空間核電源，人類深空探測的未來

◎文 楊宇光

空間核電源，人類深空探測的未來

◎文 楊宇光

1957年，蘇聯(lián)在發(fā)射人類第一顆人造地球衛(wèi)星時(shí)使用的是化學(xué)電池，雖然這顆球形的衛(wèi)星宣告了人類太空時(shí)代的到來，但在電池耗盡后，衛(wèi)星也停止了播發(fā)無線電信號(hào)，成為“太空垃圾”。后來，太陽能電池的出現(xiàn)，為衛(wèi)星提供了持續(xù)不斷的能源供應(yīng)，使得長時(shí)間的太空飛行稱為可能。

除了太陽能電池，與之配套的化學(xué)蓄電池也非常重要，特別是在距離地球或其它大天體比較近的飛行任務(wù)中，受天體遮擋的影響，不能保證任何時(shí)候都有太陽能，所以需要蓄電池起到“緩沖”的作用。除此之外，一些一次性使用電池，例如鋅銀電池、氫氧燃料電池等也由于其在某一方面的性能突出，而在特定的場合下得到應(yīng)用。

在地球軌道附近，航天器能夠獲得的太陽能密度超過每平方米1300瓦，而目前廣泛使用的三結(jié)砷化鎵太陽能電池的效率已經(jīng)超過30%?？梢哉f，在地球附近使用太陽能已經(jīng)足夠好，而隨著技術(shù)進(jìn)步，太陽能電池的效率還可以進(jìn)一步提高。

然而，使用太陽能電池的航天器必然對(duì)太陽能電池板朝向陽光入射方向的角度產(chǎn)生嚴(yán)重的依賴，使得對(duì)日定向成為對(duì)航天器的重要要求。而在測控等方面又要求航天器能夠?qū)Φ厍蚨ㄏ?，及在?duì)所關(guān)注的天體探測時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行定向。這在航天器環(huán)繞地球時(shí)，三者還可以基本保持統(tǒng)一，但在環(huán)繞月球等其它天體時(shí)，就很難同時(shí)滿足了，這時(shí)，為了保證充足的能源而提出的對(duì)日定向要求就成為一種束縛，增加了航天器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

更要命的是，當(dāng)航天器運(yùn)行在比地球離太陽更遠(yuǎn)的軌道時(shí)，太陽光的能量密度越來越弱，這在探索火星時(shí)還可以勉強(qiáng)承受，在距離更遠(yuǎn)的天體時(shí)，使用太陽能電池的效率就變得極低。人類目前使用太陽能電池的極限應(yīng)用是“朱諾號(hào)”木星探測器，由于美國缺少放射性同位素儲(chǔ)備而不得不采用太陽能電池，導(dǎo)致探測器變得極為巨大，這在一定程度上影響了探測器的性能。

實(shí)際上，核能具有長時(shí)間提供能源保證的特點(diǎn)，人類已經(jīng)在船舶、潛艇等上面大量使用核反應(yīng)堆供電，甚至在南極的科考站也能夠配備核反應(yīng)堆。因此，在太空使用核能成為航天時(shí)代早期就考慮的技術(shù)途徑。

在太空使用核能包括放射性同位素?zé)嵩?、放射性同位素?zé)犭娫春秃朔磻?yīng)堆。其中放射性同位素?zé)嵩醋詈唵?，僅利用放射性同位素在衰敗過程中能夠發(fā)熱的特性，就能為航天器提供熱量，但這樣做還需要單獨(dú)解決航天器供電問題。放射性同位素?zé)犭娫丛谀軌蚬岬耐瑫r(shí)，還可以利用熱電轉(zhuǎn)換提供電力，盡管目前這樣做的效率還很難做到很高，但基本能夠滿足一般航天器的供電需求。因此，放射性同位素?zé)犭娫匆呀?jīng)在深空探測器中得到了廣泛的應(yīng)用，人類發(fā)射的最遙遠(yuǎn)的航天器—“先驅(qū)者”10號(hào)、11號(hào)，“旅行者”1號(hào)、2號(hào)，“新視野號(hào)”和“卡西尼號(hào)”等都使用這樣的裝置，“旅行者號(hào)”的放射性同位素?zé)犭娫丛诠ぷ鞒^30年后，仍然有電力輸出。

然而，在未來的深空探測中，所需要解決的不僅僅是供電問題，由于工作原理限制，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)—比沖，一直沒有質(zhì)的提高，即使性能最好的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖也只有400多秒。

電推進(jìn)的出現(xiàn)，極大地提高了深空探測器的性能，其比沖可以達(dá)到數(shù)千秒以上，目前正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。但即使只有幾十毫牛推力的電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其功耗要求也在千瓦量級(jí)，在未來的深空探測任務(wù)中，放射性同位素?zé)犭娫春茈y滿足其巨大的供電需求。

在這樣的技術(shù)瓶頸和需求背景下，在深空探測器中使用核反應(yīng)堆就成為未來最有希望從根本上解決問題的技術(shù)途徑。雖然人類航天時(shí)代早期發(fā)射上天的核反應(yīng)堆只有幾十千瓦的輸出功率，但隨著技術(shù)進(jìn)步，有望制造出供電功率達(dá)數(shù)兆瓦的空間核反應(yīng)堆。這類核反應(yīng)堆可以在大型深空飛船的長時(shí)間巡航階段為電推進(jìn)供電，在進(jìn)入目標(biāo)軌道需要更大推力時(shí)切換到為核熱推進(jìn)供能。采用這樣的技術(shù)途徑，人類進(jìn)行深空探測時(shí)的飛船規(guī)模就可以成倍地縮小，不但能夠?qū)崿F(xiàn)載人登陸火星，也為未來的載人造訪木星提供了可能性。

不僅如此，空間核反應(yīng)堆還可以為人類在其它星球建立永久性基地提供可靠的能源供應(yīng)。即便是在月球建立基地，通過使用核反應(yīng)堆也可以使漫長而寒冷的月夜更容易度過。

從人類航天時(shí)代的早期開始，使用空間核反應(yīng)堆最大的障礙就是其安全性問題，也曾出現(xiàn)過核衛(wèi)星失控墜落的嚴(yán)重事故。因此，解決安全性問題成為空間核能源與核動(dòng)力發(fā)展的至關(guān)重要因素。對(duì)深空探測而言，只要能解決發(fā)射階段的安全性問題，并解決好巡航階段的放射性屏蔽問題，這樣的技術(shù)途徑將大有希望。