如何度過寒冷月夜？化學能熱電系統(tǒng)登場

文/張雪松

月球的漫漫長夜沒有陽光照射，表面溫度會從白天的120攝氏度左右降到零下180攝氏度以下，長達14天的月夜對探測器的存活提出了巨大的挑戰(zhàn)。月球著陸器度過月夜的傳統(tǒng)方式是核熱源，7月發(fā)射的印度月船3號著陸器沒有使用保溫措施，無法度過寒冷的月夜。美國也在積極準備重返月球，尤其是商業(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS）的著陸器即將陸續(xù)登上月球，未來美國探測器又將如何度過月球的寒冷長夜呢？

傳統(tǒng)過夜靠核能

月球表面晝夜巨大的溫差和極為寒冷的漫漫長夜，對月球著陸器的長期工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。地球軌道上存在日照和陰影區(qū)，航天器在軌飛行進入地球陰影區(qū)時只能使用蓄電池供電，與月面的晝夜交替類似。然而，航天器環(huán)繞地球每圈的陰影區(qū)飛行時間也就是幾十分鐘，而月球表面一個夜晚長達約14天，現(xiàn)在蓄電池的能量密度還太低，面對月夜期間加熱保溫的能量需求，實在是心有余而力不足。

美蘇冷戰(zhàn)期間開展登月競賽，競相發(fā)射月球著陸器，它們是如何過夜的呢？美國勘測者系列著陸器任務(wù)重點是突破掌握月球軟著陸技術(shù)，沒有采用專門的加熱措施。但當年美國航天器的質(zhì)量還真是頂呱呱，7個勘測者著陸器成功著陸5個，其中勘測者5、6、7號都挺過了一個月夜，勘測者5號甚至活了3個月零7天，也就是硬挺過3個月夜！話雖如此，勘測者系列探測器挺過月夜只是意外之喜，要實現(xiàn)探測器月夜的正常生存，還是要采用加熱保溫手段。蘇聯(lián)月球車1號和月球車2號都使用了放射性同位素熱源（RHU），用于在漫長寒冷的月夜取暖保溫，其中月球車1號生存了9個月27天，月球車2號落入隕石坑，導致散熱器故障，但也運行了3個月24天。月球車2號行駛了約39千米，是美國好奇號火星車之前人類在地外天體上行駛最遠的車輛。

蘇聯(lián)有使用同位素熱源過夜的成功經(jīng)驗，美國雖然實現(xiàn)較晚，但后來居上。雖然阿波羅登月的著陸艙和月球車都沒考慮月夜生存，但登月時部署了阿波羅月面實驗裝置（ALSEP）。月面實驗裝置包括科學載荷以及供應它們過夜取暖的放射性同位素加熱器，設(shè)計使用壽命1年。其中最長壽的一套月面實驗裝置工作了8年之久，而且最后還是地面控制中心主動關(guān)閉，而不是因能量耗盡或設(shè)備故障壽終正寢。時光流逝，來到21世紀，美蘇探月的輝煌俱往矣，現(xiàn)在中國才是月球探測的主角。我國2013年發(fā)射的嫦娥三號探測器和2018年發(fā)射的嫦娥四號探測器，以及它們分別攜帶的玉兔一號月球車和玉兔二號月球車，都使用了RHU放射性熱源和兩相流體回路技術(shù)，確保探測器能在極端寒冷的月夜環(huán)境下生存下來。現(xiàn)在我國的嫦娥三號著陸器已經(jīng)存活了9年9個月，不出意外，它還能繼續(xù)活很多年！

▲ 嫦娥三號使用同位素熱源，創(chuàng)下了月面生存時間紀錄

巧婦無米走新路

▲ Astrobotic的5瓦月夜加熱演示單元

放射性同位素核熱源是月球著陸器過夜的最佳選擇，但對美國宇航局來說，繼續(xù)使用核熱源卻有個不大不小的攔路虎。核熱源都采用半衰期87.7年的钚-238，冷戰(zhàn)時期美國依托龐大的核武器工業(yè)，有充沛的钚-238供應，迄今發(fā)射了46個使用钚-238放射性同位素熱源或電源的探測器。但美國1988年已經(jīng)停止了钚-238核材料的生產(chǎn)，主要依靠購買俄羅斯生產(chǎn)的钚-238。后來俄羅斯也停止钚-238的生產(chǎn)，此時美國宇航局庫存35千克钚-238也就夠3次重量級深空探測任務(wù)，美國不得不重啟钚-238的生產(chǎn)。

2015年12月美國能源部橡樹嶺國家實驗室制造了27年來第一批钚-238，但質(zhì)量僅有50克，實屬杯水車薪。美國科學家絞盡腦汁使用新技術(shù)新工藝，2019年將年產(chǎn)能提高到400克，并計劃到2025年提高到年產(chǎn)1.5千克。對于美國宇航局來說，這點钚-238產(chǎn)能供應木星以外的重量級深空探測器都不太夠用，不太重要的月球探測要用钚-238，肯定得排到猴年馬月去了。美國宇航局和商業(yè)航天公司開展月球探測，現(xiàn)在卻面對巧婦難為無米之炊的困難。當然，他們并沒有坐以待斃，Astrobotic公司和大學等研究機構(gòu)正在研究新的月夜生存技術(shù)，轉(zhuǎn)向能量密度低但制造難度更低的化學能技術(shù)。

▲ NITE的優(yōu)勢：比鋰電池能量密度高，比核電源功率輸出大

Astrobotic公司的解決方案名為夜間綜合熱電系統(tǒng)（NITE），其核心部分是金屬氧化加熱系統(tǒng)，通俗地說，就是通過金屬氧化反應放熱來加熱有效載荷，產(chǎn)生的廢氣還能通過燃料電池產(chǎn)生更多的熱能和電能。NITE使用過氧化氫和金屬燃料，用于為探測器的月夜生存提供熱能，至于探索月球永久陰影區(qū)的短期任務(wù)，更是不在話下。Astrobotic公司已經(jīng)造出了5瓦的金屬氧化供熱演示系統(tǒng)，達到了TRL 4級技術(shù)成熟度，現(xiàn)在還在研制更大功率的金屬氧化放熱系統(tǒng)，計劃到2024年2季度發(fā)展到TRL 6級。Astrobotic公司表示，這套NITE系統(tǒng)可以達到1900 瓦時/千克的能量密度。現(xiàn)在電動汽車上的鋰電池能量密度普遍在200瓦時/千克以下，特斯拉使用的4680鋰電池能量密度也只有不到300瓦時/千克，而金屬氧化系統(tǒng)的能量密度要高好幾倍，相比使用蓄電池進行月夜保溫的概念，更能有效降低加熱系統(tǒng)的體積和重量。

▲ 商用鋰電池能量密度最高只有約300瓦時每千克

商業(yè)公司Astrobotic的金屬氧化加熱方案，實際上是一種熱電聯(lián)產(chǎn)的金屬基燃料電池，雖然能量密度甚至無法和阿波羅時代的氫氧燃料電池相比，但NITE方案不僅同樣能間歇工作，而且過氧化氫和金屬都無毒易存儲，也能通過添加燃料延長使用壽命。過氧化氫也是發(fā)動機的氧化劑，只需利用著陸后剩余的過氧化氫，既無需專門儲存，也省去了著陸后排空剩余推進劑的問題。NITE系統(tǒng)反應生成的廢氣繼續(xù)和氧化劑反應，用于直接產(chǎn)生電力，相比RHU方案，還能額外提供電力供應。NITE系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃料電池相比，不用高壓或低溫貯箱，可靠性高，產(chǎn)熱效率高且熱量耗散損失低；與斯特林發(fā)動機相比，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了自存儲，供熱能力能快速節(jié)流調(diào)節(jié)。總而言之，這是一種構(gòu)思巧妙、安全高效的熱電供應方案。

月球探測用處多

NITE夜間綜合熱電系統(tǒng)是化學能系統(tǒng)，而核燃料能量密度比化學燃料高約6個數(shù)量級，钚-238功率可達550瓦/千克，以工作10年計算能量密度就高達約4800萬瓦時/千克。即使綜合考慮整個核熱源，俄羅斯的4瓦核熱源總重量為390克，能量密度比化學能供熱裝置仍高出幾個數(shù)量級。NITE系統(tǒng)終究只是美國钚-238核材料不足的權(quán)宜之計，即使如此，化學能綜合熱電系統(tǒng)在未來月球探測中也有望獲得廣泛應用。

▲ VIPER月球車，可能使用NITE月夜存活

NITE系統(tǒng)不需要像RHU核熱源和RTG核電源那樣使用核材料，不僅沒有制造使用核材料的高成本，更無需面對钚-238等核材料產(chǎn)能不足的問題，它首先將用于探測器的月夜加熱保溫。Astrobotic公司是美國商業(yè)登月領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，獲得了美國宇航局兩個登陸器的研制合同。今年年底計劃發(fā)射的游隼著陸器還來不及使用NITE夜間綜合熱電系統(tǒng)，但未來其他著陸器攜帶的月球表面有效載荷和研究調(diào)查將使用NITE系統(tǒng)供熱，讓有效載荷度過14天的漫長月夜。2024年底發(fā)射的VIPER月球車和格里芬著陸器也可能用上NITE系統(tǒng)。讓430千克的VIPER大型月球車挺過月夜，具有很大的科研價值。VIPER的前身資源勘探者號（RP）月球車設(shè)計壽命只有14天，而VIPER月球車具有100天的設(shè)計壽命。

世界各國尤其是美國的月球探測，未來聚焦極區(qū)，主要是月球南極。月球南極點附近區(qū)域存在日照時間長達80%～90%、幾乎日不落的永久光照區(qū)，以及真正常年不見天日的永久陰影區(qū)。永久陰影區(qū)很可能存在大量的水冰，是月球的主要資源之一。

永久光照區(qū)有長時間的陽光照射，便于通過太陽能電池補充能量。環(huán)形山底的永久陰影區(qū)恰好被毗鄰的永晝山峰包圍?？紤]未來月球探測的實際環(huán)境，未來極區(qū)著陸器需要加熱保溫的月夜并不是月面工作時間的一半，而是只有最多1/5的時間，化學能熱電系統(tǒng)能量密度低的劣勢反而得到了部分緩解。

化學能熱電系統(tǒng)未來將用于其他月球商業(yè)載荷服務(wù)的著陸器、月球車和跳躍器等探測器，供它們平安度過一個個寒冷月夜。美國載人登月阿爾忒彌斯計劃正在研制空間核反應堆。反應堆使用常見的鈾作為核燃料，沒有钚-238同位素產(chǎn)能問題的困擾。但月面工作的小型核反應堆研制需要時間，也存在一定的技術(shù)難題。在初期的載人登月任務(wù)中，化學能熱電系統(tǒng)也能為登月載荷提供寶貴的月夜生存能力。

此外，未來深入月球永久陰影區(qū)的月球車也能使用化學能熱電系統(tǒng)開展短期工作。尤其是化學能熱電系統(tǒng)容易放大輸出功率，甚至可以直接驅(qū)動月球車工作，這就更是RHU核熱源無能為力的。

美國好奇號火星車使用MMRTG核電源，研發(fā)成本8300萬美元，造價更是達到了1.09億美元。它重45千克，可工作至少14年，但供電功率只有125瓦，如果提供同樣的供電功率，化學能熱電系統(tǒng)足以支持月球車在永久陰影區(qū)的短期工作，而無需付出MMRTG上億美元的研發(fā)制造成本。

考慮到月球車不需要在永久陰影區(qū)長期工作，尤其是持續(xù)活動數(shù)月甚至數(shù)年之久，使用能量密度低但研發(fā)制造成本更低的化學能熱電系統(tǒng)，也是一個很有價值的方案。