鉅大LARGE | 點擊量：5752次 | 2021年09月29日
嫦娥三號的核電池：動力持久不怕凍
“嫦娥”探月的關(guān)鍵一步
我國探月“三年一會”，在這個冬天如期而至。
繼2007年嫦娥一號，2010年嫦娥二號完成奔月之旅后，2013年十二月二日凌晨，嫦娥三號攜帶我國第一輛登月車飛向月宮。
這是我國探月工程“繞、落、回”三個階段中第二階段，卻是最為關(guān)鍵的一步。我國是否進行載人登月及建立駐月基地，要在這一“落”中尋找更多的答案。
航天是一項風險極高的事業(yè)，沒有強大的國力和技術(shù)儲備，很難進行。從火箭運載工具到航天器的設(shè)計制造，從深空測網(wǎng)布局到遙操作，從無人探測器到載人航天，每一步都是國家綜合實力的體現(xiàn)。
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天空就在那里，我們要夢想更要理性，從嫦娥一號升空到實現(xiàn)載人登月的夢想，我國仍有很長的路要走。而每一步的邁出都要依據(jù)我國的科技水平、綜合國力和國家整體發(fā)展戰(zhàn)略而制定。
寒冷的月宮即將迎來首位我國訪客。十二月二日，承載國人探月夢想的嫦娥三號順利升空，并準確進入地月轉(zhuǎn)移軌道，開啟了我國首個航天器在地球外天體著陸的大幕。
按照計劃，嫦娥三號將在十二月六日進入高度為100公里的近月軌道，并在發(fā)射13天后在月球上執(zhí)行軟著陸，而首次登月的“玉兔”月球車將完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。
在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展的強力支撐下，我國在宇宙探索的路上開始“加速度”。
“落下去，走起來”
自1976年美蘇等航天大國探月工程告一段落以后，就沒有哪個國家再到月球上進行落月探測。
按照我國的嫦娥三號任務(wù)，整個探月共有三步，落下去算一步，月球車走起來算一步，到達之后完成全部任務(wù)是最后一步。在“嫦娥之父”、我國空間技術(shù)研究院空間科學(xué)與深空探測首席專家葉培建看來，安全落下去就是成功，隨后月球車離開著陸器行走起來并能在月球上工作一段時間，任務(wù)結(jié)束以后就是最大的成功。
如何安全地落下去，并順利地走起來，是嫦娥三號遇到的最大挑戰(zhàn)。
在整個落月過程中，在離月面一百米的時候要像直升機相同懸停，通過全景相機等對月面進行探測，選擇合適的降落區(qū)。若有石頭或者是坑，就要進行平移，選擇一個更安全的地方。
隨后的軟著陸更是巨大的考驗。因為月球沒有大氣層，不能使用降落傘進行減速，科研人員采用變推力發(fā)動機、自主導(dǎo)航控制技術(shù)和研發(fā)緩沖吸能部件來攻克這一難關(guān)。
“一邊落一邊往上推，這樣慢慢降下來，逐漸下落至距月球表面4米的位置之后發(fā)動機將熄滅，將采用自由落體的方式，軟著陸在月球?！焙教鞂＜引嬛聘嬖V《我國新聞周刊》，“難度之大，超乎想象。”
接下來要過巡視關(guān)，月球車得動起來，還要保證不翻車。在開始行進前，月球車采用的是視覺導(dǎo)航，利用自己所攜全景相機，對四周進行觀測，自主進行規(guī)劃路線，然后行進。與此同時，全景相機所拍資料傳回地面，以便無法自主行進時，地面科技人員遙操作控制巡視器移動。
與美俄無人探月要么是單個著陸器，要么是單個月球車不同，我國的嫦娥三號是把著陸器和月球車探測器結(jié)合起來的聯(lián)合探測。
月球科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜冶硎荆隙鹑柼魬?zhàn)人類月球科學(xué)探測史上的幾項“首次”重要由嫦娥三號攜帶的八大科學(xué)載荷中的三件完成。其中，近紫外月基天文望遠鏡將進行世界上首次用月基天文望遠鏡觀測天文；月球車“腹部”的測月隨月球車移動探測月球地底下30米深土壤層的結(jié)構(gòu)和100米深的次表層結(jié)構(gòu)亦屬世界首次。
月夜生存是嫦娥三號落月后面對的又一難關(guān)。龐之浩說，月晝月夜有330多攝氏度溫差，必須保證各載荷在寒冷的月夜下著陸器和探測器不被凍壞，太陽出來時再自動喚醒開始工作。
為突破長時間經(jīng)受嚴寒難關(guān)，在月球上過夜，嫦娥三號將攜帶核能電池飛天。核電池對將在月夜環(huán)境下生存的嫦娥三號的保溫至關(guān)重要。龐之浩告訴《我國新聞周刊》，不僅可以確保探測器上儀器不被凍壞，夜間休眠中的月球車還可以靠核電池放出來的熱量保溫。
此外，核電池還可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動；支持嫦娥三號所帶設(shè)備正常工作；支持嫦娥三號與地球之間的通訊。據(jù)了解，嫦娥三號探測器攜帶的核電池由中核集團研發(fā)。
與美蘇上世紀50~70年代即把核電池用于航天領(lǐng)域相比，我國則落伍很多。我國第一塊核電池于1971年三月十二日誕生于中科院上海原子核所，并進行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗。從我國原子能科學(xué)研究院官方網(wǎng)站上可以發(fā)現(xiàn)，2004年開始該院正式啟動航天用同位素電池的研發(fā)，到2006年，研制出我國第一顆钚238同位素電池，2008年通過了專家組的鑒定。
雖然“國產(chǎn)”同位素電池的功率與美國核電池140瓦左右的功率還有距離，但技術(shù)并不遜色。航天專家稱，在我國未來的深空探測計劃中，比如火星、金星探測中，核電池會發(fā)揮越來越大的用途。
全球“月球車”大比拼
此次嫦娥三號搭載的“玉兔”月球車，金光閃閃，頗引人注目。月球車全名為“月面巡視探測器”，是集航天系統(tǒng)工程和智能機器人為一體的航天器，能完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。
迄今為止，世界上發(fā)射并成功運行的月球車有5輛，其中兩輛無人探測月球車是前蘇聯(lián)在上世紀70年代發(fā)射，另外三輛是美國阿波羅15號、16號、17號有人駕駛月球車。
我國的玉兔號月球車是無人駕駛月球車，質(zhì)量約140kg，與前蘇聯(lián)約1.8噸重的月球車相比簡直是“小個子”。在龐之浩看來，月球車是我國最高智能的機器人，全部自主導(dǎo)航，自己選路線、上坡、下坡、避開障礙，自己指揮身上的儀器操作，最后把數(shù)據(jù)傳回地球。
據(jù)了解，月球車金光閃閃是穿上了一套特殊材料制作的外衣，是一層層比羽毛還輕的保溫膜，這種保溫膜由膜狀物和網(wǎng)狀物間隔拼疊而成，共有15層。此外還有一種銀色膜重要用來反射太陽光和散熱，金銀外衣組成了一個天然的空調(diào)系統(tǒng)。
很長一段時間，月球車由哪個單位制造，并沒有明確的說法。龐之浩透露，“玉兔”月球車由我國空間技術(shù)研究院牽頭，集眾多科研單位研究成果于一身，各個研究單位的優(yōu)勢得到了已有體現(xiàn)。
直到2006年六月二十七日，由我國空間技術(shù)研究院承擔的國家科技攻關(guān)計劃“月球探測車導(dǎo)航技術(shù)研究”通過了科技部組織的國家級驗收，并從七月十二日開始在月球環(huán)境相似的甘肅與寧夏交界處騰格里沙漠邊緣的沙漠腹地進行月球車野外試驗，此后，我國空間技術(shù)研究院研制的月球車才進入公眾視野。
“嫦娥三號任務(wù)系統(tǒng)的探測器系統(tǒng)由我國空間技術(shù)研究院抓總，探測器有效載荷由我國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心抓總?！饼嬛聘嬖V《我國新聞周刊》，這是最嚴謹?shù)恼f法。
據(jù)《我國新聞周刊》了解，我國空間技術(shù)研究院介入月球車的研制可以追溯到2003年，當年二月，北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在我國空間技術(shù)研究院網(wǎng)站發(fā)表名為《開發(fā)我國月球車的初步設(shè)想》的文章，文章稱，北京控制工程研究所承擔了“月球表面探測機器人方法研究”的863項目，并取得了一些成果。
賈陽是我國空間技術(shù)研究院月球車課題組的負責人之一，在2006年的一次訪談中透露，他的團隊在吸取了其他科研單位在移動、導(dǎo)航方面的相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗后，與多家研究單位形成了聯(lián)盟。最終登月的“玉兔”月球車是多家科研單位合作的結(jié)果，哈工大重要負責制作它的移動系統(tǒng)和底盤，沈陽自動化所做的是機械臂。
盡管逃不脫國外月球車的影子，但我國的月球車并不是克隆產(chǎn)品。月球車的每項技術(shù)都打上了我國制造的名字，核心技術(shù)完全自主開發(fā)。
“月球車上的技術(shù)在其他航天領(lǐng)域也會得到應(yīng)用，并不止步于探月?！辟Z陽此前表示，關(guān)鍵技術(shù)掌握了，稍做改裝還可以投入火星探測之用?？紤]到月球與火星星球環(huán)境的不同，會做適當改進，不過移動、導(dǎo)航、自主性的大框架還是一致的。
我國登月下一步
所有參與航天活動的國家都承認，航天是一項風險極高的事業(yè)，幾乎都曾飽嘗過失敗的苦澀。我國探月工程首席科學(xué)家歐陽自遠坦言，探月工程經(jīng)受不起失敗。特別是嫦娥三號80%的產(chǎn)品和技術(shù)都是新的，更新增了風險。
即使是在相對成熟的發(fā)射階段，其運載火箭必須滿足高可靠性、高安全性和高質(zhì)量的“三高”要求，這種要求極為苛刻。
航天專家透露，在完全串聯(lián)系統(tǒng)中，若火箭零部件的可靠性為0.99999，即10萬個零件中有故障的不多于1個，這種情況下組裝的火箭的可靠性卻只有可憐的0.37，也就是發(fā)射3枚火箭就有可能失敗1枚。而要使火箭的可靠性達到0.9999，就要求零件的可靠性達到0.99999999，也就是說，1億個零件中，不可靠的都不能多于1個。
此次執(zhí)飛嫦娥三號發(fā)射任務(wù)的是長征三號乙增強型運載火箭。長征三號乙是我國目前運載能力最大、技術(shù)最先進、構(gòu)成最復(fù)雜的運載火箭，代表我國目前運載火箭技術(shù)的最高水平，在世界航天界也居前列。
長征三號乙增強型火箭在長征三號乙火箭的基礎(chǔ)上開展了六大專項技術(shù)攻關(guān)，科研人員借鑒成功率更高的用于載人航天發(fā)射的長征2F技術(shù)對長三乙運載火箭進行了9項可靠性上升改進項目，飛行可靠性由原來的0.938提升至0.942，以確保嫦娥三號完美落月。
盡管有風險，但我國探索太空計劃依然雄心勃勃。
按照此前中科院公布的我國科技發(fā)展路線圖，其中2050年空間科技發(fā)展路線圖明確提出，2030年前后我國實現(xiàn)載人登月，建立月球基地，2050年前后，載人飛行從月球基地飛向更遠的行星，具備載人登火星能力。
“載人登月目前尚沒有時間表和明確的、精細的路線圖?！饼嬛普J為，載人登月、建立駐月基地以及載人登火星只是科學(xué)家的建議，目前我國探月工程進展至“繞”“落”“回”三步中的第二步。
“若嫦娥三號一切順利，嫦娥四號則會做一些改進，更換落月點?！饼嬛聘嬖V《我國新聞周刊》，嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，其任務(wù)與嫦娥三號相同。
我國科學(xué)院院士、我國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠同樣在嫦娥三號發(fā)射前勾畫了探月工程的未來，嫦娥五號要降落在月球上，探測取樣后實現(xiàn)月面起飛，然后繞月飛行。由于嫦娥五號沒有能量飛回地球，要在發(fā)射嫦娥五號時，同時發(fā)射一條飛船在月球外面繞飛，在月球軌道等嫦娥五號上來與其交會對接，并將其帶回地球。
由于嫦娥五號的有效載荷太重太大，要研制新火箭進行發(fā)射。據(jù)了解，新的長征五號火箭正在研制中，這是一款直徑為5米的重型運載火箭，目前已突破多項關(guān)鍵技術(shù)，進入到試樣階段，并預(yù)計于2015年左右在我國海南省文昌衛(wèi)星發(fā)射中心首飛。
