航天器上的電源經歷了怎樣的發展?未來的發展趨勢是什麼?

冬之小岑

運載火箭與航天器上所有重要的分系統(數管、推進、導航、姿軌控、測控通訊和有效載荷設備等)都需要有持續可靠的電能供給才能正常工作。電源與供配電分系統就是這些航天器上最重要的分系統其主要可分為4大功能模塊:能源生成、能源儲存、能源管理和能源分配。

目前,航天器上的常用電源有太陽能電池電源、化學電源和核電源等多種。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的能源。因此,目前大多數航天器都主要採用太陽能電池,因為這種電池可利用半導體材料的光電效應將太陽能轉換成電能,能工作幾年甚至幾十年。現在的航天器都把數以萬計的太陽電池片貼在面積很大的板上,然後把整塊太陽電池板安裝在航天器星體外面,因此發電功率較高。

太陽電池供電具有壽命長、質量輕的優點,但其首要條件就是太陽電池翼必須在太陽光的照射下才能產生電源。那麼當航天器進入地球的陰影區,太陽照不到航天器的太陽電池翼時怎麼辦呢?目前的辦法是把太陽電池陣與蓄電池(即可充電的電池)一起組成太陽電池陣-蓄電池組電源系統,當航天器飛到陰影區時,由蓄電池給航天器上的設備供電。航天器上用的蓄電池有多種,如鋅銀電池、鋰電池以及燃料電池。燃料電池是一種不同於一次性電池或蓄電池的化學電池,可把儲存在燃料中的化學能經過化學反應轉變成電能。

航天器上用的核電源主要由熱源、熱電轉換裝置和散熱器等組成,其中熱源有放射性同位素源和核反應堆兩種,熱電轉換裝置有溫差熱電偶和熱離子二極管等多種,用不同的熱源、熱電轉換裝置能組成不同種類的核電源。目前,已進入實用階段的核電源有放射性同位素溫差發電器、核反應堆熱離子發電器兩種。前者發電功率為幾十至幾百瓦,後者發電功率為幾千瓦至數十千瓦。

核電源有一些明顯的缺陷,比如航天器上使用核電源時,要求對航天器上的儀器設備採用輻射屏蔽措施,這樣就增大了航天器質量;此外,核電源價格昂貴,且不安全,如果採用核電源的航天器發生故障而墜毀,它會對大氣和地球造成汙染。載人航天器目前不採用核電源,人造地球衛星採用核電源的也很少,只有一些遠離太陽的木星探測器、土星探測器等空間探測器才採用核電源。


諍聞軍事

在火星軌道的範圍內,使用太陽能電池是主要的,但超出這個範圍,就只有核動力才能承擔重任了。

特別是在月球上,登月的航天器需要克服“月夜”的困難,此時太陽能電池是無能為力的。目前都是採用“核能源”作為“熱源”或“電源”。

核能源分為“衰變能”和“裂變能”兩種,對應的裝置就是“核電池”與“核反應堆”。它們的特點如下:

核電池具有裝置簡單,穩定性高,可長期工作(達幾十年),適應惡劣的工作條件等優點。但缺點是功率不高(目前最多幾百瓦),不能改變功率(自然衰變除外)和價格昂貴。

核反應堆具有功率高(可達幾千瓦),可變功率的優點。但具有裝置複雜,使用時間短(一般只有幾年,因為無法添加核燃料)的缺點。

目前,核能是航天能源發展的重點,但只有核電池的用途比較廣泛,而核反應堆使用比較少,只有蘇聯的幾顆地球衛星使用過核反應堆能源。美國正在發展火星上使用的小型核反應堆(核電池早就已經使用了)。但發射時危險性需要考慮。


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