文/張雪松

月球的漫漫長夜沒有陽光照射，表面溫度會從白天的120攝氏度左右降到零下180攝氏度以下，長達14天的月夜對探測器的存活提出了巨大的挑戰(zhàn)。月球著陸器度過月夜的傳統(tǒng)方式是核熱源，7月發(fā)射的印度月船3號著陸器沒有使用保溫措施，無法度過寒冷的月夜。美國也在積極準備重返月球，尤其是商業(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS）的著陸器即將陸續(xù)登上月球，未來美國探測器又將如何度過月球的寒冷長夜呢？

傳統(tǒng)過夜靠核能

月球表面晝夜巨大的溫差和極為寒冷的漫漫長夜，對月球著陸器的長期工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。地球軌道上存在日照和陰影區(qū)，航天器在軌飛行進入地球陰影區(qū)時只能使用蓄電池供電，與月面的晝夜交替類似。然而，航天器環(huán)繞地球每圈的陰影區(qū)飛行時間也就是幾十分鐘，而月球表面一個夜晚長達約14天，現(xiàn)在蓄電池的能量密度還太低，面對月夜期間加熱保溫的能量需求，實在是心有余而力不足。

美蘇冷戰(zhàn)期間開展登月競賽，競相發(fā)射月球著陸器，它們是如何過夜的呢？美國勘測者系列著陸器任務(wù)重點是突破掌握月球軟著陸技術(shù)，沒有采用專門的加熱措施。但當年美國航天器的質(zhì)量還真是頂呱呱，7個勘測者著陸器成功著陸5個，其中勘測者5、6、7號都挺過了一個月夜，勘測者5號甚至活了3個月零7天，也就是硬挺過3個月夜！話雖如此，勘測者系列探測器挺過月夜只是意外之喜，要實現(xiàn)探測器月夜的正常生存，還是要采用加熱保溫手段。蘇聯(lián)月球車1號和月球車2號都使用了放射性同位素熱源（RHU），用于在漫長寒冷的月夜取暖保溫，其中月球車1號生存了9個月27天，月球車2號落入隕石坑，導(dǎo)致散熱器故障，但也運行了3個月24天。月球車2號行駛了約39千米，是美國好奇號火星車之前人類在地外天體上行駛最遠的車輛。

蘇聯(lián)有使用同位素熱源過夜的成功經(jīng)驗，美國雖然實現(xiàn)較晚，但后來居上。雖然阿波羅登月的著陸艙和月球車都沒考慮月夜生存，但登月時部署了阿波羅月面實驗裝置（ALSEP）。月面實驗裝置包括科學(xué)載荷以及供應(yīng)它們過夜取暖的放射性同位素加熱器，設(shè)計使用壽命1年。其中最長壽的一套月面實驗裝置工作了8年之久，而且最后還是地面控制中心主動關(guān)閉，而不是因能量耗盡或設(shè)備故障壽終正寢。時光流逝，來到21世紀，美蘇探月的輝煌俱往矣，現(xiàn)在中國才是月球探測的主角。我國2013年發(fā)射的嫦娥三號探測器和2018年發(fā)射的嫦娥四號探測器，以及它們分別攜帶的玉兔一號月球車和玉兔二號月球車，都使用了RHU放射性熱源和兩相流體回路技術(shù)，確保探測器能在極端寒冷的月夜環(huán)境下生存下來?，F(xiàn)在我國的嫦娥三號著陸器已經(jīng)存活了9年9個月，不出意外，它還能繼續(xù)活很多年！

▲ 嫦娥三號使用同位素熱源，創(chuàng)下了月面生存時間紀錄

巧婦無米走新路

▲ Astrobotic的5瓦月夜加熱演示單元

放射性同位素核熱源是月球著陸器過夜的最佳選擇，但對美國宇航局來說，繼續(xù)使用核熱源卻有個不大不小的攔路虎。核熱源都采用半衰期87.7年的钚-238，冷戰(zhàn)時期美國依托龐大的核武器工業(yè)，有充沛的钚-238供應(yīng)，迄今發(fā)射了46個使用钚-238放射性同位素熱源或電源的探測器。但美國1988年已經(jīng)停止了钚-238核材料的生產(chǎn)，主要依靠購買俄羅斯生產(chǎn)的钚-238。后來俄羅斯也停止钚-238的生產(chǎn)，此時美國宇航局庫存35千克钚-238也就夠3次重量級深空探測任務(wù)，美國不得不重啟钚-238的生產(chǎn)。

2015年12月美國能源部橡樹嶺國家實驗室制造了27年來第一批钚-238，但質(zhì)量僅有50克，實屬杯水車薪。美國科學(xué)家絞盡腦汁使用新技術(shù)新工藝，2019年將年產(chǎn)能提高到400克，并計劃到2025年提高到年產(chǎn)1.5千克。對于美國宇航局來說，這點钚-238產(chǎn)能供應(yīng)木星以外的重量級深空探測器都不太夠用，不太重要的月球探測要用钚-238，肯定得排到猴年馬月去了。美國宇航局和商業(yè)航天公司開展月球探測，現(xiàn)在卻面對巧婦難為無米之炊的困難。當然，他們并沒有坐以待斃，Astrobotic公司和大學(xué)等研究機構(gòu)正在研究新的月夜生存技術(shù)，轉(zhuǎn)向能量密度低但制造難度更低的化學(xué)能技術(shù)。

▲ NITE的優(yōu)勢：比鋰電池能量密度高，比核電源功率輸出大

Astrobotic公司的解決方案名為夜間綜合熱電系統(tǒng)（NITE），其核心部分是金屬氧化加熱系統(tǒng)，通俗地說，就是通過金屬氧化反應(yīng)放熱來加熱有效載荷，產(chǎn)生的廢氣還能通過燃料電池產(chǎn)生更多的熱能和電能。NITE使用過氧化氫和金屬燃料，用于為探測器的月夜生存提供熱能，至于探索月球永久陰影區(qū)的短期任務(wù)，更是不在話下。Astrobotic公司已經(jīng)造出了5瓦的金屬氧化供熱演示系統(tǒng)，達到了TRL 4級技術(shù)成熟度，現(xiàn)在還在研制更大功率的金屬氧化放熱系統(tǒng)，計劃到2024年2季度發(fā)展到TRL 6級。Astrobotic公司表示，這套NITE系統(tǒng)可以達到1900 瓦時/千克的能量密度。現(xiàn)在電動汽車上的鋰電池能量密度普遍在200瓦時/千克以下，特斯拉使用的4680鋰電池能量密度也只有不到300瓦時/千克，而金屬氧化系統(tǒng)的能量密度要高好幾倍，相比使用蓄電池進行月夜保溫的概念，更能有效降低加熱系統(tǒng)的體積和重量。

▲ 商用鋰電池能量密度最高只有約300瓦時每千克

商業(yè)公司Astrobotic的金屬氧化加熱方案，實際上是一種熱電聯(lián)產(chǎn)的金屬基燃料電池，雖然能量密度甚至無法和阿波羅時代的氫氧燃料電池相比，但NITE方案不僅同樣能間歇工作，而且過氧化氫和金屬都無毒易存儲，也能通過添加燃料延長使用壽命。過氧化氫也是發(fā)動機的氧化劑，只需利用著陸后剩余的過氧化氫，既無需專門儲存，也省去了著陸后排空剩余推進劑的問題。NITE系統(tǒng)反應(yīng)生成的廢氣繼續(xù)和氧化劑反應(yīng)，用于直接產(chǎn)生電力，相比RHU方案，還能額外提供電力供應(yīng)。NITE系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃料電池相比，不用高壓或低溫貯箱，可靠性高，產(chǎn)熱效率高且熱量耗散損失低；與斯特林發(fā)動機相比，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了自存儲，供熱能力能快速節(jié)流調(diào)節(jié)。總而言之，這是一種構(gòu)思巧妙、安全高效的熱電供應(yīng)方案。

月球探測用處多

NITE夜間綜合熱電系統(tǒng)是化學(xué)能系統(tǒng)，而核燃料能量密度比化學(xué)燃料高約6個數(shù)量級，钚-238功率可達550瓦/千克，以工作10年計算能量密度就高達約4800萬瓦時/千克。即使綜合考慮整個核熱源，俄羅斯的4瓦核熱源總重量為390克，能量密度比化學(xué)能供熱裝置仍高出幾個數(shù)量級。NITE系統(tǒng)終究只是美國钚-238核材料不足的權(quán)宜之計，即使如此，化學(xué)能綜合熱電系統(tǒng)在未來月球探測中也有望獲得廣泛應(yīng)用。

▲ VIPER月球車，可能使用NITE月夜存活

NITE系統(tǒng)不需要像RHU核熱源和RTG核電源那樣使用核材料，不僅沒有制造使用核材料的高成本，更無需面對钚-238等核材料產(chǎn)能不足的問題，它首先將用于探測器的月夜加熱保溫。Astrobotic公司是美國商業(yè)登月領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，獲得了美國宇航局兩個登陸器的研制合同。今年年底計劃發(fā)射的游隼著陸器還來不及使用NITE夜間綜合熱電系統(tǒng)，但未來其他著陸器攜帶的月球表面有效載荷和研究調(diào)查將使用NITE系統(tǒng)供熱，讓有效載荷度過14天的漫長月夜。2024年底發(fā)射的VIPER月球車和格里芬著陸器也可能用上NITE系統(tǒng)。讓430千克的VIPER大型月球車挺過月夜，具有很大的科研價值。VIPER的前身資源勘探者號（RP）月球車設(shè)計壽命只有14天，而VIPER月球車具有100天的設(shè)計壽命。

世界各國尤其是美國的月球探測，未來聚焦極區(qū)，主要是月球南極。月球南極點附近區(qū)域存在日照時間長達80%～90%、幾乎日不落的永久光照區(qū)，以及真正常年不見天日的永久陰影區(qū)。永久陰影區(qū)很可能存在大量的水冰，是月球的主要資源之一。

永久光照區(qū)有長時間的陽光照射，便于通過太陽能電池補充能量。環(huán)形山底的永久陰影區(qū)恰好被毗鄰的永晝山峰包圍?？紤]未來月球探測的實際環(huán)境，未來極區(qū)著陸器需要加熱保溫的月夜并不是月面工作時間的一半，而是只有最多1/5的時間，化學(xué)能熱電系統(tǒng)能量密度低的劣勢反而得到了部分緩解。

化學(xué)能熱電系統(tǒng)未來將用于其他月球商業(yè)載荷服務(wù)的著陸器、月球車和跳躍器等探測器，供它們平安度過一個個寒冷月夜。美國載人登月阿爾忒彌斯計劃正在研制空間核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆使用常見的鈾作為核燃料，沒有钚-238同位素產(chǎn)能問題的困擾。但月面工作的小型核反應(yīng)堆研制需要時間，也存在一定的技術(shù)難題。在初期的載人登月任務(wù)中，化學(xué)能熱電系統(tǒng)也能為登月載荷提供寶貴的月夜生存能力。

此外，未來深入月球永久陰影區(qū)的月球車也能使用化學(xué)能熱電系統(tǒng)開展短期工作。尤其是化學(xué)能熱電系統(tǒng)容易放大輸出功率，甚至可以直接驅(qū)動月球車工作，這就更是RHU核熱源無能為力的。

美國好奇號火星車使用MMRTG核電源，研發(fā)成本8300萬美元，造價更是達到了1.09億美元。它重45千克，可工作至少14年，但供電功率只有125瓦，如果提供同樣的供電功率，化學(xué)能熱電系統(tǒng)足以支持月球車在永久陰影區(qū)的短期工作，而無需付出MMRTG上億美元的研發(fā)制造成本。

考慮到月球車不需要在永久陰影區(qū)長期工作，尤其是持續(xù)活動數(shù)月甚至數(shù)年之久，使用能量密度低但研發(fā)制造成本更低的化學(xué)能熱電系統(tǒng)，也是一個很有價值的方案。