为什么天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池？

Question

如题所述

Answer 1

2020å¹´7月23日，中国第二个火星探测器“天问一号”成功发射升空，如果一切正常，预计于2021å¹´2月份抵达火星。

 

美国几十年前就开始探测火星了，2012年8月，NASA的好奇号火星车成功登陆火星，这虽然是美国的第4台火星车，但它却是世界上第1辆采用核动力驱动的火星车。

 

上图为好奇号火星车。

 

我国的嫦娥4号月球探测器就使用了中俄联合研制的核电池，这也是我国的航天器首次使用核电池。

 

老美的技术比较先进，在1961年就为人造卫星用上核电池了。而发射于1977年的旅行者1号探测器也使用了核电池，所以能够持续工作几十年，预计到2025年才会失去电力。

 

天问1号火星探测器虽然也搭载了一辆火星车，但是还是使用的太阳能电池供电。为什么我国不为火星车装上核燃料电池？

 

 

什么是核电池，有什么优点？

 

核电池，简单来说就是将核能转换为电能的装置。世界上最早的核电池是美国于上世纪50年代研发出来的。除了一些航天器，心脏起搏器中也采用了这种电池。最小的核电池仅比硬币大些。

 

上图就是微型核电池，这一类小型核电池可以为心脏起搏器供电。

 

通常有三种方式可以产生核能，分别是核聚变、核裂变和核衰变。核聚变还在研究当中。核裂变已经用于发电，核潜艇中就用的是小型核裂变反应堆，不过要想装到航天器上，技术上还达不到。

 

上图为核动力潜艇。

 

核衰变就是放射性元素的衰变，通常包括阿尔法衰变、贝塔衰变和伽马衰变，在衰变过程中能够释放出能量，不过能量没有核聚变和核裂变那么强。

 

上图为放射性元素的三种放射性衰变。

 

核电池又叫做放射性同位素发电装置，种类非常多，应用较广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。其中，温差式核电池通常被用于航天器，它利用具有热电效应的材料将核衰变过程中释放出的能量（热能）转化为电能，然后供航天器使用。

 

上图为NASA的放射性同位素温差发电装置的主要结构，中心的核燃料棒就是二氧化钚。

 

不过，并非所有具有放射性的元素都能当核电池材料。必须要达到一定功率，才能供航天器使用。目前，国际上普遍使用的是钚-238这种人造放射性核素，它的半衰期在87.7年，利用的是阿尔法衰变过程中释放的能量。嫦娥4号和好奇号就采用的是这种电池。

 

上图为钚-238 核燃料棒。

 

核电池具有结构简单、可靠性高、能量密度大、寿命长等优点，几乎不会受周围环境的影响，可以在很恶劣的环境下稳定地输出电力。

 

为什么天问1号不使用核电池？

 

航天器的主要能源就是太阳能和核能。之所以要在探测器中使用核电池，是因为离太阳越远，太阳能电池所能提供的电力就越弱。在火星轨道所能接受到的太阳辐射仅为地球轨道的40%。在火星上，你看到的太阳不仅更小，而且亮度也更弱。

 

上图就是火星上拍到的太阳，阳光比地球上弱很多。

 

而且在某些探测任务过程中还会经历黑夜等问题，为了保证探测任务正常进行，以及探测器内的设备不被低温损毁，必须持续而稳定地为探测器上的设备供电，因此有时必须使用核电池。不过，使用了核电池的探测器，也会使用太阳能电池，两者互为补充。

 

 

首先，我国的第1块核电池虽然诞生于1971年，不过我国的核电池技术并不成熟，制造的核电池转化率太低。嫦娥4号使用的核电池功率仅3瓦多，并且转化率不到1‰ï¼›è€Œå¥½å¥‡å·ä½¿ç”¨çš„核电池的功率达到了110瓦，转化率达到了4.3‰ã€‚要想达到同样的输出功率，以我国目前的技术，需要塞更多的核燃料，这意味着探测器的总重量会增加，这会加大发射难度。

 

其次，核电池中使用的材料具有放射性，对火箭发射系统的安全性和稳定性的要求也更高。我国是首次自主发射火星探测器，万一发射过程中出现问题，会产生很大的安全风险。美国之前就发生过类似的事件，导致钚-238被释放到大气中。

 

此外，钚-238由于是人造核素，生产成本极高，并且产量也有限，不能随便乱用。天问一号不仅是我国首个行星探测任务，也是第1个火星探测任务，预期寿命只有三个月，具有一定的试验性质，所以要谨慎。而且天问1号本身携带的探测仪器并不多，只需用太阳能便可以满足基本要求。科研也是有预算的，钱不能随便乱花，要用在刀刃上。

 

上图为天问1号火星车。

 

搞科研，不能盲进，步子跨大了，容易出问题。美国在此前的火星探测任务中，也没有率先使用核燃料电池，就是综合考量的结果。

 

可以肯定，我国在未来的火星探测任务中，如果火星车需要长距离、长时间运行，并且携带了较多的科研仪器，肯定会使用核燃料电池，不然光靠太阳能是满足不了需求的。

 

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Answer 2

自古以来，人们都没有停止过对于宇宙，对于未知星球和领域的探索，只不过古代的时候是猜想，是想象，比如嫦娥本月的传说，而现如今是真正的探索，比如人类会登上火星，会登上月球等。大家都知道，把探测器送上天，最重要的除了技术问题外，还就是能源问题。如果能源问题不能解决的话，那即便能够制作出探测器，也没有办法实现真正的探测。不过在这一方面，咱们中国一直都在探索，比如咱们自主研发的天问一号火星探测器，就已经于7月份成功发射，预计花费7个月时间到达火星。但了解火星探测器的朋友应该都知道，咱们国家发射的天问一号火星探测器用的并不像NASA好奇号那样用的是核电池，而是用的太阳能电池。那咱们的天问一号火星探测器为什么不用核电池呢？接下来，冷眼就给大家简单分析一下，看看咱们的天问一号火星探测器为什么不用核电池。

首先，跟太阳能电池相比，核电池自然是更加高端一点的，因为核电池比太阳能电池更耐用，使用的时间会更长，而且在火星上，可以利用的太阳能并不是很多（火星离太阳更远，太阳的热能和光到达火星会打折扣）。那为什么咱们的天问一号火星探测器不像NASA好奇号那样采用核电池呢？首先第一点原因就是咱们国家的核电池技术还不够发达，这个咱们没有办法否认。了解咱们国家航天历史的人都知道，尽管咱们国家第一块核电池诞生于1971年，但直到现在为止，科研人员都没有突破核电池转化率低的难关。比如咱们在嫦娥4号上使用的核电池，功率只有3瓦多，转化率不到千分之一。而美国NASA好奇号，他们的核电池功率达到了110瓦，转化率达到了千分之4点3。所以咱们的天问一号火星探测器没有用核电池，因为咱们的核电池技术还不够成熟，还有很大的进步空间。

当然，作为咱们中国第一个火星探测器，国家对于这个天问一号火星探测器的期待值并不是特别高，换句话说，这个天问一号火星探测器，更多的是一种实验性质的探测器。如果天问一号火星探测器成功抵达火星，那之后肯定是会考虑采用核电池的。当然，天问一号火星探测器是咱们中国第一个火星探测器，如果给它配备核电池，那势必会增加技术难度和发射风险，比如核电池中肯定会涉及到放射性物质，如果一旦发射失败的话，那就会导致放射性物质释放到大气中，这显然是非常危险的。

Answer 3

因为核电池的费用较高，我们的天问一号只去三个月不需要这么贵的电池，所以用的是太阳能电池。

Answer 4

其实核电池是非常有好处的，但是我国对于这项技术掌握还不够透彻，转化率不能达到那么高，所以硬要装载反而成了负担，就不用了。

Answer 5

中国的核电池还没成熟，不过也快了。第一次上火星绕落巡困难重重，什么风险都有可能发生，就相当于先行探路，也有可能会失败。哪怕是失败了不可怕，失败也是一种经验。