性同位素温差发电装置的主要结构,中心的核燃料棒就是二氧化钚。

不过,并非所有具有放射性的元素都能当核电池材料。必须要达到一定功率,才能供航天器使用。目前,国际上普遍使用的是钚-238这种人造放射性核素,它的半衰期在87.7年,利用的是阿尔法衰变过程中释放的能量。嫦娥4号和好奇号就采用的是这种电池。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为钚-238 核燃料棒。

核电池具有结构简单、可靠性高、能量密度大、寿命长等优点,几乎不会受周围环境的影响,可以在很恶劣的环境下稳定地输出电力。

为什么天问1号不使用核电池?

航天器的主要能源就是太阳能和核能。之所以要在探测器中使用核电池,是因为离太阳越远,太阳能电池所能提供的电力就越弱。在火星轨道所能接受到的太阳辐射仅为地球轨道的40%。在火星上,你看到的太阳不仅更小,而且亮度也更弱。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图就是火星上拍到的太阳,阳光比地球上弱很多。

而且在某些探测任务过程中还会经历黑夜等问题,为了保证探测任务正常进行,以及探测器内的设备不被低温损毁,必须持续而稳定地为探测器上的设备供电,因此有时必须使用核电池。不过,使用了核电池的探测器,也会使用太阳能电池,两者互为补充。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

首先,我国的第1块核电池虽然诞生于1971年,不过我国的核电池技术并不成熟,制造的核电池转化率太低。嫦娥4号使用的核电池功率仅3瓦多,并且转化率不到1‰;而好奇号使用的核电池的功率达到了110瓦,转化率达到了4.3‰。要想达到同样的输出功率,以我国目前的技术,需要塞更多的核燃料,这意味着探测器的总重量会增加,这会加大发射难度。

其次,核电池中使用的材料具有放射性,对火箭发射系统的安全性和稳定性的要求也更高。我国是首次自主发射火星探测器,万一发射过程中出现问题,会产生很大的安全风险。美国之前就发生过类似的事件,导致钚-238被释放到大气中。

此外,钚-238由于是人造核素,生产成本极高,并且产量也有限,不能随便乱用。天问一号不仅是我国首个行星探测任务,也是第1个火星探测任务,预期寿命只有三个月,具有一定的试验性质,所以要谨慎。而且天问1号本身携带的探测仪器并不多,只需用太阳能便可以满足基本要求。科研也是有预算的,钱不能随便乱花,要用在刀刃上。

为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池?

上图为天问1号火星车。

搞科研,不能盲进,步子跨大了,容易出问题。美国在此前的火星探测任务中,也没有率先使用核燃料电池,就是综合考量的结果。

可以肯定,我国在未来的火星探测任务中,如果火星车需要长距离、长时间运行,并且携带了较多的科研仪器,肯定会使用核燃料电池,不然光靠太阳能是满足不了需求的。

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