嫦娥三号工作10年了,核能取暖立大功,祝融号为啥不用核能?

宇宙天文馆 2024-07-01 14:56:01

2013年12月14日,嫦娥三号月球探测器在月球着陆,2024年仍有一台科学载荷处于正常工作状态,这台载荷就是嫦娥三号着陆器配置的“月基光学望远镜”。

相比之下,在火星工作的祝融号,从2022年5月18日后就陷入了休眠状态,迟迟没有醒来,以至于很多人都在猜测,祝融号是不是到了和我们说再见的时候。

事实上,嫦娥三号之所以长寿,是因为使用了同位素核热源,源源不断的能源为探测器提供了相对恒温的环境,使其在温度低至零下180度的漫长月夜也不至于冻坏。

如果祝融号也装载了核热源,是不是也会像嫦娥三号那样长寿?

嫦娥三号长寿的原因

实际上,嫦娥三号长寿的原因不仅仅是因为核热源,更重要的是它拥有一套非常先进的月夜生存系统,这套系统也成为其他国家研究的对象。

月球上的一个“月夜”,相当于地球上半个月的时间,而且极度寒冷,当月夜来临时,探测器就会进入休眠状态。

此时,月夜生存系统就要负责合理配置能源,确保探测器不被冻坏,等待月夜过后重新启动。

嫦娥三号搭乘月球车名叫“玉兔号”,在2014年1月25日凌晨进入第二次月夜休眠之前,人们就发现受复杂月球环境的影响,玉兔号月球车出现异常。

按照原来的设计,当月夜来临时,玉兔号的太阳能电池板会收起来,这样可以减少内部散热。

但此时玉兔号的电池板已经无法收起,经过这个月夜之后还能否正常工作,谁也无法预料。

但是幸运的是,月夜生存系统表现得非常出色,通过热量控制,已经提前预留够了能量,同时各个仪器设备的耐低温能力很强,玉兔号成功重启。

此后,玉兔号坚持工作了两年多,总共存活960天,而它的设计寿命是90天,实际寿命是设计寿命的10倍还要多,超过了人类此前所有月球车的寿命,大幅度超额完成任务。

为满足嫦娥三号的月夜生存需求,当年我国从俄罗斯进口了6枚钚-238 RHU,这只是从能源方面提供了保证,能不能将能源用好才是关键,嫦娥三号进行了巧妙的创新设计。

它完全不用电力驱动,也不使用风扇和循环泵,而是只使用同位素加热,并利用月球引力实现流体循环,这样就可以让同位素热源的热量更加有效的被利用。

当年苏联的月球车也使用同位素热源,他们是使用密封保温,用风扇吹动氮气,利用气体循环来实现热量的传导。

这种方案的问题在于,月夜期间使用电力带动风机,一旦出现电力故障或风机故障,整个系统就将停摆。

嫦娥三号的设计方案不用担心这些问题,只要月球引力存在,热源能够提供热量,就可以持续实现热力循环,更为直接有效。

同时,这种设计方案还剔除了很多相关设备,能够为探测器“瘦身”,当年苏联的月夜生存设备有150公斤,美国的是870公斤,而嫦娥三号只有10公斤,加上玉兔号月球车的月夜生存系统也才15公斤。

中国的方案,为研发小型化、微型化的航天探测器提供了思路。

总体来说,嫦娥三号的长寿一方面是因为使用了同位素热源,另一方面是采用了更有保障的热量循环系统,同时各个设备在极端条件下的可靠性能也是一个重要因素。

这样看来,嫦娥三号可能还会工作更长时间,根据计算,目前它所携带的热源应当还可以提供10年的供暖,如果其他的设备不出现意外故障,嫦娥三号有希望再工作10年。

冬眠的祝融号能否醒来?

截至2023年末,祝融号始终没有再次苏醒,一些国外媒体认为祝融号已经“死亡”,但也有一些科学家认为祝融号很可能会醒来,为何会有这样的争论呢?

火星虽然以“火”为名,但实际上是一颗极为寒冷的星球。

火星到太阳的距离,要比地球到太阳遥远,接收到的太阳辐射能量只有地球的43%,所以火星要比地球寒冷得多,夏季平均气温为零下60度,冬季平均气温为零下120度。

火星围绕太阳旋转的公转周期约为687个地球日,和地球上两年的时间差不多,这就使得火星每个季节的长度相当于地球上的半年。

祝融号是在2021年5月着陆火星,当时正是火星夏末初秋的季节,到了2022年7月,火星将进入最寒冷的季节,所以在此之前,祝融号于2022年5月进入冬眠。

和地球上一样,火星夏季的时候,太阳是直射的,当冬季来临,太阳就会从很偏的角度照射过来。

由于祝融号使用的是太阳能,冬季微弱的阳光所提供的能源就会大幅降低,所以这个时候祝融号使用正十一烷保温,关闭所有耗电设备,进入冬眠。

祝融号已经在火星表面工作347个火星日,累计行驶1921米,已经远超90个火星日的设计寿命,应该说很好的完成了任务,但是人们还是希望有奇迹出现,所以关于祝融号能否再次苏醒的讨论一直存在。

祝融号一直没有苏醒,分析认为可能是由于这样一些原因,首先是祝融号可能彻底被“冻死”了,由于火星冬季的超低气温,仪器设备被冻坏,如果是这样,祝融号就没有了再次苏醒的可能。

同时,火星的冬季经常伴随着巨大的沙尘暴,这样的沙尘暴可以持续数月,阳光难以穿透,这种气候会使祝融号全身被沙尘覆盖。

只有等到沙尘暴逐渐停止,天空变得透明,祝融号才能自动调整太阳能板的角度,并且利用改进的特殊材料,将身上的沙尘抖落,只有这样,才可以获得充分的太阳能,苏醒过来。

一旦某个环节出现问题,无法获得足够的能源,祝融号自然就无法再次苏醒。

那么,祝融号为何一定要使用太阳能呢?难道不能也像嫦娥三号那样使用同位素热源?

祝融号为何使用太阳能?

事实上,祝融号可以将太阳能储存起来,到了夜间再释放出来供暖,因为火星上没有月球上长达半个月的黑夜,火星的夜晚也是12个小时,这么短的时间,太阳能的热量是够用的。

而使用核能,对于火星探测来说是存在风险的。

从地球飞往火星要比飞往月球远得多,在太空当中,探测器直接暴露在宇宙辐射之下,如果使用核能,探测器本身就成为一个辐射源,对周围空间会产生何种影响难以预测。

人类对于火星的研究远远没有月球深入,在登陆火星之后,一旦探测器出现问题,发生核能泄露,很难及时进行干预,无法判断是否会对火星环境造成影响。

而太阳能显然不存在这种问题,不会改变所处太空环境中固有的状态,而且核能还有半衰期,但太阳不会,只要阳光依然照射,理论上祝融号就可以不断获得能量。

美国“好奇”号和“毅力”号火星车使用的就是核能,整个装置重达45公斤,携带了4.8公斤的二氧化钚,这样的核能装置一套就要7000万美元。

对于我国来说,以这样的成本来执行目前规划的火星探测任务,非常不划算。

另外,我国的核原料与美国、俄罗斯相比,就显得比较欠缺。

美国和前苏联曾大量制造核武器,钚238作为副产品有很多库存,能够得到足够多的纯度达标的原料来生产核电池,我国则没有这个条件。

祝融号设计的有太阳翼和集热器,这和我国天宫空间站上使用的是同一款,发电效率不低于31%。

所以在正常情况下,祝融号的电力供应不比使用核能的美国“毅力”号差,甚至还要更强劲,这就可以兼顾成本与效果,在综合考虑之下,祝融号才选择了太阳能。

祝融号作为我国首次登陆火星的探测器,在完成预定任务的同时,也为未来的火星探测提供了丰富的资料和经验,相信随着技术的进步,未来我国的火星探测会有更大的进步。

同时,核能的利用在太空探索方面存在广阔的前景,只不过目前的技术还需要进一步提高,在太空恶劣的条件下,核能无疑可以提供高效、稳定、强劲的能源,假如人类掌握了可控核聚变的成熟技术,或许会改变整个人类的科技面貌。

嫦娥三号之后,我国的探月工程继续稳步前进,嫦娥四号于月球背面着陆,所携带的玉兔二号月球车目前正在工作中;嫦娥五号携带月壤返回地球,实现了探月的重大突破。

目前,嫦娥六号、七号、八号都已列入计划,将陆续执行既定的探月任务,我国的太空探索事业将不断走向星辰大海。

未来,月宫的嫦娥和玉兔或许不再是传说,月球旅行也会成为现实,人类的目光终将投向广袤无垠的星空。

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