◎文 楊宇光

空間核電源，人類深空探測的未來

◎文 楊宇光

1957年，蘇聯(lián)在發(fā)射人類第一顆人造地球衛(wèi)星時使用的是化學(xué)電池，雖然這顆球形的衛(wèi)星宣告了人類太空時代的到來，但在電池耗盡后，衛(wèi)星也停止了播發(fā)無線電信號，成為“太空垃圾”。后來，太陽能電池的出現(xiàn)，為衛(wèi)星提供了持續(xù)不斷的能源供應(yīng)，使得長時間的太空飛行稱為可能。

除了太陽能電池，與之配套的化學(xué)蓄電池也非常重要，特別是在距離地球或其它大天體比較近的飛行任務(wù)中，受天體遮擋的影響，不能保證任何時候都有太陽能，所以需要蓄電池起到“緩沖”的作用。除此之外，一些一次性使用電池，例如鋅銀電池、氫氧燃料電池等也由于其在某一方面的性能突出，而在特定的場合下得到應(yīng)用。

在地球軌道附近，航天器能夠獲得的太陽能密度超過每平方米1300瓦，而目前廣泛使用的三結(jié)砷化鎵太陽能電池的效率已經(jīng)超過30%?？梢哉f，在地球附近使用太陽能已經(jīng)足夠好，而隨著技術(shù)進步，太陽能電池的效率還可以進一步提高。

然而，使用太陽能電池的航天器必然對太陽能電池板朝向陽光入射方向的角度產(chǎn)生嚴(yán)重的依賴，使得對日定向成為對航天器的重要要求。而在測控等方面又要求航天器能夠?qū)Φ厍蚨ㄏ颍霸趯λP(guān)注的天體探測時對其表面進行定向。這在航天器環(huán)繞地球時，三者還可以基本保持統(tǒng)一，但在環(huán)繞月球等其它天體時，就很難同時滿足了，這時，為了保證充足的能源而提出的對日定向要求就成為一種束縛，增加了航天器設(shè)計的復(fù)雜性。

更要命的是，當(dāng)航天器運行在比地球離太陽更遠(yuǎn)的軌道時，太陽光的能量密度越來越弱，這在探索火星時還可以勉強承受，在距離更遠(yuǎn)的天體時，使用太陽能電池的效率就變得極低。人類目前使用太陽能電池的極限應(yīng)用是“朱諾號”木星探測器，由于美國缺少放射性同位素儲備而不得不采用太陽能電池，導(dǎo)致探測器變得極為巨大，這在一定程度上影響了探測器的性能。

實際上，核能具有長時間提供能源保證的特點，人類已經(jīng)在船舶、潛艇等上面大量使用核反應(yīng)堆供電，甚至在南極的科考站也能夠配備核反應(yīng)堆。因此，在太空使用核能成為航天時代早期就考慮的技術(shù)途徑。

在太空使用核能包括放射性同位素?zé)嵩础⒎派湫酝凰責(zé)犭娫春秃朔磻?yīng)堆。其中放射性同位素?zé)嵩醋詈唵危瑑H利用放射性同位素在衰敗過程中能夠發(fā)熱的特性，就能為航天器提供熱量，但這樣做還需要單獨解決航天器供電問題。放射性同位素?zé)犭娫丛谀軌蚬岬耐瑫r，還可以利用熱電轉(zhuǎn)換提供電力，盡管目前這樣做的效率還很難做到很高，但基本能夠滿足一般航天器的供電需求。因此，放射性同位素?zé)犭娫匆呀?jīng)在深空探測器中得到了廣泛的應(yīng)用，人類發(fā)射的最遙遠(yuǎn)的航天器—“先驅(qū)者”10號、11號，“旅行者”1號、2號，“新視野號”和“卡西尼號”等都使用這樣的裝置，“旅行者號”的放射性同位素?zé)犭娫丛诠ぷ鞒^30年后，仍然有電力輸出。

然而，在未來的深空探測中，所需要解決的不僅僅是供電問題，由于工作原理限制，火箭發(fā)動機最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)—比沖，一直沒有質(zhì)的提高，即使性能最好的液氫液氧發(fā)動機的比沖也只有400多秒。

電推進的出現(xiàn)，極大地提高了深空探測器的性能，其比沖可以達(dá)到數(shù)千秒以上，目前正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。但即使只有幾十毫牛推力的電推進發(fā)動機，其功耗要求也在千瓦量級，在未來的深空探測任務(wù)中，放射性同位素?zé)犭娫春茈y滿足其巨大的供電需求。

在這樣的技術(shù)瓶頸和需求背景下，在深空探測器中使用核反應(yīng)堆就成為未來最有希望從根本上解決問題的技術(shù)途徑。雖然人類航天時代早期發(fā)射上天的核反應(yīng)堆只有幾十千瓦的輸出功率，但隨著技術(shù)進步，有望制造出供電功率達(dá)數(shù)兆瓦的空間核反應(yīng)堆。這類核反應(yīng)堆可以在大型深空飛船的長時間巡航階段為電推進供電，在進入目標(biāo)軌道需要更大推力時切換到為核熱推進供能。采用這樣的技術(shù)途徑，人類進行深空探測時的飛船規(guī)模就可以成倍地縮小，不但能夠?qū)崿F(xiàn)載人登陸火星，也為未來的載人造訪木星提供了可能性。

不僅如此，空間核反應(yīng)堆還可以為人類在其它星球建立永久性基地提供可靠的能源供應(yīng)。即便是在月球建立基地，通過使用核反應(yīng)堆也可以使漫長而寒冷的月夜更容易度過。

從人類航天時代的早期開始，使用空間核反應(yīng)堆最大的障礙就是其安全性問題，也曾出現(xiàn)過核衛(wèi)星失控墜落的嚴(yán)重事故。因此，解決安全性問題成為空間核能源與核動力發(fā)展的至關(guān)重要因素。對深空探測而言，只要能解決發(fā)射階段的安全性問題，并解決好巡航階段的放射性屏蔽問題，這樣的技術(shù)途徑將大有希望。