空間核電源，人類深空探測的未來

◎文 楊宇光

空間核電源，人類深空探測的未來

◎文 楊宇光

1957年，蘇聯在發射人類第一顆人造地球衛星時使用的是化學電池，雖然這顆球形的衛星宣告了人類太空時代的到來，但在電池耗盡后，衛星也停止了播發無線電信號，成為“太空垃圾”。后來，太陽能電池的出現，為衛星提供了持續不斷的能源供應，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砷化鎵太陽能電池的效率已經超過30%。可以說，在地球附近使用太陽能已經足夠好，而隨著技術進步，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生嚴重的依賴，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對地球定向，及在對所關注的天體探測時對其表面進行定向。這在航天器環繞地球時，三者還可以基本保持統一，但在環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，增加了航天器設計的復雜性。

更要命的是，當航天器運行在比地球離太陽更遠的軌道時，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，人類已經在船舶、潛艇等上面大量使用核反應堆供電，甚至在南極的科考站也能夠配備核反應堆。因此，在太空使用核能成為航天時代早期就考慮的技術途徑。

在太空使用核能包括放射性同位素熱源、放射性同位素熱電源和核反應堆。其中放射性同位素熱源最簡單，僅利用放射性同位素在衰敗過程中能夠發熱的特性，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。放射性同位素熱電源在能夠供熱的同時，還可以利用熱電轉換提供電力，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，放射性同位素熱電源已經在深空探測器中得到了廣泛的應用，人類發射的最遙遠的航天器—“先驅者”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”的放射性同位素熱電源在工作超過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，火箭發動機最為關鍵的性能指標—比沖，一直沒有質的提高，即使性能最好的液氫液氧發動機的比沖也只有400多秒。

電推進的出現，極大地提高了深空探測器的性能，其比沖可以達到數千秒以上，目前正在得到越來越廣泛的應用。但即使只有幾十毫牛推力的電推進發動機，其功耗要求也在千瓦量級，在未來的深空探測任務中，放射性同位素熱電源很難滿足其巨大的供電需求。

在這樣的技術瓶頸和需求背景下，在深空探測器中使用核反應堆就成為未來最有希望從根本上解決問題的技術途徑。雖然人類航天時代早期發射上天的核反應堆只有幾十千瓦的輸出功率，但隨著技術進步，有望制造出供電功率達數兆瓦的空間核反應堆。這類核反應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。采用這樣的技術途徑，人類進行深空探測時的飛船規模就可以成倍地縮小，不但能夠實現載人登陸火星，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。即便是在月球建立基地，通過使用核反應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，使用空間核反應堆最大的障礙就是其安全性問題，也曾出現過核衛星失控墜落的嚴重事故。因此，解決安全性問題成為空間核能源與核動力發展的至關重要因素。對深空探測而言，只要能解決發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，這樣的技術途徑將大有希望。