安装|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

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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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。
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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。
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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。
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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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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。
【 安装|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】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:
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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?
一个小圆柱,满是高科技
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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。


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