未来飞船如何供电?从太阳能到核电技术

据英国广播公司(BBC)网站报道,对于飞船而言,电力系统是一个核心组成部分。它们必须能够在极端环境条件下仍然保持极高的可靠性。然而,随着现代飞船技术愈发复杂,其对于电力系统的要求也是越来越苛刻,那么未来的推进系统将会如何发展?

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尽管70年代发射的美国旅行者飞船的推进系统在技术上并不先进,但它仍然持续正常工作了超过38年

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美国宇航局的“小行星转向项目”(Asteroid Redirect Mission)将采用新一代太阳能帆板技术,其效率更高,寿命也更长

令人震惊的高可靠性与长寿命

脆弱性似乎是现代电子设备的通病——你的智能手机如果不充电,恐怕连一天都难以坚持。然而相比之下,航天器的耐用性往往会让你感到震惊:38年前发射升空的旅行者号飞船至今仍在工作,向我们传回关于太阳系边缘的重要信息。这艘飞船每秒钟能够有效处理81000条指令,而相比之下,你手里的智能手机的信息处理能力要比这高出大约7000倍。

当然,你的智能手机之所以在电池依赖性方面表现如此之差,是因为它的设计本来就需要每天充电的,而且它也几乎不可能会出现在远离地球数百万甚至数亿公里外的宇宙空间的情况。而相比之下,如果一艘飞船没电了,而最近的充电桩距离它也有数十亿公里远,那么要想给它充电就显得不太现实了。因此,一艘打算在太空中飞行数十年的飞船,要么一开始就用某种方法存储上足够的电量,或者就得在途中自己想办法发电。事实证明,说起来容易做起来难,这事儿还要想成功实现还是很难的。

尽管飞船上搭载的电子设备很多只是偶尔需要电力供应,但也有一部分设备是必须确保不间断供电的,比如信号接收机和发射机必须时刻处于通电状态,而如果是载人飞船,那么生命维持系统和照明系统也同样将是不能关闭的。

劳·苏拉普迪博士(Dr Rao Surampudi)是美国加州喷气推进实验室(JPL)的电力技术项目主管。在过去的30年间,他一直致力于为美国宇航局的各类航天器开发电源系统。

根据苏拉普迪博士的说法,一般情况下航天器的电源系统会占到整个航天器质量的大约30%,并且一般可以分解为三大部分:发电系统、储能系统以及电源管理及分配系统。

这些系统对于飞船来说绝对是必要而关键的,而为了适应飞船的特殊使用条件,它们在质量和设计上会有一系列严苛的要求——首先质量必须足够小,以便提升所谓“能量密度”,也就是说它必须能够在足够小的体积内产生足够强大的电力;同时它必须具有长寿命的特点,且高度可靠,因为在发射之后,如果飞船电力系统出现故障,这时候再要想派工程师前去维修显然是不现实的。

这套供电系统不仅必须能够确保每一件飞船搭载设备的电力使用需求,它还必须确保在整个飞船的使用寿命内能够持续提供这样的电力支持——这样的时间可能是几年,几十年甚至上百年。苏拉普迪博士表示:“设计的使用寿命必须足够长,因为一旦发生故障,你是不可能有什么维修或挽救机会的。举例来说,飞往木星需要5~7年,飞往冥王星需要超过10年,而要想离开我们的太阳系,你需要连续飞行20~30年。”

考虑到飞船运行环境的特殊性,飞船电力系统还必须能够在零重力和高真空环境下正常运作,同时必须经受超强辐射环境和极端温度的考验。苏拉普迪博士说:“如果你的探测器打算在金星表面着陆,那边的温度是460摄氏度。而如果你打算冲入木星大气层,那么那里的温度是零下150度。”

很多在内太阳系区域飞行的探测器都会安装太阳能帆板,通过太阳能进行发电。或许从外观上看上去你会觉得这些飞船安装的太阳能帆板跟自己家里使用的同类设备并无不同,但实际上,航天器所使用的太阳能板在发电效率和可靠性上要远远超过普通的民用产品。

不过,在内太阳系区域飞行的航天器太阳能帆板也有可能因为距离太阳太近而发生过热现象,此时飞船就需要调整自己的太阳能帆板位置,从而使其避开太阳的灼热光芒。

随着飞船进入一颗行星的轨道,飞船的太阳能帆板产能效率将会下降,由于行星阴影的周期性遮挡,飞船太阳能板将无法产生像此前那么多的电能,在这样的情况下,我们就需要一套高效的电力储能设备。

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美国宇航局正在研发的“先进斯特林同位素热电机”(ASRG)将为未来的长期太空任务提供电力支持

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如果采用核电技术,未来我们去往其他星球建立殖民地时,甚至不需要专门携带一台发电机,因为我们的飞船本身就携带了一座核电站!

原子能带来的启示

其中一种备选方案是镍氢电池,其可以反复充放电超过5万次,使用寿命超过15年。与无法在太空环境下使用的普通商业级电池组不同,这些特制的镍氢电池组都是封闭系统,从而可以在真空环境下正常工作。

随着飞船远离太阳,太阳能帆板的产能效率逐渐下降,从地球轨道附近的每平米1374瓦特下降到木星轨道附近的每平米50瓦特,而到了冥王星轨道附近,这一数字更是下降到了不到每平米1瓦特。因此,当一艘探测器计划飞行到木星轨道之外,那么科学家们就倾向于不再使用传统的太阳能帆板,而是采用核动力装置为飞船供电。

其中最常见的是所谓的“放射性同位素热电发电机”(RTG),这套系统已经被安装在了旅行者号、卡西尼号飞船和好奇号火星车上。这些都是完全一体化的固体设备,整体上没有任何可移动部件。其原理是通过放射性元素,如钚的衰变产生热量,一般使用寿命在30年以上。

而当条件不允许使用RTG电池,比如说载人飞船上由于考虑到放射性衰变产生的辐射屏蔽问题;但与此同时到太阳之间的遥远距离又不允许使用太阳能帆板时,燃料电池就有了它的用武之地。

氢氧燃料电池在此前美国执行的阿波罗和双子座载人航天项目中被广泛使用。尽管这种电池是无法再次充电的,但其储能性能很不错,并且唯一产生排放物就是水蒸气,在冷凝之后还可以作为宇航员的饮用水来源。

美国宇航局(NASA)和喷气推进实验室(JPL)持续开展的相关研究工作未来将让电力系统能够产生并存储更多电力并维持更长的使用寿命。毕竟,新型飞船正对越来强大的储能设备提出需求,因为这些飞船和上面搭载的系统正变得越来越复杂,同时也越来越耗电。

这种对于电力的高需求尤其出现在那些采用全电推进系统的航天器上,如1998年首先在“深空一号”探测器上测试的离子推进器,而现在这种系统已经在不同航天器上得到广泛应用。电力推进通常是采用高速电驱推进剂实现驱动的,但也有一种被称作“电动力绳系”的技术,可以利用行星磁场的能量实现飞船驱动。

在地球上我们所使用的大部分电力系统到了太空都会变得无法运作。基于这个原因,任何空间电力系统在被安装到飞船上之前都必须经过严苛的轨道环境测试。美国宇航局和喷气推进实验室利用它们的环境仿真实验室检验新技术在严酷环境下的性能表现,方法通常包括使用强烈辐射轰击精密部件和系统,并将其暴露于极端温度环境下测试其性能。

未来的技术发展

当前,研究人员正在为未来的空间探测任务研发“斯特林放射性同位素发电机”(SRG)。基于现有的RTG技术,这种新型同位素发电机的发电效率远高于其基于热电同类,且它的体积可以做到非常小,当然也有代价,那就是其技术的复杂程度也将随之大大上升。

美国宇航局在规划未来前往木卫二的探测任务时,也在考虑研发新型电池类型。这种电池可以适应在零下80摄氏度至零下100摄氏度的极端低温环境下正常使用。先进的锂离子电池技术也正在被不断改进,以便将其储能量从现在的水平上提升一倍。这些举措将大大提升电池的能量密度,从而在未来允许宇航员可以在太空连续执行任务的时间大大延长。

太阳能帆板技术也正在同步推进研发,新型太阳能帆板能够适应在远离太阳,光照强度弱,温度极低的环境下正常工作。这样的技术进步意味着未来借助太阳能帆板的探测器或许将能够在更加远离太阳的空间区域执行探测任务。

在未来的某个时间点,美国宇航局将会寻求在火星上建立一个永久性的人类基地,而在更加遥远的未来,这样的人类基地或许也会出现在其他太阳系天体上。从这些角度考虑,现有的太空供电系统在未来也将面临大型化的压力,以便能够为这样的长期、超大型的太空项目提供电力支持。

月球上富含氦-3,这种元素在地球上非常罕见,是核聚变反应的理想原料。然而,目前我们人类的技术还无法做到让核聚变能量作为一种稳定而可靠的飞船能源。并且目前我们所能建造的核聚变装置,如托克马克装置,体积都极其巨大,一般都需要一间大型房间才能容得下,根本没有办法安装到飞船上。

那么核反应堆呢?核反应堆使用核裂变技术,这是目前人类已经成熟掌握的发电手段。看起来对于那些采用全电力推进,或是未来计划在月球及火星表面长期驻留的太空任务会比较适合采用这种能源方式——如果真是这样,我们去往火星建立殖民地时,甚至不需要专门携带一台发电机,因为我们的飞船本身就携带了一座核电站!

采用核电推进技术的飞船已经被考虑作为未来太空长期飞行任务的备选方案。苏拉普迪博士表示:“美国宇航局的‘小行星转向项目’(Asteroid Redirect Mission)将会安装大型太阳能帆板,以便能够提供足够电力让飞船在小行星之间机动飞行。”他说:“在当前阶段,我们考虑的仍然还是太阳能驱动的方案,但在未来如果能够采用核电系统,那么整个项目的花费将会更少。”

不过,要想看到安装核电系统的飞船,我们或许还需要等待很多年。苏拉普迪博士表示:“这项技术在当前还不够成熟。我们需要确保在发射时它是足够安全的。”为了确保这一点,必须开展各种严苛的测试,以便确认这类设备在火箭发射及太空飞行期间的极端压力环境下是安全的。

尽管很多还仍然处在前期论证阶段,但所有以上这些提到的新型电力技术在未来将让我们的飞船能够飞行地更久,更远。一旦这些技术成熟,在我们规划未来飞往火星或更遥远地方的探测任务时,它们都将成为不可或缺的关键部件。

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