文/ 李會(huì)超

在太陽(yáng)光暗弱的外太陽(yáng)系飛行，依靠太陽(yáng)能電池板供電顯然不是一個(gè)好主意。兩艘“旅行者號(hào)”上的電能，都來自于同位素?zé)犭姵兀≧TG）。這種電池的能量來源不是陽(yáng)光，而是同位素衰變釋放的能量。然而，隨著時(shí)間的推移，同位素?zé)犭姵刂械耐凰厝剂蠈⒅饾u消耗，而旅行者1號(hào)和2號(hào)在穿過日球?qū)禹敽?，估?jì)也將在2020年左右耗盡電能，與地球中斷聯(lián)系。

旅行者號(hào)電能來源于RTG

▲ 聯(lián)盟TMA-7宇宙飛船上的太陽(yáng)能電池帆板

穩(wěn)定而充足的電能供應(yīng)是航天器正常工作的基本條件。早期的航天器，大都使用化學(xué)電池作為電能來源。這些化學(xué)電池的基本原理和我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母呻姵?、手機(jī)電池等基本一致，能夠持續(xù)供電的時(shí)間不長(zhǎng)。當(dāng)電池的電能耗盡時(shí)，由于無處充電，航天器便不得不停止工作。現(xiàn)如今的航天器，不少在軌道上工作時(shí)都會(huì)伸展出一個(gè)形似翅膀的裝置。比如我們熟知的神舟飛船，在尾部的推進(jìn)艙上就有一對(duì)這樣的“翅膀”。航天器的這個(gè)“翅膀”是太陽(yáng)能電池帆板，它的作用并不是用來飛行，而是用來將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽(yáng)能帆板的供電效率越來越高，已經(jīng)成為了在地球附近工作的航天器的主要電能來源。此外，也有一些需要大功率穩(wěn)定供電的航天器，使用氫燃料電池作為電能的來源。它們中最典型的代表是執(zhí)行登月任務(wù)的“阿波羅”飛船。

雖然太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，但對(duì)于“旅行者號(hào)”這樣飛向深空的探測(cè)器，隨著與太陽(yáng)距離的增加，太陽(yáng)光會(huì)越來越暗弱，太陽(yáng)能電池板所能產(chǎn)生的電能也就越來越小。因此，這種探測(cè)器一般選擇RTG作為電能的來源。

其實(shí)，太陽(yáng)發(fā)出光和熱所需的能量，都來自于太陽(yáng)內(nèi)部的核反應(yīng)。目前，人類已經(jīng)掌握了利用核反應(yīng)發(fā)電的技術(shù)，建立的不少核電站將核能轉(zhuǎn)換為我們?nèi)粘Ｉ钪兴璧碾娔?。在太空中，核能同樣已?jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并有望在未來成為太空探測(cè)的核心動(dòng)力來源。

▲ 不斷裂變中的钚- 238能產(chǎn)生源源不斷的熱量，導(dǎo)致它自身通紅

▲ 大力神- IIIE火箭發(fā)射旅行者1號(hào)

▲ 玉兔二號(hào)攜帶了同位素溫差發(fā)電器，能夠在供熱的同時(shí)，在月夜照樣為探測(cè)器提供不低于2.5W的電能

RTG的原理并不復(fù)雜，其基本構(gòu)造和一個(gè)煤爐基本相似。RTG一般是圓柱狀，圓柱中間是核燃料，能夠通過自發(fā)的衰變反應(yīng)產(chǎn)生熱量，像是一塊塊正在燃燒的蜂窩煤。而它之所以能夠?qū)徂D(zhuǎn)換成電能，就是因?yàn)榘巳剂系腞TG外壁不一般。這種被稱為“熱電偶”的外壁裝置，由一些特殊的半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)熱電偶兩側(cè)的溫度不一樣時(shí)，它就能向外發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。這種由溫差產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象被成為“塞貝克效應(yīng)”，是以發(fā)現(xiàn)它的德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克命名的。隨著核燃料的衰變持續(xù)進(jìn)行，RTG內(nèi)部和外部的溫差就能持續(xù)存在，從而能通過熱電偶產(chǎn)生穩(wěn)定的電能。

▲ 堪培拉的43米口徑天線正在與旅行者1號(hào)探測(cè)器通信，在“旅行者1號(hào)”看來，太陽(yáng)此時(shí)僅是一個(gè)微不足道的光斑

目前，航天RTG使用最多的核燃料為钚- 238。這種核燃料是根據(jù)以下幾個(gè)原則被選擇出來的。首先，這種元素的衰變速度不能太快，否則無法長(zhǎng)期支持航天器工作。第二，單位質(zhì)量的核燃料產(chǎn)生的能量必須足夠多，這樣航天器只需攜帶少量核燃料就能滿足需要。第三，核燃料衰變時(shí)輻射出的射線類型要盡可能容易被熱電偶吸收。钚- 238的半衰期有877年，每克钚- 238釋放能量的功率為0.54瓦，能夠滿足前兩條要求。更難能可貴的是，钚- 238在衰變，幾乎只產(chǎn)生熱電偶容易吸收的α射線，而不產(chǎn)生穿透力比較強(qiáng)，又不容易被熱電偶吸收的β射線。這樣，钚-238在衰變時(shí)的輻射幾乎都被熱電偶本身吸收，基本不用在RTG外部設(shè)置額外的屏蔽層，來阻擋β射線對(duì)其他設(shè)備的輻射危害。

▲ 用于和旅行者號(hào)通信的深空網(wǎng)絡(luò)控制中心

電能耗盡之后

然而，RTG雖然有種種適合深空飛行器的優(yōu)點(diǎn)，但終究是一種依賴于核燃料的電池。隨著核燃料的不斷衰變，其產(chǎn)生的電能也會(huì)相應(yīng)減少。此外，用于將熱能轉(zhuǎn)化電能的熱電偶極材料的性能，也會(huì)隨著時(shí)間下降，進(jìn)一步減少了電池的供電輸出。根據(jù)美國(guó)宇航局的估計(jì)，從發(fā)射伊始，旅行者號(hào)探測(cè)器上的RTG供電將會(huì)以每年4瓦的速度降低，目前的輸出功率僅有剛發(fā)射時(shí)的60%。

為了解決供電不足的問題，美國(guó)宇航局不得不在任務(wù)運(yùn)行的過程中逐步關(guān)閉沒有必要繼續(xù)使用的科學(xué)儀器，來降低整個(gè)飛船的電能消耗，使有限的電量能夠支撐任務(wù)延續(xù)。儀器關(guān)機(jī)的序幕在上世紀(jì)90年代初拉開，當(dāng)時(shí)，兩艘旅行者號(hào)探測(cè)器已經(jīng)完成了對(duì)大行星及其衛(wèi)星系統(tǒng)的探測(cè)，接下來的探測(cè)任務(wù)是繼續(xù)向星際空間進(jìn)發(fā)，只需要對(duì)飛船所在位置的物理參數(shù)進(jìn)行探測(cè)的局地探測(cè)儀器繼續(xù)工作即可，而與相機(jī)類似，能夠進(jìn)行成像的觀測(cè)儀器便不再需要。在成像儀器關(guān)閉前，美國(guó)宇航局利用最后的拍照機(jī)會(huì)，指令“旅行者1號(hào)”在距離地球64億公里外，拍下了它所探測(cè)過的所有行星，形成了一張?zhí)?yáng)系的準(zhǔn)全家福。在那張照片中，地球以一個(gè)小小的光點(diǎn)的形象出現(xiàn)。天文學(xué)家卡爾·薩根曾經(jīng)感慨道：“也許沒有什么能比從遙遠(yuǎn)太空拍攝到的我們微小世界的這張照片，更能展示人類的自負(fù)有多愚蠢。對(duì)我而言，這也是在提醒我們的責(zé)任所在：更和善地對(duì)待彼此，并維護(hù)和珍惜這顆暗藍(lán)色的小點(diǎn)—— 這個(gè)我們目前所知唯一的家園?！焙髞恚@張被稱為“暗淡藍(lán)點(diǎn)”的照片廣為流傳。

隨著電能的進(jìn)一步下降，有些仍在工作的局地探測(cè)儀器，也不得不關(guān)閉，或轉(zhuǎn)入相對(duì)節(jié)能但有風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)工作。例如，進(jìn)入2019年后，負(fù)責(zé)探測(cè)器運(yùn)行的人員關(guān)閉了“旅行者2號(hào)”上負(fù)責(zé)宇宙線探測(cè)的一臺(tái)簡(jiǎn)稱為CRS儀器的加熱器，以節(jié)省電能。雖然關(guān)閉加熱器并不意味著儀器關(guān)機(jī)，但是也會(huì)給儀器的繼續(xù)正常運(yùn)行帶來比較大的風(fēng)險(xiǎn)，并有可能加快儀器損壞的過程。一旦加熱器關(guān)閉，CRS的運(yùn)行溫度可能下降到零下59攝氏度，低于這臺(tái)儀器在地面測(cè)試時(shí)的極限低溫零下45攝氏度。不過令人欣慰的是，“旅行者1號(hào)”上也進(jìn)行過類似的操作，儀器在如此的低溫下仍然能夠繼續(xù)工作數(shù)年。

之所以選擇CRS作為關(guān)閉加熱器的的儀器，是因?yàn)槟壳啊奥眯姓?號(hào)”的宇宙線探測(cè)功能也可以由其他儀器完成。其他儀器能從多個(gè)方向接受粒子，而CRS的方向則是固定的。部分放棄CRS，是目前的供電狀態(tài)下能夠獲得的最優(yōu)解。在關(guān)閉CRS的加熱器前，負(fù)責(zé)探測(cè)器控制的工程團(tuán)隊(duì)和負(fù)責(zé)科學(xué)產(chǎn)出的科學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了充分的討論，并共同做出了這個(gè)決定。

▲“暗淡藍(lán)點(diǎn)”就是地球照片（最右側(cè)棕色帶中間的藍(lán)色小點(diǎn)）

隨著RTG供電能力的進(jìn)一步降低，旅行者號(hào)探測(cè)器的工作也將接近尾聲。按照目前的估計(jì)，可能在2020年代末，或者2030年代中，RTG的電能就已經(jīng)無法支持飛船系統(tǒng)運(yùn)行和與地球通信的最基本的電能需求。那時(shí)，雖然科學(xué)探測(cè)無法繼續(xù)，但兩艘旅行者號(hào)探測(cè)器仍然將作為人類的信使，攜帶者著包含人類信息的“金唱盤”，飛向星際空間中。