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国产火星车安装四块太阳能电池板

发布者: 天蓝蓝 | 发布时间: 2020-7-25 23:00| 查看数: 71| 评论数: 3|帖子模式

踏上火星土壤的火星车,电池的设计和使用尤为重要,修不了换不了,因此除了要为火星车安装必要的科学仪器外,一套稳定可靠的能源供应系统根本少不了。为了完成为期90天的巡视探索任务,我国首辆火星车装有四块太阳能电池板,为火星车提供充足的能量供应和储备。
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在中国首辆火星车四周,装有四块太阳能电池板,它们将负责此次火星表面巡测任务的能源供应。而几天后将要发射的隶属于美国国家航空航天局的毅力号,将使用一个原本作为好奇号备用能源的放射性同位素热电机为火星车提供能源。


火星车使用的太阳能板与生活中见到的太阳能板别无两样,如果非要找不同,无非就是用料更讲究、坚固耐用,进行防尘涂层处理,防止太阳能板被沙尘覆盖,降低光线透过率,导致电池输出功率下降,同时影响电池的热性能,导致电池温度升高,性能降低。
但总的来说,发电原理基本相同,都是吸收太阳光,部分光子被光伏材料吸收,晶体内部发生定向电子跃迁,形成电位差在外电路中产生电流,达到发电的目的。


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点评 回复 天蓝蓝 发表于 2020-7-25 23:00:27
踏上火星土壤的火星车,电池的设计和使用尤为重要,修不了换不了,因此除了要为火星车安装必要的科学仪器外,一套稳定可靠的能源供应系统根本少不了。为了完成为期90天的巡视探索任务,我国首辆火星车装有四块太阳能电池板,为火星车提供充足的能量供应和储备。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
漫漫长征路,巍巍中国魂
随着长征五号从文昌卫星发射中心发射升空入轨,“天问一号”正式开始5亿公里漫漫长征路,向火星进发,是我国继“嫦娥系列”月球探测任务后的又一大航天探测工程。

“天问一号”探测器由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,携带十三种有效载荷,其中环绕器七种、火星车六种,总重达5吨,将对火星地形地貌、土壤水分、大气环境等进行探测研究,并一次性完成“绕、落、巡”三大任务。

火星探测困难重重,失败率极高,从上世纪60年代开启人类火星探测至今的六十年的时间里,除去前几日成功发射升空的阿联酋火星探测器“希望”号和我国的“天问一号”,世界各国一共进行了46次火星探测器发射任务,其中只有20.5次取得成功,成功率不足45%,最惨的俄罗斯(加上前苏联)更是21次发射只成功了一次,而且搭载的还不是自家探测器。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
事实上,这也不是我国第一次火星探测器发射任务。

早在2011年,我国的“萤火一号”火星探测器就搭载俄罗斯“福布斯-土壤”探测器,由俄罗斯“天顶-2SB运载火箭”在哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空,但探测器在进行第二次变轨前定向系统发生故障,未能正常脱离低地轨道,后来俄罗斯方面的调查结果认为是电子设备上的两块芯片遭遇辐射损坏后,导致舰载计算机程序崩溃造成失败。

此次意外搅乱了我国的火星探测计划,不得不放弃多步走计划,并选择自力更生,使用我国的长征系列系列运载火箭进行深空探测器发射任务。终于在780天一遇的2020年火星发射窗口期,我国新一代重型运载火箭“长征五号”和中国的新型火星探测器“天问一号”相遇,携手飞向遥远的火星。

解决了近地运载能力,要做的便是抓准时机,进入霍曼转移轨道,接近火星进入火星引力影响球,历经“恐怖七分钟”后登陆火星,整个过程危险重重。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
曲线去火

既然是登陆火星,那么就少不了火星车,就在昨天,我国第一辆火星车和1:1着陆平台正式与大众见面。

作为承担火星巡视探测重任的火星车,除了要携带多种精密探测仪器外,最重要的就是能源供应,它关系到火星车的“生死存亡”。

四个“大翅膀”,载着中国梦
在中国首辆火星车四周,装有四块太阳能电池板,它们将负责此次火星表面巡测任务的能源供应。而几天后将要发射的隶属于美国国家航空航天局的毅力号,将使用一个原本作为好奇号备用能源的放射性同位素热电机为火星车提供能源。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
火星车使用的太阳能板与生活中见到的太阳能板别无两样,如果非要找不同,无非就是用料更讲究、坚固耐用,进行防尘涂层处理,防止太阳能板被沙尘覆盖,降低光线透过率,导致电池输出功率下降,同时影响电池的热性能,导致电池温度升高,性能降低。

但总的来说,发电原理基本相同,都是吸收太阳光,部分光子被光伏材料吸收,晶体内部发生定向电子跃迁,形成电位差在外电路中产生电流,达到发电的目的。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
太阳能板发电原理

与其它类型的能源相比,太阳能具有永久性、清洁性和灵活性三大优点,只要有足够的太阳光就有充足的能量,但在距离太阳亿万公里外的火星,太阳光强度小且火星大气对太阳光有削减作用。

根据已有的信息,在不考虑沙尘暴的影响下,火星表面不同纬度的太阳能密度如下图:

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
此次我国火星车着陆区域为20°W—50°W,20°N—30°N,每个火星公转周期每平方米吸收能量对应图中3.0-3.5,以中间值3.25为例。外太空的太阳电池板采用的是已批量生产的美国光谱实验室研发的三结太阳电池 (UJT) , 该电池的最高功率点平均效率为28%, 经计算:若火星车的功率为100瓦,则需要太阳能板的面积约为0.38㎡。

而为了满足火星车夜间用电需求,还需加装蓄电池,这些装置在无形之中增加了火星车的负重。如果用核电池会不会有所改观?

早在1959年,世界上第一个放射性同位素电池就由美国人研制出来,轻质稳定、工作寿命长、环境耐受性好等特点立即吸引了航天工作者的目光,并在后来的太空探索中广泛应用,从阿波罗11号登月飞船到旅行者一号,再到“好奇号”火星车,核电池在美国人的太空探索事业中逐步有了举足轻重的位置。

一个小圆柱,满是高科技
国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
尾部的RTG就是核电池

虽然都是利用核能,但同位素温差电池与核电站的发电原理却大相径庭。核电站利用核燃料裂变释放的能量加热工作介质——水,生成水蒸气推动汽轮机转子转动,进而带动发电机转子转动,完成核能-热能-机械能-电能的能量转变。

与之相比,核电池则基于核衰变反应制成。按照工作原理,核电池可分为两种:热转换型核电池和非热转换型核电池。热转换型吸收α射线,借助热电效应或光电效应,在热电元件中发生热电转换;非热转换型则吸收β射线,即电子,直接发电。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
温差电池结构

应用最广泛的放射性同位素温差电池,属于热转换型核电池,利用热电偶阵列(应用了西贝克效应)接收放射性同位素在衰变时放出的热量将其转化成电能。

放射性同位素温差电池和普通电池形状相似,常被做成圆柱形,热源放射性同位素放在中心,四周裹着热电材料,如碲化铋、碲化铅、锗硅合金等,两种不同电导体或半导体因温度差异发生载流子移动现象,在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势,不同热电材料温差电动势取向不同,这取决于Seebeck系数,系数大于零,由高温端指向低温段,小于零,则相反。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
热电效应原理图

使用Seebeck系数一正一负的两种材料即可在外电路中产生电流,且电流稳定,不受外界环境影响。

众多优点下,仍然难以掩盖核电池的缺点,如能量利用率低、制造成本高且有技术壁垒等。目前各国制造的核电池只有10%-20%,其余的热能要么流失,要么用来给装置保温加热,以至于在严寒中仍能保证仪器正常运转,比如阿波罗11号和“嫦娥三号”月球探测器中使用的同位素温差电池产生的额外热量就用来给仪器加热。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
嫦娥三号探测器

航天强国美国在使用同位素温差电池进行太空探索方面具有先期优势和丰富经验,已在多颗探测器上安装核电池,最大电力输出功率从几瓦特到几百瓦特不等,而且质量只有几十千克。

固然核电池具有众多优势,但是较低的电能转换效率和较高的技术壁垒,已然成为其广泛应用的“绊脚石”。

首先就是放射性同位素燃料稀缺。虽然地球上已发现近一千五百多种放射性同位素,但真正能用于同位素电池的却寥寥无几,只有钚238、锶90、钴60、铯137等十多种,而真正使用的也只有钚238、锶90两种,冥冥之中决定了核电池的命运。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
其次是较高的技术壁垒和造价。钚238是高度放射性物质,除了会对人与自然产生巨大危害,衰变释放出的高能粒子会对晶体结构造成不可逆损伤,也就是温差电池的核心——换能器。得益于纳米材料和半导体材料的发展,此问题得到部分解决,我国也自主研发出属于中国的核电池,并成功安装在“嫦娥三号”月球探测器上,但相比于成熟的太阳能发电,仍然具有极高的不确定性,尤其是在距离遥远、环境恶劣的火星。

技术问题得到部分解决,高昂的造价已然摆在面前。从同位素到材料,再到防护,每一部分都是烧钱的“玩意儿”,而且稍有差池,还会造成不可估量的损失。纵然是NASA,也不敢轻易的在火星车上使用温差电池,迄今为止,也只有好奇号使用的是钚238温差电池,动辄数十亿美元的工程造价,属实承受不起。

万事开头难,稳扎稳打求突破
虽然我国在太空探索领域已有较为丰富的经验,但对地外行星的探测仍属首次,注定有许多困难需要克服。中国首辆火星车90天的设计使用寿命足以为中国敲开火星之门,初次造访,积累经验。

国产火星车安装四块太阳能电池板,背后是核能与太阳能的抉择
如若贸然使用核电池,无疑会加大技术难度,增加不确定性,现阶段的中国航天事业,正是需要稳步前进之时,任何一次小失误都将带来无法挽回的损失。另外,此次火星探测器降落区域纬度低,太阳光照较为充足,90天的设计使用寿命下,太阳能已足以保证能量供应。

常规能源和核能,没有孰优孰劣,在合适的时间选用合适的能源最为重要。无论科学技术的发展,还是太空探索的深入,都需要稳扎稳打,实事求是。虽然中美之间的差距依然存在,但在追赶路上的中国,最值得“伟大”!

#天问一号探测器发射升空##火星探测#
点评 回复 天蓝蓝 发表于 2020-7-25 23:00:42
https://www.toutiao.com/a6852611166632739342/
点评 回复 admin 发表于 7 天前
very good
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