這是嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器，包括著陸器和巡視器，是我國(guó)研制的首次在外天體實(shí)施軟著陸的航天器
我國(guó)嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射在即，為了能夠在月球上過(guò)夜；嫦娥三號(hào)需要長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受?chē)?yán)寒帶來(lái)的極大挑戰(zhàn)。為了突破這一難關(guān)，我國(guó)嫦娥三號(hào)，將攜帶核能電池(是一種核動(dòng)力裝置)飛天。如能成功，就將使我國(guó)成為繼美俄之后，成為世界上第三個(gè)將核動(dòng)力應(yīng)用于太空探測(cè)的國(guó)家。
什么是核電池
核電池(又稱(chēng)原子能電池或放射性同位素發(fā)電裝置)是指那些使用放射性同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電力的裝置。核電池也叫同位素電池。(注：同位素是指有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的原子。如氕與氘互為同位素。核素是指具有一定質(zhì)子數(shù)的原子，是一種具體的原子，如氕或氘就是核素。同一元素的不同核素互為同位素。)
同理，同位素電池，就是利用同位素材料衰變過(guò)程中產(chǎn)生的能量放出的熱量，進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。其裝置名稱(chēng)RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)”這個(gè)詞的縮寫(xiě)。
核電池是通過(guò)半導(dǎo)體換能器，將鈈238、鈾238(放射性同位素)衰變過(guò)程中，釋放出射線(xiàn)(放出載能粒子α、β和γ粒子射線(xiàn))的熱能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。目前，核電池已成功地用作航天器的電源?還用于醫(yī)學(xué)心臟起搏器和一些特殊的軍事用途方面)。2012年8月7日，美國(guó)發(fā)射的好奇號(hào)火星車(chē)，順利抵達(dá)火星，其所用的核電池壽命長(zhǎng)達(dá)14年。
美國(guó)航天器使用核電池的歷史
從上世紀(jì)中葉起，美國(guó)在“先驅(qū)者”10號(hào)、11號(hào)探測(cè)器，“旅行者”1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器，木星和土星探測(cè)器中，都使用了同位素溫差發(fā)電器作為電源。就是因?yàn)椴捎煤穗娫?，美?guó)“旅行者1號(hào)”行星探測(cè)器，才創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠(yuǎn)航史上的輝煌紀(jì)錄。目前它是離地球最遠(yuǎn)(飛行約近200億公里)和飛行速度最快的人造衛(wèi)星。它用了36年的時(shí)間，飛行到了太陽(yáng)系的邊緣。
以钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器，曾用于美國(guó)“子午儀”號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星(低軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系列。又稱(chēng)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，英文縮寫(xiě)為NNSS。主要功用是：為核潛艇和各類(lèi)海面艦船等提供高精度斷續(xù)的二維定位，用于海上石油勘探和海洋調(diào)查定位、陸地用戶(hù)定位和大地測(cè)量等。從1960年4月到80年代初共發(fā)射30多顆。美國(guó)在1964年4月發(fā)射“子午儀”號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，因發(fā)射失敗衛(wèi)星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，钚238散布在大氣層中并擴(kuò)散至全球。后來(lái)改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。)、“林肯”號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星(早在1965年，美國(guó)林肯號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星上便使用钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器)和“雨云”號(hào)衛(wèi)星(是美國(guó)第二代試驗(yàn)氣象衛(wèi)星系列。從1964年8月到1978年10月共發(fā)射了7顆。雨云號(hào)衛(wèi)星的任務(wù)是試驗(yàn)新的氣象觀(guān)測(cè)儀器和探測(cè)方法。美國(guó)在1965年發(fā)射的一顆軍用衛(wèi)星中，用反應(yīng)堆溫差發(fā)電器作為電源。但由于電源調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障僅工作43天。1968年5月“雨云”號(hào)氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時(shí)，核電源落入圣巴巴拉海峽，后被打撈上來(lái)。)。
中國(guó)在自主研發(fā)的核電池上邁出大步
月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，周期27.32166日，正好是一個(gè)恒星月，所以我們看不見(jiàn)月球背面。這種現(xiàn)象我們稱(chēng)“同步自轉(zhuǎn)”，幾乎是衛(wèi)星世界的普遍規(guī)律。由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是28天，所以“月球夜”會(huì)長(zhǎng)達(dá)14天(月球日即白晝也有14天)。由于月球晝夜要半個(gè)月交替一次，溫差高達(dá)300℃，那里是零下150度到180度，太冷了，月球車(chē)上的所有的儀器全部要凍壞。普通電池?zé)o法應(yīng)對(duì)。現(xiàn)在所使用的各種高級(jí)的蓄電池，什么鋰電池、氫電池，各種各樣的電池對(duì)我們來(lái)說(shuō)都沒(méi)有用。長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受極大溫差對(duì)我國(guó)月球探測(cè)器是個(gè)極大挑戰(zhàn)。迫使我們一定要想出新的辦法，于是我們國(guó)家自己研制了原子能的電池，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士說(shuō)，我國(guó)的月球車(chē)實(shí)際上在同時(shí)使用太陽(yáng)能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車(chē)載儀器被凍壞，休眠中的月球車(chē)就得靠核電池的能量來(lái)保溫，并維持與地面的通訊。而一旦新一個(gè)白晝來(lái)臨，太陽(yáng)能電池就能重新驅(qū)動(dòng)月球車(chē)工作。
中國(guó)第一塊放射性同位素電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，并進(jìn)行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗(yàn)。隨著我國(guó)核電站數(shù)量的增加，由乏燃料后處理提取的镎237原料的逐漸積累，為后來(lái)開(kāi)發(fā)钚238電池，提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
據(jù)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士介紹，近年來(lái)，我國(guó)在自主研發(fā)的核電池上邁出了大步。我國(guó)月球車(chē)搭載的核電池，是由中國(guó)原子能科學(xué)研究院牽頭研發(fā)的。
從中國(guó)原子能科學(xué)研究院該院官方網(wǎng)站上，可以得知，從2004年開(kāi)始，該院正式啟動(dòng)航天用同位素電池的研發(fā)；到2006年，研制出我國(guó)第一顆钚238同位素電池；2008年通過(guò)了專(zhuān)家組的鑒定。這顆電池的研制成功，填補(bǔ)了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國(guó)在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。
核電池的用武之地不僅僅局限于太空。在高山、深海、南北極乃至人體中到處可以找到它的影蹤。心臟起搏器用的核電池重量?jī)H40克，體積很小，壽命可達(dá)十年。病人免除了經(jīng)常做開(kāi)胸手術(shù)的痛苦。在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方都是RTG的大顯身手之地。自動(dòng)無(wú)人氣象站、浮標(biāo)和燈塔、地震觀(guān)察站、飛機(jī)導(dǎo)航信標(biāo)、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的RTG供電。
據(jù)原子能院的官網(wǎng)文章介紹，第一顆“國(guó)產(chǎn)”同位素電池的各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)了預(yù)期要求，研制全過(guò)程安全無(wú)誤，功率為百毫瓦級(jí)。這將保證中國(guó)首次將核能用于航天器。據(jù)悉，為了保證著陸器的能源供應(yīng)，嫦娥三號(hào)就是使用了這種原子能電池(RTG同位素電池)。
我國(guó)首次實(shí)用核電池將隨“嫦娥三號(hào)”軟著陸月球，并用于嫦娥三號(hào)的著陸器和月球車(chē)上。這種原子能電池可以連續(xù)工作30年。有了它，再不怕月球晚上溫度驟降到零下150度到180度。完全可以確保探測(cè)器上儀器不至于被凍壞。為防止車(chē)載儀器被凍壞，夜間休眠中的月球車(chē)可以靠核電池放出來(lái)的熱量保溫。而一旦新一個(gè)白晝來(lái)臨，太陽(yáng)能電池就能替代核電池，重新驅(qū)動(dòng)月球車(chē)工作。
對(duì)嫦娥三號(hào)來(lái)說(shuō)，核電池中的钚金屬塊238它相當(dāng)于一個(gè)熱源。這一熱源對(duì)將在月球環(huán)境下生存的嫦娥三號(hào)的保溫作用是至關(guān)重要的。其釋放出的熱量及經(jīng)過(guò)溫差熱電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換形成的電流，充分滿(mǎn)足了嫦娥三號(hào)的能量需求。它的能力雖不足以讓火箭升空，卻可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號(hào)所帶月球車(chē)低速移動(dòng)；支持嫦娥三號(hào)所帶設(shè)備正常工作；支持嫦娥三號(hào)與地球之間的通訊。
嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，并不遜色
嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，并不遜色！主要是從下面幾點(diǎn)比較：
第一、嫦娥三號(hào)與好奇號(hào)都采用的核動(dòng)力，雖然不知道好奇號(hào)是直接采用核動(dòng)力轉(zhuǎn)變成動(dòng)能還是怎么的，但嫦娥三號(hào)采用的核動(dòng)力電池，是目前核動(dòng)力小型化的最高的成果。對(duì)比好奇號(hào)絕對(duì)不會(huì)遜色，而且嫦娥三號(hào)比好奇號(hào)體積小，動(dòng)力裝置可能也會(huì)更小。核能裝置的對(duì)比無(wú)非就是看小型化程度。
第二、好奇號(hào)要能對(duì)抗登陸火星瞬間產(chǎn)生的高溫，但嫦娥三號(hào)卻要對(duì)抗月球表面幾百攝氏度的溫差。相比，嫦娥更了不起。對(duì)抗高溫，對(duì)所有發(fā)射火箭的國(guó)家都面臨這個(gè)問(wèn)題。而且好奇號(hào)登陸火星時(shí)承受的溫度相對(duì)不算高，飛船返回地球的溫度比登陸火星時(shí)高的多。嫦娥卻是非常了不起，對(duì)抗溫差300攝氏度，對(duì)抗低溫零下一百多攝氏度，這是中國(guó)的首創(chuàng)。
第三、嫦娥三號(hào)與好奇號(hào)降落方式都是軟著陸，都是采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推。這里不得不說(shuō)美國(guó)對(duì)好奇號(hào)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更好，因?yàn)楹闷嫣?hào)更重一些，而且火星的引力更大一些。不過(guò)這是反推火箭的問(wèn)題。而且火箭的推力大小并不是大不了的問(wèn)題，我們也能做的出來(lái)。
第四、是登陸星球不同，其實(shí)登陸月球和登陸火星的難度差別不大，對(duì)火箭的大小要求不高。只要達(dá)到第二宇宙速度，掙脫地球的束縛，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)保持勻速飛行，都會(huì)實(shí)現(xiàn)。其實(shí)，達(dá)到第二宇宙速度的火箭中國(guó)早就有了。至于降落地點(diǎn)，對(duì)于好奇號(hào)、嫦娥三號(hào)來(lái)說(shuō)，都是預(yù)先選好的，在火星還是在月球降落區(qū)別不大，都是地面人為遙控(我們已經(jīng)有了自己的深空站、網(wǎng)。)。距離也不是問(wèn)題了(嫦娥二號(hào)飛行距離已超過(guò)了去火星的路程)。
第五、據(jù)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士說(shuō)，無(wú)論是美國(guó)的“好奇號(hào)”，還是中國(guó)的月球車(chē)，核電池中使用的燃料都是钚238。钚238的半衰期有80多年。這個(gè)時(shí)間足夠長(zhǎng)，使钚238能夠支撐電池持續(xù)工作幾十年。
雖然“國(guó)產(chǎn)”同位素電池的功率與“好奇號(hào)”電池的140瓦左右的功率還有距離，但只要研發(fā)成功第一顆國(guó)產(chǎn)同位素電池，就突破了同位素發(fā)電的主要技術(shù)難點(diǎn)。今后，如果要做大功率的，只需相應(yīng)地增加核燃料钚238的使用量。
所以，嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，應(yīng)該不遜色！
事實(shí)上，將于今年12月初，隨“嫦娥三號(hào)”登月的我國(guó)首輛裝載核動(dòng)力裝置的月球車(chē)如能順利運(yùn)行，將標(biāo)志我國(guó)成為繼美俄之后，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)將核動(dòng)力應(yīng)用于太空探測(cè)的國(guó)家。
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