由于預(yù)算有限,印度月船三號(hào)的維克拉姆著陸器與普拉吉安月球車都沒有配置月夜供熱用的同位素核熱源,然而,兩個(gè)探測(cè)器仍然做了過月夜準(zhǔn)備工作(載荷斷電、蓄電池充滿電、太陽能電池朝向太陽照射方向),這是為何?
探測(cè)器在月球表面存活時(shí)間的長(zhǎng)短,取決于其在月夜低溫環(huán)境中的適應(yīng)能力。
人造衛(wèi)星在環(huán)繞地球飛行期間也會(huì)經(jīng)歷陽照區(qū)與陰影區(qū),兩區(qū)之間的溫差可以達(dá)到幾百度,熱量控制是航天器需要解決的基礎(chǔ)安全運(yùn)行問題,一般情況下需要將航天器的溫度控制在55℃至-15℃之間。
航天器熱控有被動(dòng)熱控與主動(dòng)熱控兩種辦法,兩種辦法通常是兼而有之。當(dāng)航天器通過陽照區(qū)時(shí),溫度急劇升高,航天器表面可以包覆隔熱用的聚酰亞胺薄膜,薄膜表面可以鍍鋁、鍍金、鍍銀,從而實(shí)現(xiàn)不同的輻射性能,我們經(jīng)常看到衛(wèi)星表面金燦燦、銀閃閃的薄膜就是此類產(chǎn)品。
像神舟載人飛船的返回艙、天問一號(hào)探測(cè)器登陸火星的進(jìn)入艙,在軌運(yùn)行期間也有隔熱需求,它們用的就不是隔熱薄膜,而是基于噴涂材料實(shí)現(xiàn)在空間環(huán)境中的被動(dòng)溫度控制。
以前神舟飛船返回艙的外觀顏色通常都比較深,而如今,不論是神舟載人飛船返回艙,還是天問一號(hào)進(jìn)入艙,基本都統(tǒng)一成了銀色,這是我們新研制的低吸收低發(fā)射熱控涂層,可以實(shí)現(xiàn)航天器長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間的溫度控制。
除此之外,還可以設(shè)置散熱冷板,比如國(guó)際空間站桁架上展開的類似太陽能電池板,但又不是太陽能電池板的裝置,就是散熱冷板,我國(guó)空間站艙外有一層與艙體有間隙的包殼也是散熱冷板,這些都是被動(dòng)熱控辦法。
被動(dòng)熱控辦法并不足以完全滿足航天器的調(diào)控需求,此時(shí)就可以用上流體回路,讓液體工質(zhì)在管路與換熱裝置中進(jìn)行流動(dòng),以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對(duì)流換熱,可以對(duì)航天器設(shè)備的熱量進(jìn)行收集、交換、排散,比如我國(guó)航天員在出艙任務(wù)中安裝的擴(kuò)展泵組就是空間站流體回路的循環(huán)泵備份。
當(dāng)航天器通過陰影區(qū)時(shí),如果收集到的熱量不足,還可以進(jìn)行電加熱,然后通過流體回路進(jìn)行溫度調(diào)控。
但是,如果探測(cè)器位于月球表面,溫度調(diào)控面臨的問題就大不相同了,月球非極區(qū)月面都有月晝與月夜之分。
月晝期間有約14天的連續(xù)光照,此時(shí)探測(cè)器有電力能源獲取的便利,但是由于太陽光的持續(xù)照射,溫度排散的壓力也會(huì)更大,也需要散熱板、隔熱薄膜、流體回路等主被動(dòng)熱控手段,在月午期間,溫度更高時(shí),探測(cè)器還需要通過關(guān)閉部分載荷設(shè)備,停止探測(cè)活動(dòng)來降低設(shè)備溫度。
月晝期間因?yàn)橛心茉传@取優(yōu)勢(shì),對(duì)于探測(cè)器還算友好,但到了月夜期間就完全不同了,連續(xù)約14天無光照,溫度可低至-190℃,能源獲取能力為零,即便蓄電池充滿電,也不能將有限的電力轉(zhuǎn)換成熱能,長(zhǎng)期的低溫會(huì)使航天器的設(shè)備、載荷凍壞,尤其是蓄電池對(duì)溫度更加敏感,比如,法國(guó)的阿斯特里克斯衛(wèi)星就因?yàn)樾铍姵販囟冗^低而停止工作。
此時(shí)就需要不依賴外部環(huán)境的獨(dú)立熱源供給,比如放射性同位素核熱源,放射性同位素在衰變時(shí)會(huì)發(fā)射高速帶電粒子,這些帶電粒子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的動(dòng)能被吸收或者阻止時(shí)就可以產(chǎn)生熱能,這些熱能就可以為月面探測(cè)器在月夜期間供熱。
以嫦娥三號(hào)著陸器為例,它配置的是钚-238同位素核熱源,其半衰期長(zhǎng)達(dá)87.7年,這就是為什么登月將近十年,著陸器依舊有科學(xué)探測(cè)載荷可以工作的原因,而只要一臺(tái)科學(xué)探測(cè)載荷可以工作,就表明探測(cè)器平臺(tái)基本運(yùn)行功能是正常的,同位素核熱源是功不可沒的。
同時(shí),基于同位素核熱源的熱能還可以實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電,嫦娥四號(hào)著陸器就配置了核電源,可以在月夜期間為測(cè)溫裝置供電,從而獲得月夜期間精準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)。
基于世界無人月面探測(cè)器的生存時(shí)間排名可知,前四名均為配置有同位素核熱源的中國(guó)探測(cè)器,分別是嫦娥三號(hào)著陸器、嫦娥四號(hào)著陸器、玉兔二號(hào)月球車、玉兔號(hào)月球車,然而再看嫦娥系列之后的那些上個(gè)世紀(jì)的探測(cè)器,同位素核熱源的配置與否貌似也并不是月面生存時(shí)間長(zhǎng)短的唯一決定性因素。
比如配置同位素核熱源的蘇聯(lián)月球車2號(hào)比沒有配置同位素核熱源的美國(guó)勘測(cè)者1號(hào)著陸器的存活時(shí)間還要短,前者是月球車,屬于月面移動(dòng)裝備,機(jī)械故障的可能性較大,然而勘測(cè)者1號(hào)著陸器的7個(gè)月零7天的月面生存時(shí)間表明,即便沒有同位素核熱源,月面探測(cè)器也可以具備度過月夜的能力,這取決于探測(cè)器平臺(tái)設(shè)備適應(yīng)極端溫度環(huán)境的能力強(qiáng)弱。
總體來看,無同位素核熱源探測(cè)器的月夜生存能力仍然是極為有限的,比如自勘測(cè)者一號(hào)之后,接下來的勘測(cè)者3號(hào)、勘測(cè)者5號(hào)、勘測(cè)者6號(hào)、勘測(cè)者7號(hào)的月面生存時(shí)間均沒有超過4個(gè)月,其中有的連一個(gè)月夜都熬不過去,多數(shù)也就是一兩個(gè)月夜的生存能力。
考慮到時(shí)代的發(fā)展,技術(shù)的進(jìn)步,印度月船三號(hào)即便參照上世紀(jì)無同位素核熱源探測(cè)器的最長(zhǎng)月面時(shí)間來看,可以存活半年多時(shí)間,如果運(yùn)氣不太好,可能第一個(gè)月夜都熬不過去。
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