據(jù)英國廣播公司(BBC)網(wǎng)站報道，對于飛船而言，電力系統(tǒng)是一個核心組成部分。它們必須能夠在極端環(huán)境條件下仍然保持極高的可靠性。然而，隨著現(xiàn)代飛船技術(shù)愈發(fā)復(fù)雜，其對于電力系統(tǒng)的要求也是越來越苛刻，那么未來的推進系統(tǒng)將會如何發(fā)展?
盡管70年代發(fā)射的美國旅行者飛船的推進系統(tǒng)在技術(shù)上并不先進，但它仍然持續(xù)正常工作了超過38年
美國宇航局的“小行星轉(zhuǎn)向項目”(Asteroid Redirect Mission)將采用新一代太陽能帆板技術(shù)，其效率更高，壽命也更長
令人震驚的高可靠性與長壽命
脆弱性似乎是現(xiàn)代電子設(shè)備的通病——你的智能手機如果不充電，恐怕連一天都難以堅持。然而相比之下，航天器的耐用性往往會讓你感到震驚：38年前發(fā)射升空的旅行者號飛船至今仍在工作，向我們傳回關(guān)于太陽系邊緣的重要信息。這艘飛船每秒鐘能夠有效處理81000條指令，而相比之下，你手里的智能手機的信息處理能力要比這高出大約7000倍。
當然，你的智能手機之所以在電池依賴性方面表現(xiàn)如此之差，是因為它的設(shè)計本來就需要每天充電的，而且它也幾乎不可能會出現(xiàn)在遠離地球數(shù)百萬甚至數(shù)億公里外的宇宙空間的情況。而相比之下，如果一艘飛船沒電了，而最近的充電樁距離它也有數(shù)十億公里遠，那么要想給它充電就顯得不太現(xiàn)實了。因此，一艘打算在太空中飛行數(shù)十年的飛船，要么一開始就用某種方法存儲上足夠的電量，或者就得在途中自己想辦法發(fā)電。事實證明，說起來容易做起來難，這事兒還要想成功實現(xiàn)還是很難的。
盡管飛船上搭載的電子設(shè)備很多只是偶爾需要電力供應(yīng)，但也有一部分設(shè)備是必須確保不間斷供電的，比如信號接收機和發(fā)射機必須時刻處于通電狀態(tài)，而如果是載人飛船，那么生命維持系統(tǒng)和照明系統(tǒng)也同樣將是不能關(guān)閉的。
勞·蘇拉普迪博士(Dr Rao Surampudi)是美國加州噴氣推進實驗室(JPL)的電力技術(shù)項目主管。在過去的30年間，他一直致力于為美國宇航局的各類航天器開發(fā)電源系統(tǒng)。
根據(jù)蘇拉普迪博士的說法，一般情況下航天器的電源系統(tǒng)會占到整個航天器質(zhì)量的大約30%，并且一般可以分解為三大部分：發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及電源管理及分配系統(tǒng)。
這些系統(tǒng)對于飛船來說絕對是必要而關(guān)鍵的，而為了適應(yīng)飛船的特殊使用條件，它們在質(zhì)量和設(shè)計上會有一系列嚴苛的要求——首先質(zhì)量必須足夠小，以便提升所謂 “能量密度”，也就是說它必須能夠在足夠小的體積內(nèi)產(chǎn)生足夠強大的電力;同時它必須具有長壽命的特點，且高度可靠，因為在發(fā)射之后，如果飛船電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時候再要想派工程師前去維修顯然是不現(xiàn)實的。
這套供電系統(tǒng)不僅必須能夠確保每一件飛船搭載設(shè)備的電力使用需求，它還必須確保在整個飛船的使用壽命內(nèi)能夠持續(xù)提供這樣的電力支持——這樣的時間可能是幾年，幾十年甚至上百年。蘇拉普迪博士表示：“設(shè)計的使用壽命必須足夠長，因為一旦發(fā)生故障，你是不可能有什么維修或挽救機會的。舉例來說，飛往木星需要5~7年，飛往冥王星需要超過10年，而要想離開我們的太陽系，你需要連續(xù)飛行 20~30年。”
考慮到飛船運行環(huán)境的特殊性，飛船電力系統(tǒng)還必須能夠在零重力和高真空環(huán)境下正常運作，同時必須經(jīng)受超強輻射環(huán)境和極端溫度的考驗。蘇拉普迪博士說：“如果你的探測器打算在金星表面著陸，那邊的溫度是460攝氏度。而如果你打算沖入木星大氣層，那么那里的溫度是零下150 度。”
很多在內(nèi)太陽系區(qū)域飛行的探測器都會安裝太陽能帆板，通過太陽能進行發(fā)電?；蛟S從外觀上看上去你會覺得這些飛船安裝的太陽能帆板跟自己家里使用的同類設(shè)備并無不同，但實際上，航天器所使用的太陽能板在發(fā)電效率和可靠性上要遠遠超過普通的民用產(chǎn)品。
不過，在內(nèi)太陽系區(qū)域飛行的航天器太陽能帆板也有可能因為距離太陽太近而發(fā)生過熱現(xiàn)象，此時飛船就需要調(diào)整自己的太陽能帆板位置，從而使其避開太陽的灼熱光芒。
隨著飛船進入一顆行星的軌道，飛船的太陽能帆板產(chǎn)能效率將會下降，由于行星陰影的周期性遮擋，飛船太陽能板將無法產(chǎn)生像此前那么多的電能，在這樣的情況下，我們就需要一套高效的電力儲能設(shè)備。
美國宇航局正在研發(fā)的“先進斯特林同位素熱電機”(ASRG)將為未來的長期太空任務(wù)提供電力支持
如果采用核電技術(shù)，未來我們?nèi)ネ渌乔蚪⒅趁竦貢r，甚至不需要專門攜帶一臺發(fā)電機，因為我們的飛船本身就攜帶了一座核電站!
原子能帶來的啟示
其中一種備選方案是鎳氫電池，其可以反復(fù)充放電超過5萬次，使用壽命超過15年。與無法在太空環(huán)境下使用的普通商業(yè)級電池組不同，這些特制的鎳氫電池組都是封閉系統(tǒng)，從而可以在真空環(huán)境下正常工作。
隨著飛船遠離太陽，太陽能帆板的產(chǎn)能效率逐漸下降，從地球軌道附近的每平米1374瓦特下降到木星軌道附近的每平米50瓦特，而到了冥王星軌道附近，這一數(shù)字更是下降到了不到每平米1瓦特。因此，當一艘探測器計劃飛行到木星軌道之外，那么科學(xué)家們就傾向于不再使用傳統(tǒng)的太陽能帆板，而是采用核動力裝置為飛船供電。
其中最常見的是所謂的“放射性同位素熱電發(fā)電機”(RTG)，這套系統(tǒng)已經(jīng)被安裝在了旅行者號、卡西尼號飛船和好奇號火星車上。這些都是完全一體化的固體設(shè)備，整體上沒有任何可移動部件。其原理是通過放射性元素，如钚的衰變產(chǎn)生熱量，一般使用壽命在30年以上。
而當條件不允許使用RTG電池，比如說載人飛船上由于考慮到放射性衰變產(chǎn)生的輻射屏蔽問題;但與此同時到太陽之間的遙遠距離又不允許使用太陽能帆板時，燃料電池就有了它的用武之地。
氫氧燃料電池在此前美國執(zhí)行的阿波羅和雙子座載人航天項目中被廣泛使用。盡管這種電池是無法再次充電的，但其儲能性能很不錯，并且唯一產(chǎn)生排放物就是水蒸氣，在冷凝之后還可以作為宇航員的飲用水來源。
美國宇航局(NASA)和噴氣推進實驗室(JPL)持續(xù)開展的相關(guān)研究工作未來將讓電力系統(tǒng)能夠產(chǎn)生并存儲更多電力并維持更長的使用壽命。畢竟，新型飛船正對越來強大的儲能設(shè)備提出需求，因為這些飛船和上面搭載的系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，同時也越來越耗電。
這種對于電力的高需求尤其出現(xiàn)在那些采用全電推進系統(tǒng)的航天器上，如1998年首先在“深空一號”探測器上測試的離子推進器，而現(xiàn)在這種系統(tǒng)已經(jīng)在不同航天器上得到廣泛應(yīng)用。電力推進通常是采用高速電驅(qū)推進劑實現(xiàn)驅(qū)動的，但也有一種被稱作“電動力繩系”的技術(shù)，可以利用行星磁場的能量實現(xiàn)飛船驅(qū)動。
在地球上我們所使用的大部分電力系統(tǒng)到了太空都會變得無法運作?；谶@個原因，任何空間電力系統(tǒng)在被安裝到飛船上之前都必須經(jīng)過嚴苛的軌道環(huán)境測試。美國宇航局和噴氣推進實驗室利用它們的環(huán)境仿真實驗室檢驗新技術(shù)在嚴酷環(huán)境下的性能表現(xiàn)，方法通常包括使用強烈輻射轟擊精密部件和系統(tǒng)，并將其暴露于極端溫度環(huán)境下測試其性能。
未來的技術(shù)發(fā)展
當前，研究人員正在為未來的空間探測任務(wù)研發(fā)“斯特林放射性同位素發(fā)電機”(SRG)。基于現(xiàn)有的RTG技術(shù)，這種新型同位素發(fā)電機的發(fā)電效率遠高于其基于熱電同類，且它的體積可以做到非常小，當然也有代價，那就是其技術(shù)的復(fù)雜程度也將隨之大大上升。
美國宇航局在規(guī)劃未來前往木衛(wèi)二的探測任務(wù)時，也在考慮研發(fā)新型電池類型。這種電池可以適應(yīng)在零下80攝氏度至零下100攝氏度的極端低溫環(huán)境下正常使用。先進的鋰離子電池技術(shù)也正在被不斷改進，以便將其儲能量從現(xiàn)在的水平上提升一倍。這些舉措將大大提升電池的能量密度，從而在未來允許宇航員可以在太空連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的時間大大延長。
太陽能帆板技術(shù)也正在同步推進研發(fā)，新型太陽能帆板能夠適應(yīng)在遠離太陽，光照強度弱，溫度極低的環(huán)境下正常工作。這樣的技術(shù)進步意味著未來借助太陽能帆板的探測器或許將能夠在更加遠離太陽的空間區(qū)域執(zhí)行探測任務(wù)。
在未來的某個時間點，美國宇航局將會尋求在火星上建立一個永久性的人類基地，而在更加遙遠的未來，這樣的人類基地或許也會出現(xiàn)在其他太陽系天體上。從這些角度考慮，現(xiàn)有的太空供電系統(tǒng)在未來也將面臨大型化的壓力，以便能夠為這樣的長期、超大型的太空項目提供電力支持。
月球上富含氦-3，這種元素在地球上非常罕見，是核聚變反應(yīng)的理想原料。然而，目前我們?nèi)祟惖募夹g(shù)還無法做到讓核聚變能量作為一種穩(wěn)定而可靠的飛船能源。并且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都極其巨大，一般都需要一間大型房間才能容得下，根本沒有辦法安裝到飛船上。
那么核反應(yīng)堆呢?核反應(yīng)堆使用核裂變技術(shù)，這是目前人類已經(jīng)成熟掌握的發(fā)電手段。看起來對于那些采用全電力推進，或是未來計劃在月球及火星表面長期駐留的太空任務(wù)會比較適合采用這種能源方式——如果真是這樣，我們?nèi)ネ鹦墙⒅趁竦貢r，甚至不需要專門攜帶一臺發(fā)電機，因為我們的飛船本身就攜帶了一座核電站!
采用核電推進技術(shù)的飛船已經(jīng)被考慮作為未來太空長期飛行任務(wù)的備選方案。蘇拉普迪博士表示：“美國宇航局的‘小行星轉(zhuǎn)向項目’(Asteroid Redirect Mission)將會安裝大型太陽能帆板，以便能夠提供足夠電力讓飛船在小行星之間機動飛行。”他說：“在當前階段，我們考慮的仍然還是太陽能驅(qū)動的方案，但在未來如果能夠采用核電系統(tǒng)，那么整個項目的花費將會更少。”
不過，要想看到安裝核電系統(tǒng)的飛船，我們或許還需要等待很多年。蘇拉普迪博士表示：“這項技術(shù)在當前還不夠成熟。我們需要確保在發(fā)射時它是足夠安全的。”為了確保這一點，必須開展各種嚴苛的測試，以便確認這類設(shè)備在火箭發(fā)射及太空飛行期間的極端壓力環(huán)境下是安全的。
盡管很多還仍然處在前期論證階段，但所有以上這些提到的新型電力技術(shù)在未來將讓我們的飛船能夠飛行地更久，更遠。一旦這些技術(shù)成熟，在我們規(guī)劃未來飛往火星或更遙遠地方的探測任務(wù)時，它們都將成為不可或缺的關(guān)鍵部件。
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