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天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？

出品：科普中国
制作：川陀太空
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2020年7月23日12时41分 ， 我国首次火星探测任务天问一号探测器在中国文昌航天发射场升空 。 目前 ， 天问一号飞行状态良好 ， 探测器已脱离地球引力影响范围 ， 进入行星际转移轨道 ， 飞离地球超过150万公里 。
天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
△这是7月27日“天问一号”探测器利用光学导航敏感器拍摄的地月合影 。 （国家航天局提供）
这次火星探测从立项到发射只用了4年的时间 ， 2016年国家批准立项 ， 任务目标是通过一次发射任务完成对火星全球进行一次综合性的探测 ， 同时对火星表面展开区域巡视 ， 任务目标将通过轨道器、巡视器完成 。
发射前夕 ， 7月22日 ， 中国火星探测工程对外发布了1：1的天问一号着落平台和巡视器的外貌 。 天问一号巡视器的质量为200公斤 ， 巡视器上有6个车轮 ， 携带6台科学仪器 。 6台仪器分别是：多光谱相机 ， 可以拍摄火星表面环境；次表层雷达 ， 能用于探测火星表层下方的地质结构；成分探测仪 ， 可以分析火星岩石的成分；磁场探测器 ， 可以研究火星磁场；气象测量仪 ， 可以对着陆区周围的气象环境进行测量；以及一台地形相机 ， 用来帮助巡视器规划路线 。
天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
△天问一号组合体飞行器结构图 ， 图片来源：中国航天
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△天问一号着陆器结构图 ， 整流罩下面是着落平台 ， 图片来源：环球网
天问一号巡视器设计寿命为3个月 ， 那么问题来了 ， 要完成这么多火星探测任务 ， 谁为巡视器提供动力呢？
探测器的动力来源都有哪些？
目前 ， 探测器的动力来源主要是太阳能和核电池 。
从性能上看 ， 核电池不依赖光照 ， 能够自主产生能量 ， 能量密度大 ， 而且稳定性好 ， 工作时间长 。
美国宇航局在1977年发射的旅行者系列均采用了核电池 ， 2015年抵达冥王星的新视野号也安装了核电池 。 旅行者1号之所以能够在1977年入轨 ， 时隔40多年后仍然与地球保持联系 ， 最大的原因就在于使用了核电池 。
天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
△美国宇航局核电池示意图 ， 图片来源：美国宇航局
美国目前使用最多的核电池为-238同位素 ， 半衰期为87.7年 ， 迄今已经有200多个探测器使用了钚-238同位素电池 。 目前正在火星上行驶的好奇号火星车采用的是核动力装置 ， 全称为放射性同位素热电机 ， 利用钚-238作为燃料 。 核动力的优势是稳定 ， 可以在任何情况下提供125瓦的功率输出 ， 美国宇航局预计在14年后还剩100瓦功率 。
天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
△238核电池结构图 ， 图片来源：NASA
核电池不仅可以为自己保温 ， 还能为仪器供电 ， 持续工作 。
嫦娥 4号上就搭载了中俄联合研发的核电池技术 ， 如果没有核电池介入 ， 嫦娥4号的工作寿命会降低 ， 这是因为蓄电池与砷化镓太阳能电池阵列的组合会出现功率降低的问题 ， 不适合长期在月面恶劣的环境下使用 。 在长达半个月的月夜时 ， 如果没有核电池供电 ， 为仪器保温 ， 仪器极可能会被冻坏 。
为什么天问一号火星车要使用太阳能作为动力来源？
天问一号巡视器作为第一个登陆火星表面的中国火星车 ， 采用了太阳能作为能量来源 。
天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？
△天问一号火星车示意图 ， 图片来源：中国航天
火星轨道与太阳的距离比火星与地球要远 ， 这说明火星上接收到的光照强度要比地球上接收到的弱得多 。 而地球轨道上的光强每平方米大小面积上可达到1353瓦的数值 ， 在火星表面 ， 每平方米大小面积上的光强为590瓦 ， 只有地球的40%左右 。 假如人能站在火星上看太阳 ， 会发现太阳不是那么刺眼 。 以上数据还是一个平均数 ， 我们仍然需要考虑火星轨道与太阳之间近日点和远日点的差值 ， 综合来看 ， 轨道光强数据在500至700之间 ， 在近日点的时候 ， 光照强度会大一些 ， 如果火星在远日点 ， 就小一些 。
另一个方面 ， 相比于月球环境 ， 月面接近真空 ， 不存在云层遮挡、沙尘等问题 ， 火星的环境要复杂得多 ， 火星表面有沙尘暴 ， 一次爆发还会持续数周 。
【天问|核动力优势明显，天问一号为什么还要使用太阳能？】历史上 ， 美国宇航局多个火星着陆器和火星车都使用了太阳能电池板技术 。 以机遇号火星车为例 ， 使用的电池板平均输出功率为140瓦 ， 随着火星沙尘的静电覆盖、火星季节性光照变化 ， 输出功率会降低到50瓦 ， 预计使用2至3年的时间内 ， 转换效率将会降至原来的40%左右 。


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