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未来飞船如何供电?从太阳能到核电技术(一)

        发布时间:2019-10-17        

据英国广播公司(BBC)网站报道,对于飞船而言,电力系统是一个核心组成部分。它们必须能够在极端环境条件下仍然保持极高的可靠性。然而,随着现代飞船技术愈发复杂,其对于电力系统的要求也是越来越苛刻,那么未来的推进系统将会如何发展?

令人震惊的高可靠性与长寿命

脆弱性似乎是现代电子设备的通病——你的智能手机如果不充电,恐怕连一天都难以坚持。然而相比之下,航天器的耐用性往往会让你感到震惊:38年前发射升空的旅行者号飞船至今仍在工作,向我们传回关于太阳系边缘的重要信息。这艘飞船每秒钟能够有效处理81000条指令,而相比之下,你手里的智能手机的信息处理能力要比这高出大约7000倍。

当然,你的智能手机之所以在电池依赖性方面表现如此之差,是因为它的设计本来就需要每天充电的,而且它也几乎不可能会出现在远离地球数百万甚至数亿公里外的宇宙空间的情况。而相比之下,如果一艘飞船没电了,而最近的充电桩距离它也有数十亿公里远,那么要想给它充电就显得不太现实了。因此,一艘打算在太空中飞行数十年的飞船,要么一开始就用某种方法存储上足够的电量,或者就得在途中自己想办法发电。事实证明,说起来容易做起来难,这事儿还要想成功实现还是很难的。

尽管飞船上搭载的电子设备很多只是偶尔需要电力供应,但也有一部分设备是必须确保不间断供电的,比如信号接收机和发射机必须时刻处于通电状态,而如果是载人飞船,那么生命维持系统和照明系统也同样将是不能关闭的。

劳·苏拉普迪博士(Dr Rao Surampudi)是美国加州喷气推进实验室(JPL)的电力技术项目主管。在过去的30年间,他一直致力于为美国宇航局的各类航天器开发电源系统。

根据苏拉普迪博士的说法,一般情况下航天器的电源系统会占到整个航天器质量的大约30%,并且一般可以分解为三大部分:发电系统、储能系统以及电源管理及分配系统。

这些系统对于飞船来说绝对是必要而关键的,而为了适应飞船的特殊使用条件,它们在质量和设计上会有一系列严苛的要求——首先质量必须足够小,以便提升所谓“能量密度”,也就是说它必须能够在足够小的体积内产生足够强大的电力;同时它必须具有长寿命的特点,且高度可靠,因为在发射之后,如果飞船电力系统出现故障,这时候再要想派工程师前去维修显然是不现实的。

这套供电系统不仅必须能够确保每一件飞船搭载设备的电力使用需求,它还必须确保在整个飞船的使用寿命内能够持续提供这样的电力支持——这样的时间可能是几年,几十年甚至上百年。苏拉普迪博士表示:“设计的使用寿命必须足够长,因为一旦发生故障,你是不可能有什么维修或挽救机会的。举例来说,飞往木星需要5—7年,飞往冥王星需要超过10年,而要想离开我们的太阳系,你需要连续飞行20—30年。”

考虑到飞船运行环境的特殊性,飞船电力系统还必须能够在零重力和高真空环境下正常运作,同时必须经受超强辐射环境和极端温度的考验。苏拉普迪博士说:“如果你的探测器打算在金星表面着陆,那边的温度是460摄氏度。而如果你打算冲入木星大气层,那么那里的温度是零下150度。”

很多在内太阳系区域飞行的探测器都会安装太阳能帆板,通过太阳能进行发电。或许从外观上看上去你会觉得这些飞船安装的太阳能帆板跟自己家里使用的同类设备并无不同,但实际上,航天器所使用的太阳能板在发电效率和可靠性上要远远超过普通的民用产品。

不过,在内太阳系区域飞行的航天器太阳能帆板也有可能因为距离太阳太近而发生过热现象,此时飞船就需要调整自己的太阳能帆板位置,从而使其避开太阳的灼热光芒。

随着飞船进入一颗行星的轨道,飞船的太阳能帆板产能效率将会下降,由于行星阴影的周期性遮挡,飞船太阳能板将无法产生像此前那么多的电能,在这样的情况下,我们就需要一套高效的电力储能设备。

如果采用核电技术,未来我们去往其他星球建立殖民地时,甚至不需要专门携带一台发电机,因为我们的飞船本身就携带了一座核电站!

信息来源:《亮报》

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