嫦娥三号的核电池:动力持久不怕冻还可取暖

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导读:“嫦娥”探月的关键一步   中国探月“三年一会”,在这个冬天如期而至。   继2007年嫦娥一号,2010年嫦娥二号完成奔月之旅后,2013年12月2日凌晨,嫦娥三号携带中国第一辆登月车飞向月宫。   这是中国探月工程“绕、落、回”三个阶段中第二阶段,却是最为关键的一步。中国是否进行载人登月及建立驻月基地,需要在这一“落”中寻找更多的答案。   航天是一项风险极高的事业,没有强大的国力和技术储备,很难进行。从火箭运载工具到航天器的设计制造,从深空测网布局到遥操作,从无人探测器到载人航天,


嫦娥三号的核电池:动力持久不怕冻还可取暖



嫦娥三号的核电池:动力持久不怕冻还可取暖



“嫦娥”探月的关键一步

中国探月“三年一会”,在这个冬天如期而至。

继2007年嫦娥一号,2010年嫦娥二号完成奔月之旅后,2013年12月2日凌晨,嫦娥三号携带中国第一辆登月车飞向月宫。

这是中国探月工程“绕、落、回”三个阶段中第二阶段,却是最为关键的一步。中国是否进行载人登月及建立驻月基地,需要在这一“落”中寻找更多的答案。

航天是一项风险极高的事业,没有强大的国力和技术储备,很难进行。从火箭运载工具到航天器的设计制造,从深空测网布局到遥操作,从无人探测器到载人航天,每一步都是国家综合实力的体现。

天空就在那里,我们需要梦想更需要理性,从嫦娥一号升空到实现载人登月的梦想,中国仍有很长的路要走。而每一步的迈出都要依据中国的科技水平、综合国力和国家整体发展战略而制定。

寒冷的月宫即将迎来首位中国访客。12月2日,承载国人探月梦想的嫦娥三号顺利升空,并准确进入地月转移轨道,开启了中国首个航天器在地球外天体着陆的大幕。

按照计划,嫦娥三号将在12月6日进入高度为100公里的近月轨道,并在发射13天后在月球上实施软着陆,而首次登月的“玉兔”月球车将完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务。

在科学技术和经济发展的强力支撑下,中国在宇宙探索的路上开始“加速度”。

“落下去,走起来”

自1976年美苏等航天大国探月工程告一段落以后,就没有哪个国家再到月球上进行落月探测。

按照中国的嫦娥三号任务,整个探月共有三步,落下去算一步,月球车走起来算一步,到达之后完成全部任务是最后一步。在“嫦娥之父”、中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席专家叶培建看来,安全落下去就是成功,随后月球车离开着陆器行走起来并能在月球上工作一段时间,任务结束以后就是最大的成功。

如何安全地落下去,并顺利地走起来,是嫦娥三号遇到的最大挑战。

在整个落月过程中,在离月面一百米的时候要像直升机一样悬停,通过全景相机等对月面进行探测,选择合适的降落区。若有石头或者是坑,就要进行平移,选择一个更安全的地方。

随后的软着陆更是巨大的考验。因为月球没有大气层,不能使用降落伞进行减速,科研人员采用变推力发动机、自主导航控制技术和研发缓冲吸能部件来攻克这一难关。

“一边落一边往上推,这样慢慢降下来,逐渐下落至距月球表面4米的位置之后发动机将熄灭,将采用自由落体的方式,软着陆在月球。”航天专家庞之浩告诉《中国新闻周刊》,“难度之大,超乎想象。”

接下来要过巡视关,月球车得动起来,还要保证不翻车。在开始行进前,月球车采用的是视觉导航,利用自己所携全景相机,对四周进行观测,自主进行规划路线,然后行进。与此同时,全景相机所拍资料传回地面,以便无法自主行进时,地面科技人员遥操作控制巡视器移动。

与美俄无人探月要么是单个着陆器,要么是单个月球车不同,中国的嫦娥三号是把着陆器和月球车探测器结合起来的联合探测。

月球科学领域专家表示,嫦娥三号挑战人类月球科学探测史上的几项“首次”主要由嫦娥三号携带的八大科学载荷中的三件完成。其中,近紫外月基天文望远镜将进行世界上首次用月基天文望远镜观测天文;月球车“腹部”的测月雷达随月球车移动探测月球地底下30米深土壤层的结构和100米深的次表层结构亦属世界首次。

月夜生存是嫦娥三号落月后面临的又一难关。庞之浩说,月昼月夜有330多摄氏度温差,必须保证各载荷在寒冷的月夜下着陆器和探测器不被冻坏,太阳出来时再自动唤醒开始工作。

为突破长时间经受严寒难关,在月球上过夜,嫦娥三号将携带核能电池飞天。核电池对将在月夜环境下生存的嫦娥三号的保温至关重要。庞之浩告诉《中国新闻周刊》,不仅可以确保探测器上仪器不被冻坏,夜间休眠中的月球车还可以靠核电池放出来的热量保温。

此外,核电池还可以用于小规模供电,支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。据了解,嫦娥三号探测器携带的核电池由中核集团研发。

与美苏上世纪50~70年代即把核电池用于航天领域相比,中国则落伍很多。中国第一块核电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,并进行了模拟太空应用的地面试验。从中国原子能科学研究院官方网站上可以发现,2004年开始该院正式启动航天用同位素电池的研发,到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池,2008年通过了专家组的鉴定。

虽然“国产”同位素电池的功率与美国核电池140瓦左右的功率还有距离,但技术并不逊色。航天专家称,在我国未来的深空探测计划中,比如火星、金星探测中,核电池会发挥越来越大的作用。

全球“月球车”大比拼

此次嫦娥三号搭载的“玉兔”月球车,金光闪闪,颇引人注目。月球车全名为“月面巡视探测器”,是集航天系统工程和智能机器人为一体的航天器,能完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务。

迄今为止,世界上发射并成功运行的月球车有5辆,其中两辆无人探测月球车是前苏联在上世纪70年代发射,另外三辆是美国阿波罗15号、16号、17号有人驾驶月球车。

中国的玉兔号月球车是无人驾驶月球车,质量约140kg,与前苏联约1.8吨重的月球车相比简直是“小个子”。在庞之浩看来,月球车是中国最高智能的机器人,全部自主导航,自己选路线、上坡、下坡、避开障碍,自己指挥身上的仪器操作,最后把数据传回地球。

据了解,月球车金光闪闪是穿上了一套特殊材料制作的外衣,是一层层比羽毛还轻的保温膜,这种保温膜由膜状物和网状物间隔拼叠而成,共有15层。此外还有一种银色膜主要用来反射太阳光和散热,金银外衣组成了一个天然的空调系统。

很长一段时间,月球车由哪个单位制造,并没有明确的说法。庞之浩透露,“玉兔”月球车由中国空间技术研究院牵头,集众多科研单位研究成果于一身,各个研究单位的优势得到了已有体现。

直到2006年6月27日,由中国空间技术研究院承担的国家科技攻关计划“月球探测车制导导航技术研究”通过了科技部组织的国家级验收,并从7月12日开始在月球环境相似的甘肃与宁夏交界处腾格里沙漠边缘的沙漠腹地进行月球车野外试验,此后,中国空间技术研究院研制的月球车才进入公众视野。

“嫦娥三号任务系统的探测器系统由中国空间技术研究院抓总,探测器有效载荷由中国科学院空间科学与应用研究中心抓总。”庞之浩告诉《中国新闻周刊》,这是最严谨的说法。

据《中国新闻周刊》了解,中国空间技术研究院介入月球车的研制可以追溯到2003年,当年2月,北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在中国空间技术研究院网站发表名为《开发我国月球车的初步设想》的文章,文章称,北京控制工程研究所承担了“月球表面探测机器人方案研究”的863项目,并取得了一些成果。

贾阳是中国空间技术研究院月球车课题组的负责人之一,在2006年的一次访谈中透露,他的团队在吸取了其他科研单位在移动、导航方面的经验后,与多家研究单位形成了联盟。最终登月的“玉兔”月球车是多家科研单位合作的结果,哈工大主要负责制作它的移动系统和底盘,沈阳自动化所做的是机械臂。

尽管逃不脱国外月球车的影子,但中国的月球车并不是克隆产品。月球车的每项技术都打上了中国制造的名字,核心技术完全自主开发。

“月球车上的技术在其他航天领域也会得到应用,并不止步于探月。”贾阳此前表示,关键技术掌握了,稍做改装还可以投入火星探测之用。考虑到月球与火星星球环境的不同,会做适当改进,不过移动、导航、自主性的大框架还是一致的。

中国登月下一步

所有参与航天活动的国家都承认,航天是一项风险极高的事业,几乎都曾饱尝过失败的苦涩。中国探月工程首席科学家欧阳自远坦言,探月工程经受不起失败。特别是嫦娥三号80%的产品和技术都是新的,更增加了风险。

即使是在相对成熟的发射阶段,其运载火箭必须满足高可靠性、高安全性和高质量的“三高”要求,这种要求极为苛刻。

航天专家透露,在完全串联系统中,若火箭零部件的可靠性为0.99999,即10万个零件中有故障的不多于1个,这种情况下组装的火箭的可靠性却只有可怜的0.37,也就是发射3枚火箭就有可能失败1枚。而要使火箭的可靠性达到0.9999,就要求零件的可靠性达到0.99999999,也就是说,1亿个零件中,不可靠的都不能多于1个。

此次执飞嫦娥三号发射任务的是长征三号乙增强型运载火箭。长征三号乙是中国目前运载能力最大、技术最先进、构成最复杂的运载火箭,代表中国目前运载火箭技术的最高水平,在世界航天界也居前列。

长征三号乙增强型火箭在长征三号乙火箭的基础上开展了六大专项技术攻关,科研人员借鉴成功率更高的用于载人航天发射的长征2F技术对长三乙运载火箭进行了9项可靠性增长改进项目,飞行可靠性由原来的0.938提升至0.942,以确保嫦娥三号完美落月。

尽管有风险,但中国探索太空计划依然雄心勃勃。

按照此前中科院发布的中国科技发展路线图,其中2050年空间科技发展路线图明确提出,2030年前后中国实现载人登月,建立月球基地,2050年前后,载人飞行从月球基地飞向更远的行星,具备载人登火星能力。

“载人登月目前尚没有时间表和明确的、精细的路线图。”庞之浩认为,载人登月、建立驻月基地以及载人登火星只是科学家的建议,目前中国探月工程进展至“绕”“落”“回”三步中的第二步。

“若嫦娥三号一切顺利,嫦娥四号则会做一些改进,更换落月点。”庞之浩告诉《中国新闻周刊》,嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,其任务与嫦娥三号一样。

中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远同样在嫦娥三号发射前勾画了探月工程的未来,嫦娥五号要降落在月球上,探测取样后实现月面起飞,然后绕月飞行。由于嫦娥五号没有能量飞回地球,需要在发射嫦娥五号时,同时发射一条飞船在月球外面绕飞,在月球轨道等嫦娥五号上来与其交会对接,并将其带回地球。

由于嫦娥五号的有效载荷太重太大,需要研制新火箭进行发射。据了解,新的长征五号火箭正在研制中,这是一款直径为5米的重型运载火箭,目前已突破多项关键技术,进入到试样阶段,并预计于2015年左右在中国海南省文昌卫星发射中心首飞。


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