鄂元娟|为何“天问一号”火星车不像“好奇号”一样搭载核电池？
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今年7月23日 ， 我国第一个火星探测器－“天问一号”在海南文昌成功发射升空 ， 预计于明年2月份到达火星进入火星运行轨道 ， 此后环绕火星再运行两个多月的时间 。 在这两个多月的时间里 ， 探测器将先后开启若干有效载荷 ， 对火星的表面进行认真深入地监测和分析 ， 从而选择合适的降落地点和降落时机 ， 从而确定最终的探测器与着陆器分离的着陆窗口 ， 届时 ， 着陆器将搭载着火星车开启非常具有纪念意义的着陆征程 。
在天问一号火星车上 ， 搭载着众多有效载荷 ， 比如多光谱相机、次表层探测雷达、表面磁场探测仪、地形相机、表面成分探测仪、气象测量仪等 ， 在火星表面工作期间 ， 可以全方位、立体化地呈现火星表面的地球地貌特征 ， 监测分析火星土壤组成、磁场及分布情况、火星表面的气象环境、表面冰层结构、探测到表面以下10-100米内部结构等 。 于此同时 ， 为了提高火星车在工作期间的“自主探测与调节”能力 ， 还为其配备了路径规划、障碍物识别等环境感知功能 。 “天问一号”探测器及其搭载的火星车 ， 将成为世界上第一个集“环绕监测、着陆和巡视探测”三大功能于一体的综合性探测器 。
从已公开的资料来看 ， 天问一号火星车的能源输入依靠的是4片太阳能电池板 ， 通过将太阳能转化为可供各种载荷使用的电能 。 而对比之前美国“好奇号”、以及我国在探月工程中嫦娥4号中所使用的能源获取方式 ， 使用的都是同位素差电池 ， 也就是利用放射性材料在核裂变过程中所释放的能量 ， 驱动具有温差电材料产生热电效应 ， 从而实现将核能转化为电能的目的 。 与传统的利用太阳能板获取能量 ， 这种核电池具有质能比高、耐受度强、寿命长等优点 ， 那么为何我国此次在“天问一号”火星车上没有搭载这样的核电池呢？
我们在判断一件事运用哪种方案 ， 一般情况下取决于工作目标的选择、经济性和安全性这三大因素 ， “天问一号”火星车之所以没有搭载核电池这种方案的确定 ， 也离不开这三种因素的影响 ， 下面逐一简要分析一下 。
从工作目标上看 ， “天问一号”火星车与“好奇号”既有相同性 ， 也有不同性 。 相同性体现在都是为了实地探测火量表面的地形地貌、自然环境以及土壤组成等研究目标 ， 不同性体现在任务的工作量和机动性上 。 “好奇号”在设计时 ， 其预定的工作时长达到了4年之久 ， 而且需要不定期地变换工作所在地点 ， 所以搭载的核电池重量非常重 ， 这样才能够支撑其工作任务和随时移动较长距离所需 。 从我国的“天问一号”火星车来看 ， 其预定的执行任务时间仅有3个月左右 ， 需要行进的路程不是太长 ， 再加上我国的火星车总重量与“好奇号”也相差较大 ， 这些因素决定了我国火星车上的供电可以采用太阳能供电模式 。
从工作的经济性来看 ， 以放射性物质钚－238为“燃料”的同位素温差电池 ， 由于其半衰期长达80多年 ， 因此适合距离地球较远的深空探测 ， 理论上钚－238的能量转换效率是比较高的 ， 但是由于电池技术、材料的纯度、热电转换附加装置等方面的限制 ， 实际上能量的转换效率较低 ， 甚至很难达到10% ， 如果要使用这种电池进行长期的深空探测 ， 就必须在增加电池重要上下功夫 ， 也就是要携带足够多的放射性物质－钚238 ， 那么无疑会大大增加发射的成本 ， 同时也加大了火星车的荷载 ， 对于工作时间不太长的探测任务 ， 比如我国即将登陆的火星车 ， 则没有必要非得远用核电池 ， 4块太阳能板就已经能够支撑6个主要载荷设备正常工作了 。
【鄂元娟|为何“天问一号”火星车不像“好奇号”一样搭载核电池？】从工作的安全性来看 ， 实话实说 ， 我国在这个方面的技术 ， 与美国相比仍然有不少的差距 。 拿我国曾经在月球上开展实验的嫦娥4号月球车所搭载的核电池来看 ， 其能量转换效率还不到千分之一 ， 而美国的“好奇号”火星车的核电池 ， 这个效率达到了近百分之零点五 ， 是我国的近50倍 。 我国嫦娥4号月球车所搭载的核电池 ， 其主要应用目的还是验证我国自主研发的核电池 ， 在较大的温差下的耐受性问题 ， 在火星探测上已经不再需要进行测验 。 另外 ， 核电池技术虽然已经在深空探测上得到了较多的应用 ， 但是均未达到100%的安全利用率 ， 即使美国也有一些探测器在工作期间发生了意外 ， 导致故障甚至爆炸 ， 直接影响到深空探测的成败 。 所以为了安全考虑 ， 同时结合探测的工作任务 ， 目前大部分的探测器仍然采用的是太阳能板供能技术 。
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