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揭秘火星探测车用核电池

北京时间8月6日13时31分,美国航天局2011年年底发射的“好奇”号探测车登陆火星表面,“降落”时长7分钟。并开始了在火星为期两年的任务。“好奇”号项目总投资为25亿美元,是迄今最昂贵的火星探测项目。

美国总统奥巴马的顶级科学顾问约翰·霍尔德伦(John Holdren)认为,“这是行星探索迈出的巨大的一步。以前从来没有人做到过类似的事情。这次的表现令人难以置信。”

这个重量达1吨的火星探测车使用的是六轮核动力,据报道称,好奇号火星车是美国宇航局迄今最为先进的火星车,大小与一辆小汽车接近,以核电池作为动力,至少可以保证14年的供能。

据了解,在外行星探测中,由于空间探测器远离太阳,难以利用太阳电池发电,必须采用核电源。美国在“海盗”号探测器,“先驱者”10号、11号探测器,“旅行者”1号、2号探测器,木星和土星探测器中,都使用了同位素温差发电器作为电源。那么,到底什么是核动力呢?

核动力原理简介

核动力是利用可控核反应来获取能量,从而得到动力,热量和电能。因为核辐射问题和现在人类还只能控制核裂变,所以核能暂时未能得到大规模的利用。利用核反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。

世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力,同时,核能每年提供人类获得的所有能量中的7%,或人类获得的所有电能中的15.7%。

核动力卫星使用核电源的人造地球卫星。核电源工作寿命长,性能可靠,能提供较大的功率。它与太阳电池电源相比,适应环境能力强,由于在卫星外部没有伸展开的大面积太阳电池翼,在低轨道飞行时大气阻力较小。

在空间战中使用核电源能提高卫星的生存能力。核电源适用于某些军用卫星和行星探测器。由于卫星坠毁时会对大气和地球造成污染,核电源的使用受到安全上的限制。

卫星用的核电源有两类:放射性同位素温差发电器和核反应堆电源。前者功率较小,为几十至几百瓦;后者功率较大,可达数千瓦至数十千瓦。美国在1965年发射的一颗军用卫星中,用反应堆温差发电器作为电源,由于电源调节器出现故障仅工作43天。

以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器,曾用于“子午仪”号导航卫星、“林肯”号试验卫星和“雨云”号卫星;苏联在1967~1982年共发射了24颗核动力卫星,都属于海洋监视卫星。在外行星探测中,由于空间探测器远离太阳,难以利用太阳电池发电,必须采用核电源。

核动力使用现状

中国于20世纪70年代开始空间堆的研究工作,后一度中止。“九五”期间,空间堆研究被列入总装备部预先研究项目,由原子能院和空间技术研究院共同承担,完成了空间堆概念设计。

“十五”起,开始了空间堆初步设计和关键技术攻关,在设计技术、制造技术、试验技术以及安全研究等方面均取得一定突破。目前项目处于从技术设计到施工设计的过度阶段,正进行设备和部件的研制和单项试验。

计划2015年完成地面试验,2020年定型,2025年发射“百千瓦级核反应堆试验星”,进行在轨演示验证,掌握**功率空间核反应堆电源技术。

俄罗斯、美国、法国、德国和日本等国从20世纪60年代起就开始开展空间堆的研究,目前只有美国和俄罗斯进行了实际发射。截至2004年,俄罗斯供发射了37个使用空间堆供电的航天器;美国发射过1个类似装置。

西方在核动力卫星技术方面也起步很早,美国在1960年代就开始将核反应堆装上卫星,但出于安全考虑,与前苏联相比数量较少。但近年来,美国和欧洲又重新开始新一代核动力卫星的研发。

目前,大多数人造卫星依靠太阳能电池提供动力,因此显眼的太阳能板成为多数卫星的主要特征。而空间核反应堆可以提供更充足的能源,而且也可以通过减少太阳能板减轻卫星的负荷。

核动力卫星历史事件

美国在1964年4月发射“子午仪”号导航卫星时,因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁,钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳,以防烧毁。

1968年5月“雨云”号气象卫星发射失败时,核电源落入圣巴巴拉海峡,后被打捞上来。

苏联在1967~1982年共发射了24颗核动力卫星,都属于海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆,功率为5~10千瓦。它们在200多公里的低轨道上工作,完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离,并小型火箭推到大约1000公里的轨道,可运行600年。

1978年1月24日,苏联“宇宙”954号核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落,未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内,造成严重污染。

1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。

核动力卫星威胁

1978年1月,苏联的雷达海洋侦察卫星(RORSAT)“宇宙”-954,使用自身携带的核反应堆再入大气层,因为卫星的反应堆核未能分离使其进入核安全轨道,最后坠落在加拿大,它污染了大约10万平方公里的土地。

1983年2月,核动力的苏联卫星“宇宙”-1402坠落在南大西洋。 最为严重的威胁来自于NASA/欧空局/意大利航天局合作的机器人卫星任务卡西尼-惠更斯。该任务用于研究土星和它的天然卫星,于1997年10月15日发射,并在1999年8月18日进行了重力辅助的地球飞越。

该航天器携带有使用32.7千克钚-238的核反应堆,在飞越时距离地球仅有500公里。假如该卫星坠入大气层,将有多至50亿的人口受到辐射的毒害。

2009年2月10日,美国铱星公司的“铱”-33通信卫星和已经停止工作的“宇宙”-2251在北西伯利亚上空发生碰撞。“宇宙”-2251就携带有核动力装置,此次碰撞带来了潜在的危险太空碎片。

目前,使用核系统的30颗俄罗斯卫星和7颗美国卫星运行在距离地球800公里到1100公里的轨道上,在那里相似的碰撞还有可能发生。这意味着大约40次的“潜在核爆炸”。如果其中任一卫星碰到太空垃圾碎片,它将减速并最终重返大气层,在地球上空和地面释放辐射。(北极星电力网)

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