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嫦娥三号将采用核动力推进 技术不逊于好奇号

http://www.kexue.com 2013-11-15 10:53:05 新浪科技  发表评论


这是嫦娥三号月球探测器,包括着陆器和巡视器,是我国研制的首次在外天体实施软着陆的航天器。新华社发

  我国嫦娥三号月球探测器发射在即,为了能够在月球上过夜;嫦娥三号需要长时间经受严寒带来的极大挑战。为了突破这一难关,我国嫦娥三号,将携带核能电池(是一种核动力装置)飞天。如能成功,就将使我国成为继美俄之后,成为世界上第三个将核动力应用于太空探测的国家。

  什么是核电池

  核电池(又称原子能电池或放射性同位素发电装置)是指那些使用放射性同位素衰变时产生的能量转化为电力的装置。核电池也叫同位素电池。(注:同位素是指有相同质子数,不同中子数的原子。如氕与氘互为同位素。核素是指具有一定质子数的原子,是一种具体的原子,如氕或氘就是核素。同一元素的不同核素互为同位素。)

  同理,同位素电池,就是利用同位素材料衰变过程中产生的能量放出的热量,进行热电转化。其装置名称RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素热电发电机”这个词的缩写。

  核电池是通过半导体换能器,将鈈238、鈾238(放射性同位素)衰变过程中,释放出射线(放出载能粒子α、β和γ粒子射线)的热能,转变为电能。目前,核电池已成功地用作航天器的电源。(还用于医学心脏起搏器和一些特殊的军事用途方面)。2012年8月7日,美国发射的好奇号火星车,顺利抵达火星,其所用的核电池寿命长达14年。

  美国航天器使用核电池的历史

  从上世纪中叶起,美国在 “先驱者”10号、11号探测器,“旅行者”1号、2号探测器,木星和土星探测器中,都使用了同位素温差发电器作为电源。就是因为采用核电源,美国“旅行者1号”行星探测器,才创造了世界卫星远航史上的辉煌纪录。目前它是离地球最远(飞行约近200亿公里)和飞行速度最快的人造卫星。它用了36年的时间,飞行到了太阳系的边缘。

  以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器,曾用于美国“子午仪”号导航卫星(低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统,英文缩写为NNSS。主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位,用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到80年代初共发射30多颗。美国在1964年4月发射“子午仪”号导航卫星时,因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁,钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳,以防烧毁。)、“林肯”号试验卫星(早在1965年,美国林肯号试验卫星上便使用钚 238放射性同位素作热源的同位素温差发电器)和“雨云”号卫星(是美国第二代试验气象卫星系列。从1964年8月到1978年10月共发射了7颗。雨云号卫星的任务是试验新的气象观测仪器和探测方法。美国在1965年发射的一颗军用卫星中,用反应堆温差发电器作为电源。但由于电源调节器出现故障仅工作43天。1968年5月“雨云”号气象卫星发射失败时,核电源落入圣巴巴拉海峡,后被打捞上来。)。

  中国在自主研发的核电池上迈出大步

  月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。由于月球自转和公转都是28天,所以“月球夜”会长达14天(月球日即白昼也有14天)。由于月球昼夜要半个月交替一次,温差高达300℃,那里是零下150度到180度,太冷了,月球车上的所有的仪器全部要冻坏。普通电池无法应对。现在所使用的各种高级的蓄电池,什么锂电池、氢电池,各种各样的电池对我们来说都没有用。长时间经受极大温差对我国月球探测器是个极大挑战。迫使我们一定要想出新的办法,于是我们国家自己研制了原子能的电池,欧阳自远院士说,我国的月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面,温度骤降到零下100多摄氏度,为防止车载仪器被冻坏,休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温,并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能重新驱动月球车工作。

  中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加,由乏燃料后处理提取的镎237原料的逐渐积累,为后来开发钚238电池,提供了物质基础。

  据欧阳自远院士介绍,近年来,我国在自主研发的核电池上迈出了大步。我国月球车搭载的核电池,是由中国原子能科学研究院牵头研发的。

  从中国原子能科学研究院该院官方网站上,可以得知,从2004年开始,该院正式启动航天用同位素电池的研发;到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池;2008年通过了专家组的鉴定。这颗电池的研制成功,填补了我国长期以来在该研究领域的空白,标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

  核电池的用武之地不仅仅局限于太空。在高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以使用免维护、长寿命的RTG供电。

  据原子能院的官网文章介绍,第一颗“国产”同位素电池的各项指标均超过了预期要求,研制全过程安全无误,功率为百毫瓦级。这将保证中国首次将核能用于航天器。据悉,为了保证着陆器的能源供应,嫦娥三号就是使用了这种原子能电池(RTG同位素电池)。

  我国首次实用核电池将随“嫦娥三号”软着陆月球,并用于嫦娥三号的着陆器和月球车上。这种原子能电池可以连续工作30年。有了它,再不怕月球晚上温度骤降到零下150度到180度。完全可以确保探测器上仪器不至于被冻坏。为防止车载仪器被冻坏,夜间休眠中的月球车可以靠核电池放出来的热量保温。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能替代核电池,重新驱动月球车工作。

  对嫦娥三号来说,核电池中的钚金属块238它相当于一个热源。这一热源对将在月球环境下生存的嫦娥三号的保温作用是至关重要的。其释放出的热量及经过温差热电转换器的转换形成的电流,充分满足了嫦娥三号的能量需求。它的能力虽不足以让火箭升空,却可以用于小规模供电,支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。

  嫦娥三号比起好奇号,并不逊色

  嫦娥三号比起好奇号,并不逊色!主要是从下面几点比较:

  第一、嫦娥三号与好奇号都采用的核动力,虽然不知道好奇号是直接采用核动力转变成动能还是怎么的,但嫦娥三号采用的核动力电池,是目前核动力小型化的最高的成果。对比好奇号绝对不会逊色,而且嫦娥三号比好奇号体积小,动力装置可能也会更小。核能装置的对比无非就是看小型化程度。

  第二、好奇号要能对抗登陆火星瞬间产生的高温,但嫦娥三号却要对抗月球表面几百摄氏度的温差。相比,嫦娥更了不起。对抗高温,对所有发射火箭的国家都面临这个问题。而且好奇号登陆火星时承受的温度相对不算高,飞船返回地球的温度比登陆火星时高的多。嫦娥却是非常了不起,对抗温差300摄氏度,对抗低温零下一百多摄氏度,这是中国的首创。

  第三、嫦娥三号与好奇号降落方式都是软着陆,都是采用火箭发动机反推。这里不得不说美国对好奇号的机构设计更好,因为好奇号更重一些,而且火星的引力更大一些。不过这是反推火箭的问题。而且火箭的推力大小并不是大不了的问题,我们也能做的出来。

  第四、是登陆星球不同,其实登陆月球和登陆火星的难度差别不大,对火箭的大小要求不高。只要达到第二宇宙速度,挣脱地球的束缚,然后关闭发动机,同时保持匀速飞行,都会实现。其实,达到第二宇宙速度的火箭中国早就有了。至于降落地点,对于好奇号、嫦娥三号来说,都是预先选好的,在火星还是在月球降落区别不大,都是地面人为遥控(我们已经有了自己的深空站、网。)。距离也不是问题了(嫦娥二号飞行距离已超过了去火星的路程)。

  第五、据欧阳自远院士说,无论是美国的“好奇号”,还是中国的月球车,核电池中使用的燃料都是钚238。钚238的半衰期有80多年。这个时间足够长,使钚238能够支撑电池持续工作几十年。

  虽然“国产”同位素电池的功率与“好奇号”电池的140瓦左右的功率还有距离,但只要研发成功第一颗国产同位素电池,就突破了同位素发电的主要技术难点。今后,如果要做大功率的,只需相应地增加核燃料钚238的使用量。

  所以,嫦娥三号比起好奇号,应该不逊色!

  事实上,将于今年12月初,随“嫦娥三号”登月的我国首辆装载核动力装置的月球车如能顺利运行,将标志我国成为继美俄之后,第三个实现将核动力应用于太空探测的国家。

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