核動力優勢明顯，天問一號為什麼還要使用太陽能？

出品：科普中國

製作：川陀太空

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2020年7月23日12時41分，我國首次火星探測任務天問一號探測器在中國文昌航天發射場升空。目前，天問一號飛行狀態良好，探測器已脱離地球引力影響範圍，進入行星際轉移軌道，飛離地球超過150萬公里。

△這是7月27日“天問一號”探測器利用光學導航敏感器拍攝的地月合影。（國家航天局提供）

這次火星探測從立項到發射只用了4年的時間，2016年國家批准立項，任務目標是通過一次發射任務完成對火星全球進行一次綜合性的探測，同時對火星表面展開區域巡視，任務目標將通過軌道器、巡視器完成。

發射前夕，7月22日，中國火星探測工程對外發布了1：1的天問一號着落平台和巡視器的外貌。天問一號巡視器的質量為200公斤，巡視器上有6個車輪，攜帶6台科學儀器。6台儀器分別是：多光譜相機，可以拍攝火星表面環境；次表層雷達，能用於探測火星表層下方的地質結構；成分探測儀，可以分析火星岩石的成分；磁場探測器，可以研究火星磁場；氣象測量儀，可以對着陸區周圍的氣象環境進行測量；以及一台地形相機，用來幫助巡視器規劃路線。

△天問一號組合體飛行器結構圖，圖片來源：中國航天

△天問一號着陸器結構圖，整流罩下面是着落平台，圖片來源：環球網

天問一號巡視器設計壽命為3個月，那麼問題來了，要完成這麼多火星探測任務，誰為巡視器提供動力呢？

探測器的動力來源都有哪些？

目前，探測器的動力來源主要是太陽能和核電池。

從性能上看，核電池不依賴光照，能夠自主產生能量，能量密度大，而且穩定性好，工作時間長。

美國宇航局在1977年發射的旅行者系列均採用了核電池，2015年抵達冥王星的新視野號也安裝了核電池。旅行者1號之所以能夠在1977年入軌，時隔40多年後仍然與地球保持聯繫，最大的原因就在於使用了核電池。

△美國宇航局核電池示意圖，圖片來源：美國宇航局

美國目前使用最多的核電池為鈈-238同位素，半衰期為87.7年，迄今已經有200多個探測器使用了鈈-238同位素電池。目前正在火星上行駛的好奇號火星車採用的是核動力裝置，全稱為放射性同位素熱電機，利用鈈-238作為燃料。核動力的優勢是穩定，可以在任何情況下提供125瓦的功率輸出，美國宇航局預計在14年後還剩100瓦功率。

△鈈238核電池結構圖，圖片來源：NASA

核電池不僅可以為自己保温，還能為儀器供電，持續工作。

嫦娥 4號上就搭載了中俄聯合研發的核電池技術，如果沒有核電池介入，嫦娥4號的工作壽命會降低，這是因為蓄電池與砷化鎵太陽能電池陣列的組合會出現功率降低的問題，不適合長期在月面惡劣的環境下使用。在長達半個月的月夜時，如果沒有核電池供電，為儀器保温，儀器極可能會被凍壞。

為什麼天問一號火星車要使用太陽能作為動力來源？

天問一號巡視器作為第一個登陸火星表面的中國火星車，採用了太陽能作為能量來源。

△天問一號火星車示意圖，圖片來源：中國航天

火星軌道與太陽的距離比火星與地球要遠，這説明火星上接收到的光照強度要比地球上接收到的弱得多。而地球軌道上的光強每平方米大小面積上可達到1353瓦的數值，在火星表面，每平方米大小面積上的光強為590瓦，只有地球的40%左右。假如人能站在火星上看太陽，會發現太陽不是那麼刺眼。以上數據還是一個平均數，我們仍然需要考慮火星軌道與太陽之間近日點和遠日點的差值，綜合來看，軌道光強數據在500至700之間，在近日點的時候，光照強度會大一些，如果火星在遠日點，就小一些。

另一個方面，相比於月球環境，月面接近真空，不存在雲層遮擋、沙塵等問題，火星的環境要複雜得多，火星表面有沙塵暴，一次爆發還會持續數週。

歷史上，美國宇航局多個火星着陸器和火星車都使用了太陽能電池板技術。以機遇號火星車為例，使用的電池板平均輸出功率為140瓦，隨着火星沙塵的靜電覆蓋、火星季節性光照變化，輸出功率會降低到50瓦，預計使用2至3年的時間內，轉換效率將會降至原來的40%左右。

這樣的情況下，天問一號巡視器為什麼還要用太陽能作為動力來源，而不用較穩定的核電池呢？

只能説，在目前的條件下，這個設計是非常符合現狀的。

使用核電池也並不是百利而無一害。首先，使用核電池對火箭發射的安全係數有更高的要求，一旦發射出現問題，鈈-238會對地面環境造成核輻射危害。美國此前也發生過鈈-238核電池事故，導致鈈-238被釋放到大氣中，造成核污染。

其次，雖然我國也掌握了一些核電池技術，但核電池太複雜，質量太大，容易出問題。要在天問一號巡視器上使用，過於冒險。為了穩妥起見，天問一號巡視器使用的是太陽能電池板，與嫦娥4號上的三結砷化鎵太陽能電池陣列相當，但是數量上多了一些，有4片，面積更大。

△天問一號4片太陽能電池板，後期有可能上核電池，圖片來源：中國航天

但不得不承認，如果條件允許的話，核動力才是最佳的選擇。

核動力或是未來太空探索新趨勢

雖然火星上能接收到的太陽光照強度相比地球減弱了很多，但是還是能夠支持巡視器完成探測任務。對於太陽系中的其它離太陽更遠，或是能接收到的太陽光照更弱的行星，核電池或許是唯一的選擇。

例如，距離地球最近的行星是金星，金星表面被濃厚的雲層覆蓋，可反射掉90%的光照，根本無法獲得足夠強的光照。目前在金星表面存活下來的探測器最長倖存時間為110分鐘，不到2個小時。如果我們要發射探測器在金星上着落，要想長時間存活，還需要靠核電池。

如果向太陽系外側軌道行星進軍，我們還將面對輻射環境更加惡劣的木星，在木星軌道上，平均光照強度僅為地球軌道的3.4%，非常昏暗，太陽目視效果會變得更小。如果要在木星的衞星羣上軟着陸，必然要使用到核電池。

超出木星軌道之外的行星為天王星、海王星，要想對這兩顆冰巨星及其衞星進行探測，核電池是必不可少的。

“天問一號”已經開啓了中國航天對行星探索的大門，核動力將是下一個突破口，打造一款成熟的中國製造核動力電池，將是一種趨勢。當我們逐漸掌握核電池技術之後，未來的中國火星車一定會採用核電池作為動力，這樣可以鑽入火星熔岩洞穴進行長時間探索，太陽系的行星上將遍佈中國製造探測器。