宇宙飞船上的“电池”
时间：2020-12-10 11:33:40 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
在菲利普·迪克、威廉·吉布森、罗伯特·海因莱因等科幻作品大师的笔下，未来造型新颖的宇宙飞船和其他的运输工具，如深空勘探宝藏船、科幻版巡洋舰、奇特的太空货船等，必将在金星、木星等其他行星、星系和空间自如穿梭。
金星是太阳系中环境最恶劣的星球之一，表面被硫酸云覆盖，地表温度高达460℃，大气压力是地球的90倍，铅、锌、锡以液态方式存在。
为了真正了解这个星球，我们首先需要一个着陆器，用来监测大气层、磁场以及地表岩石的化学成分，并做一些地震学研究来解释星球内部的样貌。俄罗斯Venera D探测器有一个着陆器，携带“微型探针”气球漂浮在金星的天空中时，微探针会一个接一个地被抛下去，对星球的不同位置进行科学测量。但由于所带电池电量的限制，它只能维持微探针工作3个小时。为了让探测器能够工作得更久，我们需要更坚固的电子设备。
1.电子设备
由于行星阴影的周期性遮挡和金星常有阴天的原因，随着宇宙飞船进入金星轨道，探测仪的太阳能帆板产能效率将会下降，最终无法产生足够的电能供探测器工作。
美国宇航局正在寻找能抗高温的芯片。在高温条件下，许多材料的性能都会发生改变。如在300℃左右，硅就会变成导体，但是硅电路运转良好，所以美国宇航局正试验以碳化硅为材料的电子设备，以便宇宙飞船的太阳能帆板在高温条件下可以运转更长的时间，从而更顺利地完成金星表面的探测作业。
硅电路每秒钟能接通和断开75亿次，它的速度是迄今所知传导最快的硅晶体管的2倍。科学家将电路元件缩小到十分之一微米，即人的头发的千分之一或几百个原子那样大，就能达到超级速度。碳化硅的导电率高、抗辐射性好，并且可以在超高温度下发挥作用。如用碳化硅制成半导体，可大大减少电子设备的内部消耗，减少电子垃圾的产量，提高电子设备的效率。
2.电力系统
一般情况下，航天器的电源系统占整个航天器质量的30%左右，分为三大部分：发电系统、储能系统、电源管理和分配系统。
首先，电源系统的质量必须足够小，以便提升“能量密度”，即足够小的体积能产生足够强大的电力；其次，它必须寿命长，且安全可靠，才能确保宇宙飞船搭载设备的电力使用需求；最后，考虑到宇宙飞船运行环境的特殊性，它的电力系统还必须能够在零重力和高真空环境下正常运作，同时必须能经受住超强辐射环境和极端温度的考验。
美国宇航局研发的“先进斯特林同位素热电机（ASRG）”，为未来的长期太空任务提供设备的降温处理及探测提供了电力支持。它是一种利用放射性衰变获得能量的发电机，其原理是通过热电偶装置，把放射性同位素钚-238衰变产生的热直接转换为直流电，提供给各种仪器设备使用。通过钚-238制造的核电池可以成为太空船的强大能源，让其在阳光过于黯淡的地区仍然能继续飞行和传递数据。
3.能源方面
美国宇航局的米尔和他的团队决定用锂来解决宇宙飞船的能源问题。锂的熔点为180℃。在氮气占大气比重约4%的金星上，它很适合作为一种“易燃”的液体燃料。据研究，一个包含发动机和燃料的50千克设备可支撑探测器对金星土壤和云层进行两天的考察，并向地面发回宝贵资料。
锂是清除杂质最理想的材料，是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。一千克锂通过热核反应释放出的能量相当于两万多吨优质煤的燃烧。若用锂或锂的化合物制成固体燃料，用作火箭、宇宙飞船的推动力，不仅能量高、燃速大，而且有极高的比冲量，火箭的有效载荷直接取决于比冲量的大小。
此外，锂不会产生污染。先进的锂离子电池技术正在不断改进，以便将其储存能量提升一倍。锂基润滑脂兼有高抗水性、耐高温和良好的低温性能。电力推进通常是采用高速电驱推进剂实现驱动的，但也有一种称作“电动力绳系”的技术，可以利用行星磁场的能量实现飞船驱动。
4.发动机
美国国家航空航天局（NASA）在2015年向华盛顿州“美国喷气发动机-火箭公司”批出价值6700万美元（约合人民币4.33亿元）的合约，研发先进电力推进系统，把太阳能转化为电力，配合氙推进剂，这将有助于科学家执行“小行星重新定向任务”的机器人操作部分以及探索火星任务。
NASA专家表示，电力推进系统包括电源处理单元、氙流量控制器和电气线束。当太阳光被转化为电力后，配合“离子驱动器”和“霍尔推进器”，令推进燃料“离子化”，产生更强推力，可将宇宙飞船的速度提升至每小时90000 英里，大约每秒40公里。目前，NASA已制造出一款原型推进器，可供该公司作为电力推进系统的参考。如进度理想，2020年前可进行电力推进系统示范飞行任务。
