未來(lái)飛船如何供電？從太陽(yáng)能到核電技術(shù)

據(jù)英國(guó)廣播公司(BBC)網(wǎng)站報(bào)道，對(duì)于飛船而言，電力系統(tǒng)是一個(gè)核心組成部分。它們必須能夠在極端環(huán)境條件下仍然保持極高的可靠性。然而，隨著現(xiàn)代飛船技術(shù)愈發(fā)復(fù)雜，其對(duì)于電力系統(tǒng)的要求也是越來(lái)越苛刻，那么未來(lái)的推進(jìn)系統(tǒng)將會(huì)如何發(fā)展?

盡管70年代發(fā)射的美國(guó)旅行者飛船的推進(jìn)系統(tǒng)在技術(shù)上并不先進(jìn)，但它仍然持續(xù)正常工作了超過(guò)38年

美國(guó)宇航局的“小行星轉(zhuǎn)向項(xiàng)目”(Asteroid Redirect Mission)將采用新一代太陽(yáng)能帆板技術(shù)，其效率更高，壽命也更長(zhǎng)

令人震驚的高可靠性與長(zhǎng)壽命

脆弱性似乎是現(xiàn)代電子設(shè)備的通病——你的智能手機(jī)如果不充電，恐怕連一天都難以堅(jiān)持。然而相比之下，航天器的耐用性往往會(huì)讓你感到震驚：38年前發(fā)射升空的旅行者號(hào)飛船至今仍在工作，向我們傳回關(guān)于太陽(yáng)系邊緣的重要信息。這艘飛船每秒鐘能夠有效處理81000條指令，而相比之下，你手里的智能手機(jī)的信息處理能力要比這高出大約7000倍。

當(dāng)然，你的智能手機(jī)之所以在電池依賴性方面表現(xiàn)如此之差，是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)本來(lái)就需要每天充電的，而且它也幾乎不可能會(huì)出現(xiàn)在遠(yuǎn)離地球數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)億公里外的宇宙空間的情況。而相比之下，如果一艘飛船沒(méi)電了，而最近的充電樁距離它也有數(shù)十億公里遠(yuǎn)，那么要想給它充電就顯得不太現(xiàn)實(shí)了。因此，一艘打算在太空中飛行數(shù)十年的飛船，要么一開(kāi)始就用某種方法存儲(chǔ)上足夠的電量，或者就得在途中自己想辦法發(fā)電。事實(shí)證明，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，這事兒還要想成功實(shí)現(xiàn)還是很難的。

盡管飛船上搭載的電子設(shè)備很多只是偶爾需要電力供應(yīng)，但也有一部分設(shè)備是必須確保不間斷供電的，比如信號(hào)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)必須時(shí)刻處于通電狀態(tài)，而如果是載人飛船，那么生命維持系統(tǒng)和照明系統(tǒng)也同樣將是不能關(guān)閉的。

勞·蘇拉普迪博士(Dr Rao Surampudi)是美國(guó)加州噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的電力技術(shù)項(xiàng)目主管。在過(guò)去的30年間，他一直致力于為美國(guó)宇航局的各類航天器開(kāi)發(fā)電源系統(tǒng)。

根據(jù)蘇拉普迪博士的說(shuō)法，一般情況下航天器的電源系統(tǒng)會(huì)占到整個(gè)航天器質(zhì)量的大約30%，并且一般可以分解為三大部分：發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及電源管理及分配系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)對(duì)于飛船來(lái)說(shuō)絕對(duì)是必要而關(guān)鍵的，而為了適應(yīng)飛船的特殊使用條件，它們?cè)谫|(zhì)量和設(shè)計(jì)上會(huì)有一系列嚴(yán)苛的要求——首先質(zhì)量必須足夠小，以便提升所謂 “能量密度”，也就是說(shuō)它必須能夠在足夠小的體積內(nèi)產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電力;同時(shí)它必須具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，且高度可靠，因?yàn)樵诎l(fā)射之后，如果飛船電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時(shí)候再要想派工程師前去維修顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

這套供電系統(tǒng)不僅必須能夠確保每一件飛船搭載設(shè)備的電力使用需求，它還必須確保在整個(gè)飛船的使用壽命內(nèi)能夠持續(xù)提供這樣的電力支持——這樣的時(shí)間可能是幾年，幾十年甚至上百年。蘇拉普迪博士表示：“設(shè)計(jì)的使用壽命必須足夠長(zhǎng)，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，你是不可能有什么維修或挽救機(jī)會(huì)的。舉例來(lái)說(shuō)，飛往木星需要5~7年，飛往冥王星需要超過(guò)10年，而要想離開(kāi)我們的太陽(yáng)系，你需要連續(xù)飛行 20~30年。”

考慮到飛船運(yùn)行環(huán)境的特殊性，飛船電力系統(tǒng)還必須能夠在零重力和高真空環(huán)境下正常運(yùn)作，同時(shí)必須經(jīng)受超強(qiáng)輻射環(huán)境和極端溫度的考驗(yàn)。蘇拉普迪博士說(shuō)：“如果你的探測(cè)器打算在金星表面著陸，那邊的溫度是460攝氏度。而如果你打算沖入木星大氣層，那么那里的溫度是零下150 度。”

很多在內(nèi)太陽(yáng)系區(qū)域飛行的探測(cè)器都會(huì)安裝太陽(yáng)能帆板，通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電。或許從外觀上看上去你會(huì)覺(jué)得這些飛船安裝的太陽(yáng)能帆板跟自己家里使用的同類設(shè)備并無(wú)不同，但實(shí)際上，航天器所使用的太陽(yáng)能板在發(fā)電效率和可靠性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的民用產(chǎn)品。

不過(guò)，在內(nèi)太陽(yáng)系區(qū)域飛行的航天器太陽(yáng)能帆板也有可能因?yàn)榫嚯x太陽(yáng)太近而發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，此時(shí)飛船就需要調(diào)整自己的太陽(yáng)能帆板位置，從而使其避開(kāi)太陽(yáng)的灼熱光芒。

隨著飛船進(jìn)入一顆行星的軌道，飛船的太陽(yáng)能帆板產(chǎn)能效率將會(huì)下降，由于行星陰影的周期性遮擋，飛船太陽(yáng)能板將無(wú)法產(chǎn)生像此前那么多的電能，在這樣的情況下，我們就需要一套高效的電力儲(chǔ)能設(shè)備。

美國(guó)宇航局正在研發(fā)的“先進(jìn)斯特林同位素?zé)犭姍C(jī)”(ASRG)將為未來(lái)的長(zhǎng)期太空任務(wù)提供電力支持

如果采用核電技術(shù)，未來(lái)我們?nèi)ネ渌乔蚪⒅趁竦貢r(shí)，甚至不需要專門攜帶一臺(tái)發(fā)電機(jī)，因?yàn)槲覀兊娘w船本身就攜帶了一座核電站!

原子能帶來(lái)的啟示

其中一種備選方案是鎳氫電池，其可以反復(fù)充放電超過(guò)5萬(wàn)次，使用壽命超過(guò)15年。與無(wú)法在太空環(huán)境下使用的普通商業(yè)級(jí)電池組不同，這些特制的鎳氫電池組都是封閉系統(tǒng)，從而可以在真空環(huán)境下正常工作。

隨著飛船遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)能帆板的產(chǎn)能效率逐漸下降，從地球軌道附近的每平米1374瓦特下降到木星軌道附近的每平米50瓦特，而到了冥王星軌道附近，這一數(shù)字更是下降到了不到每平米1瓦特。因此，當(dāng)一艘探測(cè)器計(jì)劃飛行到木星軌道之外，那么科學(xué)家們就傾向于不再使用傳統(tǒng)的太陽(yáng)能帆板，而是采用核動(dòng)力裝置為飛船供電。

其中最常見(jiàn)的是所謂的“放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)”(RTG)，這套系統(tǒng)已經(jīng)被安裝在了旅行者號(hào)、卡西尼號(hào)飛船和好奇號(hào)火星車上。這些都是完全一體化的固體設(shè)備，整體上沒(méi)有任何可移動(dòng)部件。其原理是通過(guò)放射性元素，如钚的衰變產(chǎn)生熱量，一般使用壽命在30年以上。

而當(dāng)條件不允許使用RTG電池，比如說(shuō)載人飛船上由于考慮到放射性衰變產(chǎn)生的輻射屏蔽問(wèn)題;但與此同時(shí)到太陽(yáng)之間的遙遠(yuǎn)距離又不允許使用太陽(yáng)能帆板時(shí)，燃料電池就有了它的用武之地。

氫氧燃料電池在此前美國(guó)執(zhí)行的阿波羅和雙子座載人航天項(xiàng)目中被廣泛使用。盡管這種電池是無(wú)法再次充電的，但其儲(chǔ)能性能很不錯(cuò)，并且唯一產(chǎn)生排放物就是水蒸氣，在冷凝之后還可以作為宇航員的飲用水來(lái)源。

美國(guó)宇航局(NASA)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)持續(xù)開(kāi)展的相關(guān)研究工作未來(lái)將讓電力系統(tǒng)能夠產(chǎn)生并存儲(chǔ)更多電力并維持更長(zhǎng)的使用壽命。畢竟，新型飛船正對(duì)越來(lái)強(qiáng)大的儲(chǔ)能設(shè)備提出需求，因?yàn)檫@些飛船和上面搭載的系統(tǒng)正變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)也越來(lái)越耗電。

這種對(duì)于電力的高需求尤其出現(xiàn)在那些采用全電推進(jìn)系統(tǒng)的航天器上，如1998年首先在“深空一號(hào)”探測(cè)器上測(cè)試的離子推進(jìn)器，而現(xiàn)在這種系統(tǒng)已經(jīng)在不同航天器上得到廣泛應(yīng)用。電力推進(jìn)通常是采用高速電驅(qū)推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的，但也有一種被稱作“電動(dòng)力繩系”的技術(shù)，可以利用行星磁場(chǎng)的能量實(shí)現(xiàn)飛船驅(qū)動(dòng)。

在地球上我們所使用的大部分電力系統(tǒng)到了太空都會(huì)變得無(wú)法運(yùn)作?；谶@個(gè)原因，任何空間電力系統(tǒng)在被安裝到飛船上之前都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的軌道環(huán)境測(cè)試。美國(guó)宇航局和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用它們的環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)新技術(shù)在嚴(yán)酷環(huán)境下的性能表現(xiàn)，方法通常包括使用強(qiáng)烈輻射轟擊精密部件和系統(tǒng)，并將其暴露于極端溫度環(huán)境下測(cè)試其性能。

未來(lái)的技術(shù)發(fā)展

當(dāng)前，研究人員正在為未來(lái)的空間探測(cè)任務(wù)研發(fā)“斯特林放射性同位素發(fā)電機(jī)”(SRG)?；诂F(xiàn)有的RTG技術(shù)，這種新型同位素發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率遠(yuǎn)高于其基于熱電同類，且它的體積可以做到非常小，當(dāng)然也有代價(jià)，那就是其技術(shù)的復(fù)雜程度也將隨之大大上升。

美國(guó)宇航局在規(guī)劃未來(lái)前往木衛(wèi)二的探測(cè)任務(wù)時(shí)，也在考慮研發(fā)新型電池類型。這種電池可以適應(yīng)在零下80攝氏度至零下100攝氏度的極端低溫環(huán)境下正常使用。先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)也正在被不斷改進(jìn)，以便將其儲(chǔ)能量從現(xiàn)在的水平上提升一倍。這些舉措將大大提升電池的能量密度，從而在未來(lái)允許宇航員可以在太空連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間大大延長(zhǎng)。

太陽(yáng)能帆板技術(shù)也正在同步推進(jìn)研發(fā)，新型太陽(yáng)能帆板能夠適應(yīng)在遠(yuǎn)離太陽(yáng)，光照強(qiáng)度弱，溫度極低的環(huán)境下正常工作。這樣的技術(shù)進(jìn)步意味著未來(lái)借助太陽(yáng)能帆板的探測(cè)器或許將能夠在更加遠(yuǎn)離太陽(yáng)的空間區(qū)域執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。

在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，美國(guó)宇航局將會(huì)尋求在火星上建立一個(gè)永久性的人類基地，而在更加遙遠(yuǎn)的未來(lái)，這樣的人類基地或許也會(huì)出現(xiàn)在其他太陽(yáng)系天體上。從這些角度考慮，現(xiàn)有的太空供電系統(tǒng)在未來(lái)也將面臨大型化的壓力，以便能夠?yàn)檫@樣的長(zhǎng)期、超大型的太空項(xiàng)目提供電力支持。

月球上富含氦-3，這種元素在地球上非常罕見(jiàn)，是核聚變反應(yīng)的理想原料。然而，目前我們?nèi)祟惖募夹g(shù)還無(wú)法做到讓核聚變能量作為一種穩(wěn)定而可靠的飛船能源。并且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都極其巨大，一般都需要一間大型房間才能容得下，根本沒(méi)有辦法安裝到飛船上。

那么核反應(yīng)堆呢?核反應(yīng)堆使用核裂變技術(shù)，這是目前人類已經(jīng)成熟掌握的發(fā)電手段?？雌饋?lái)對(duì)于那些采用全電力推進(jìn)，或是未來(lái)計(jì)劃在月球及火星表面長(zhǎng)期駐留的太空任務(wù)會(huì)比較適合采用這種能源方式——如果真是這樣，我們?nèi)ネ鹦墙⒅趁竦貢r(shí)，甚至不需要專門攜帶一臺(tái)發(fā)電機(jī)，因?yàn)槲覀兊娘w船本身就攜帶了一座核電站!

采用核電推進(jìn)技術(shù)的飛船已經(jīng)被考慮作為未來(lái)太空長(zhǎng)期飛行任務(wù)的備選方案。蘇拉普迪博士表示：“美國(guó)宇航局的‘小行星轉(zhuǎn)向項(xiàng)目’(Asteroid Redirect Mission)將會(huì)安裝大型太陽(yáng)能帆板，以便能夠提供足夠電力讓飛船在小行星之間機(jī)動(dòng)飛行。”他說(shuō)：“在當(dāng)前階段，我們考慮的仍然還是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的方案，但在未來(lái)如果能夠采用核電系統(tǒng)，那么整個(gè)項(xiàng)目的花費(fèi)將會(huì)更少。”

不過(guò)，要想看到安裝核電系統(tǒng)的飛船，我們或許還需要等待很多年。蘇拉普迪博士表示：“這項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)前還不夠成熟。我們需要確保在發(fā)射時(shí)它是足夠安全的。”為了確保這一點(diǎn)，必須開(kāi)展各種嚴(yán)苛的測(cè)試，以便確認(rèn)這類設(shè)備在火箭發(fā)射及太空飛行期間的極端壓力環(huán)境下是安全的。

盡管很多還仍然處在前期論證階段，但所有以上這些提到的新型電力技術(shù)在未來(lái)將讓我們的飛船能夠飛行地更久，更遠(yuǎn)。一旦這些技術(shù)成熟，在我們規(guī)劃未來(lái)飛往火星或更遙遠(yuǎn)地方的探測(cè)任務(wù)時(shí)，它們都將成為不可或缺的關(guān)鍵部件。