热核火箭概念设想图.
同位素热电池的外部和内部结构.
TOPAZ太空核反应堆.
阿波罗14号在月球表面放置的同位素热电池.
据新华社日前消息, 俄罗斯国家航天公司发起研制用激光给在轨卫星充电的 '轨道核电站' , 遭到质疑. 而事实上, 在太空中核能已经得到了广泛的应用, 并有望在未来成为太空探测的核心动力来源.
化学能, 太阳能 都有局限性
无论是载着宇航员遨游太空的载人飞船, 还是各类卫星, 探测器等无人飞行器, 都装配了不少电子设备, 稳定而充足的电能供应是航天器正常工作的基本条件.
早期的航天器, 大都使用化学电池作为电能来源. 这些化学电池的基本原理和我们日常生活中使用的干电池, 手机电池等基本一致, 能够持续供电的时间不长. 当电池的电能耗尽时, 由于无处充电, 航天器便不得不停止工作. 我国的 '东方红一号' 卫星仅在太空中工作了28天, 就是受到了电池电量的限制.
现如今的航天器, 在轨道上工作时大都会伸展出一个形似翅膀的装置. 比如我们熟知的神舟飞船, 在尾部的推进舱上就有一对这样的 '翅膀' . 航天器的这个 '翅膀' 是太阳能电池帆板, 它的作用不是用来飞行, 而是用来将太阳能转化成电能. 随着太阳能技术的不断进步, 太阳能帆板的供电效率越来越高, 已经成为了在地球附近工作的航天器的主要电能来源. 虽然太阳能取之不尽, 用之不竭, 但如果要像飞掠冥王星的 '新视野' 号和飞出太阳系的 '旅行者' 号那样出一趟太空远门, 太阳能就不足以支撑航天器工作了. 随着与太阳距离的增加, 太阳光将越来越弱, 太阳能帆板产生的电能也会越来越少.
其实, 太阳发出光和热所需的能量, 都来自于太阳内部的核反应. 目前, 人类已经掌握了利用核反应发电的技术, 建立了不少核电站, 将核能转换为我们日常生活中所需的电能. 在太空中, 核能同样已经得到了广泛的应用, 并有望在未来成为太空探测的核心动力来源.
同位素热电池 深空探测的主流电源
航天器对电源的要求, 除了能提供稳定的供电外, 还要求它体积小, 重量轻, 能够在较长的时间内可靠工作, 不出故障. 为了实现这一要求, 美国和苏联分别选择了两条不同的技术路线: 当时, 苏联人将地面核电站使用的核反应堆小型化, 装上了卫星, 功能强悍. 而美国人则更偏爱安全可靠, 结构简单的同位素热电池.
同位素热电池的原理并不复杂, 其基本构造和一个煤炉相似. 同位素热电池一般是圆柱状, 圆柱中间是核燃料, 能够通过自发的衰变反应产生热量, 像是一块块正在燃烧的蜂窝煤. 而同位素热电池之所以能够将核燃料放出的热转换成电能, 是因为包裹核燃料的电池外壁不一般. 这种被称为 '热电偶' 的外壁装置, 由一些特殊的半导体材料制成. 当热电偶两侧的温度不一样时, 它就能向外发电, 将热能转换为电能. 这种由温差产生电压的现象被称为 '塞贝克效应' , 是以发现它的德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克命名的. 随着核燃料的衰变持续进行, 同位素热电池内部和外部的温差就能持续存在, 从而能通过热电偶产生稳定的电能.
自然界中, 能够产生自发衰变的同位素有很多, 究竟选择哪一种来当作同位素热电池的核燃料也有着一些讲究. 第一, 这种元素的衰变速度不能太快. 衰变太快的元素, 在短时间内就会将自己的能量大部分释放, 不能长期支持航天器工作. 第二, 单位质量的核燃料产生的能量必须足够多, 这样航天器只需携带少量核燃料就能满足需要, 从而可以将更多的重量用来搭载执行任务的有效载荷. 第三, 核燃料衰变时辐射出的射线类型要尽可能的容易被热电偶吸收.
科学家们按照这三条标准筛选一番后, 钚238脱颖而出, 成为目前航天同位素热电池使用最多的核燃料. 钚238的半衰期有87.7年, 每克钚238释放能量的功率为0.54瓦, 能够满足前两条要求. 更难能可贵的是, 钚238在衰变时, 产生的辐射几乎都是热电偶容易吸收的α射线, 而不怎么产生穿透力比较强, 又不容易被热电偶吸收的β射线. 这样, 钚238在衰变时的辐射几乎都能被热电偶本身吸收, 从而不用在RTG外部设置额外的屏蔽层, 来阻挡β射线对其他设备的辐射危害.
钚238的来源较少, 制备工艺又比较复杂, 因此成本高, 产量低. 目前, 美国全国一年仅能生产1.5千克钚238. 但由于其优良的性质, 至今难以找到能全面替代它的其他同位素.
1961年6月29日, 世界上第一颗核动力航天器 '子午仪' 4A军用导航卫星发射并成功在轨运行, 其使用的同位素热电池输出功率仅为2.6瓦. 之后, 同位素热电池技术蓬勃发展, 除了前文提到的 '新视野' 号和 '旅行者' 号外, 不久前完成任务, 坠入土星的 '卡西尼' 号探测器, 环游木星的 '伽利略' 号探测器, 着陆火星表面的 '好奇' 号火星车等, 也都使用了同位素热电池供电. 它们使用的同位素热电池已经可以输出几百瓦到一千瓦左右的功率.
除了供电外, 同位素热电池有时也会利用发电的 '余热' , 做一个真正的 '炉子' 来给太空极寒中的航天器 '供暖' , 使航天器上的仪器设备不被冻坏. 在电影《火星救援》的情节中, 主角马特·达蒙也曾经冒险挖出一个废弃的同位素热电池放在火星车中, 来给自己取暖.
空间核反应堆 大功率航天电源
同位素热电池虽然优点很多, 但也有其固有缺陷. 一方面, 其电能转换效率较低, 一般只有低于10%的辐射能被转换成了电能. 另一方面, 其输出的最高功率一般在一千瓦左右, 对于电能需求更大的航天器便无能为力了. 而且, 随着核燃料的消耗, 同位素热电池的输出功率还会不断下降.
苏联在上世纪六十年代也成功设计制造了同位素热电池电源, 但也许是战斗民族天生渴望功率更强悍的电源, 苏联使用核能电源的航天器几乎都采用了空间核反应堆. 空间核反应堆像是一个缩小版的核电站, 也是通过核燃料的链式裂变反应来加热物质, 产生蒸汽推动汽轮发电机发电. 它同样也可以通过插拔控制棒的方式来控制反应堆的运行. 和地面上一般使用水蒸气推动汽轮机不同, 空间核反应堆使用的一般都是金属蒸汽的蒸汽机. 上世纪六十年代, 苏联成功研制出了BES-5空间核反应堆, 输出功率为3千瓦, 后来又研制了输出功率为6千瓦的TOPAZ反应堆.
在苏联人成功推进空间核反应堆技术的同时, 一不小心也制造了第一起大规模太空核事故. BES-5反应堆被大量装配于 '雷达型海洋监视卫星' (RORSAT) 上. 这种卫星的轨道高度只有250公里, 用来给地球做快速 '扫描' 以监视美国海军的动向. 当一颗RORSAT卫星即将到达工作寿命时, 它会将其搭载的核反应堆弹射到950公里高的 '丢弃轨道' 上. 在那里, 废弃的核反应堆将始终飘在太空之中, 避免对地球造成核污染. 而余下的卫星本体则会在失去动力后, 在大气阻力的作用下坠入地球. 然而, 1978年1月24日, 代号为 '宇宙954' 的一颗失控的RORSAT卫星没能正常将反应堆弹射到 '丢弃轨道' 上, 而是带着核反应堆一起落入地球, 将放射性核燃料散布在加拿大的国土上. 加拿大政府不得不动用了大量人力物力, 寻找和清除散布在数千平方英里范围内的放射性原料. 为此, 加拿大还和苏联打起了国际官司, 要求苏联赔偿604.1万美元的经济损失. 在这之后, 苏联对RORSAT卫星的设计进行了改造, 在反应堆上加装了备用推进装置, 在主推进装置失效时仍能让反应堆正常进入丢弃轨道. 同时, 面对潜在的空间核事故风险, 美国总统卡特签署命令, 禁止在地球附近工作的美国航天器使用核能.
使用核裂变的核反应堆虽然存在着这样的风险, 但却是目前在空间利用核能高效大量产能的唯一来源. 未来, 要发射动力更强大, 飞行性能更强的核动力火箭, 还要依赖空间核反应堆. 目前, 技术上论证的比较充分的核动力火箭方案主要有两种. 第一种为热核火箭, 利用核反应堆产生的热量, 将来自燃料箱的液氢加热到将近一万摄氏度的温度后喷出, 以强大的气流推动火箭. 此时, 液氢并不像现在使用的火箭那样充当燃料, 而只是充当产生动量的推进剂. 据测算, 在携带相同重量的推进剂时, 这种火箭的运载能力将比现在使用的化学燃料火箭提高一倍. 另外一种更先进有效的核火箭方案, 则是将新兴的电推进技术和核技术结合在一起的核能电推火箭. 这种火箭首先利用核能产生的热量, 将液氢等推进剂电离到等离子体态. 其后, 再利用核反应堆发出的电能, 用电磁力加速等离子体, 产生巨大的推力. 由于等离子体在电磁力的作用下可以加速到极高速度, 甚至接近光速, 因此这种火箭可以很快获得足够的动量和能量, 加速到星际旅行所需的速度.
