嫦娥四号和月球车在月球背面,如何获得电力?

采用非常传统的太阳能电池板+充电电池,不过还有热源保温。

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这种技术从人类历史上第一个月球车(1970年)、苏联的月球车一号(Lunokhod 1)就开始了,上图中蓝色的就是太阳能电池板,肚子里装的有电池和热源(图自Petar Milošević)。太阳能电池板工作,电池充能,对于嫦娥三号和玉兔来讲,也是如此,这是主要能源。

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他们侧面都有太阳能电池板。

不过月球有非常奇葩的一点:被地球潮汐锁定,它的一年(围绕地球公转)等于一天(自转)。因而月球上半年/天是白天,半年/天是黑夜,一轮就是一个月,大概28天,月球正面和背面都是如此。

在白天时,月球上太阳能极其充沛,太阳能电池板充能,所有系统工作。晚上没办法,只能冬眠。

但这就涉及一个重要问题:晚上温度太低了,仪器有可能冻坏,毕竟那是零下180摄氏度的超低温,需要保温。但是如果直接用储备下来的电能去给仪器保温,非常不现实,太浪费。

于是就会使用小型的放射性同位素去保温,最经典的就是钚-238同位素,它会不断衰变不断释放热量,半衰期达到88年之久。

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如果把热量收集起来,用一个热电转换器,就能获得电能,成为著名的放射性同位素电机,或者传说中的核电池。很多著名的探测器,例如先锋10/11,旅行者1/2,维京海盗1/2,好奇号火星车,都靠这个核电池度日,因为它们面对的情况是太阳能根本不够。

虽然这种核电池非常贵,按照每公斤千万美元计,但没得选也需要硬着头皮上。

而对于月球探测,并没有必要依靠核电池产生电能,太阳能足够,只用核能保暖即可,嫦娥三号,玉兔号月球车,都是这种方案。嫦娥四号也使用了放射性同位素电机作为能量来源,不仅起到保温效果,这套系统还是很成熟的,嫦娥三号任务时,虽然玉兔号不幸中途出了故障无法行动,但它和嫦娥三号探测器本身却早在2016年(地球年),就成为人类在月球表面工作时间最长的月球车和探测器。按照月球历法的话,它们工作几十年后才谢幕。

可能是因为觉得嫦娥四号和地球之间被月球遮挡,问题是太阳并不会被挡住,所以当然还是可以使用天阳能电池板作为所谓的一次电源,然后在日照期间给电池充电。由于月影期很长,半个月,电池的能量无法支撑所有设备运转,所以就必须关闭大部分仪器,只保留最必须的控制系统,然后在下一个月球白天到来时,重新唤醒探测器。

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实际上月球虽然距离地球的平均距离达到38万公里,但相对太阳,这个距离其实没啥变化,所以太阳能密度也很接近。真正的深空探测,越到太阳系边缘,能源的获取问题就成为大问题。正因为如此,许多深空探测器,比如卡西尼号,就使用了同位素发电机,卡西尼的电力是由32.7千克钚-238提供,把放射性衰变热能转化成电能。在巡航期间,惠更斯的电力也由卡西尼提供;分离后则使用化学电池。放射线同位素电机不仅可以用来发电,衰变过程中产生的热还可以用来帮助探测器渡过寒冷的月夜,这么做比直接用电池储存的电能取暖经济的多。

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下面稍微扯得远一些,聊一聊星际旅行的能源和动力问题。

人类真正要去遥远的太空旅行,动力问题是首先需要解决的关键问题。航天发展这么多年,关于如何在太空旅行中获得能量并产生为有效的推力,一直是科学家和航天工程师大开脑洞的好地方。虽然大家产生了很多新想法,每过几年,还会开一次学术会议讨论这个问题,但基本都停留在纸面上,NASA虽然赞助过比如核动力推进的试验,但也都算不上成功。

星际推进技术问题具体来说就是用何种燃料、如何获得燃料以及燃料如何转化为动力。目前看来,最靠谱的未来推进技术主要是离子推进和太阳帆推进技术。

等离子推进的基本原理非常简单,就是利用电磁场加速中性气体,高速推出,产生推力。这种技术实际上已经成为现实,在许多航天器上都有使用,但主要的问题是目前能够实现的推力很小,很适合用于在轨航天器的轨道控制,但是用它来推动一艘巨大的星际旅行飞船还不现实。

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等离子推进

太阳帆推进技术的源头最早可以追溯到儒勒凡尔纳1865年的科幻小说《从地球到月球》,到20世界20年代,齐奥尔科夫斯基和戈达德都认真分析过太阳帆推进的可能性。它的基本原理是利用太阳光作用于一个巨大的船帆,由于光子都有一定的动量,当光子撞在帆上被吸收时,按照动量守恒原理,帆就会获得动量增量,这就是光的压力,从而产生持续的推力。2010年发射的日本“伊卡洛斯”号金星探测器首次使用太阳帆推进的航天器,14平方米的太阳帆能够得到约0.2g的推力。别小看这么小的推力,因为没有重力和空气阻力,而且几乎不需要再额外消耗燃料,只要还在天阳系内,“伊卡洛斯”号就可以持续获得加速。后来的隼鸟号探测器也通信使用了太阳帆推进技术。

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太阳帆推进

虽然太阳帆推进技术已经被验证可行,但将其实际应用于规模大很多的载人飞船,仍然充满挑战。

可控核聚变推进的概念早在1955年就由丹德里奇-科尔提出,这一构想的基本思路是在火箭底部不断引爆一个个的小型核弹,然后利用爆炸产生的后坐力推动火箭。这个想法的学术名字叫做核脉冲式火箭,虽然听上去惊世骇俗,而且简单粗暴,不过NASA还是认真考虑了这一思路,并且用常规炸药做了试验,后来被放弃。

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除了这些理论上靠谱的未来推进技术,还有许多科学家大胆设想了一些更加超前的概念设计,这些方案还仅仅停留在理论探索的范畴,在可预见的未来都看不到工程实现的可能。其中最酷的要算物理学家阿库别瑞在1994年的论文中提出的“曲速引擎”。曲速引擎的基本思路是在一艘足球状的飞船四周构造一圈巨大的环形装置,使飞船外部产生一个围绕自身的弯曲时空,也就是“曲速泡”。如果让飞船前方的空间收缩而后方的空间扩张,飞船就可以一个区间内乘着波动前进。相当于船本身不动,而是曲速泡带着飞船前进。

因为飞船本身处于没有扭曲的平坦时空中,这样就可以在不违背广义相对论光速恒定原理的基础上,让飞船超光速飞行。有物理学家声称曲速引擎可以达到10倍光速。虽然阿库别瑞的理论在数学上成立,但是曲速引擎的实现需要负能量,这可就让工程师们无从下手了。这种负能量也叫做“奇异物质”,虽然理论上可以存在,但毕竟现在还没有任何关于负能量在宇宙中存在的直接证据。在著名的系列科幻电视剧《星际迷航》中的NCC-1701“企业号”飞船,就号称是使用了曲速引擎的从而实现超光速星际飞行。

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NCC-1701“企业号”飞船

相比起来,穿越虫洞的星际旅行技术就比上面各种千奇百怪的推进技术省事多了。当然,穿越虫洞更像是走了一段宇宙中的捷径,即使可行,二者也不能互相替代。

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