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天问一号已经升空,开启了中国探索太阳系行星的大门,本文将解释我们探索太阳系的关键技术之一:砷化镓深空电源,如何在天问一号上使用。天问一号巡视器有4个“大翅膀”,能扛住零下110摄氏度超低温,这是在火星上行驶的生存之道。

天问一号在7月23日中午时分已经成功发射,目前已经进入轨道奔向火星。由于本次发射采用了长征5号遥4火箭,能够将6吨的载荷送入霍曼地火转移轨道,天问一号总质量为5吨多,直奔火星也是轻轻松松。话说5吨的质量对于一个轨道器和着陆器而言已经是相当饱和了,美国宇航局的好奇号火星车大约在1吨左右,连同着陆装置“天空起重机”的质量也不超过5吨,可以说中美的火星探测在火箭硬件条件上已经并驾齐驱。

从火星车本身看,天问一号巡视器质量为240公斤,美国宇航局在2003年发射的机遇号火星车为185公斤,从质量上已经全面超过机遇号,换个角度看,中国第一次开启火星探测任务就达到了一个相当高的高度,一次任务实现了绕、落、巡三步走,这是中国历史上的第一次,也是人类在火星探测方面的第一次。

图注:长征5号遥4火箭升空,开启了中国第一次探索火星的历程

图注:巡视器上4片电池板非常醒目,比嫦娥4号的还多2个

图注:嫦娥4号上的砷化镓太阳能电池

巡视器基本情况

本文重点说说天问一号的巡视器,这是中国第一辆火星车,巡视器上主要搭载了6台科学仪器,从名字和性能角度解读是这样的:第一台一起为勘察相机,可以拍摄火星车周围的行驶环境,对态势进行感知,制定行驶路线;第二台为多光谱相机,成像范围更大,能够拍摄全景图像;第三台仪器为次表层探测雷达,主要对火星表面下方的岩层进行探测,属于浅层地质勘测范围、第四台仪器为表面成分探测仪,主要分析火星岩石的表面成分;第五台仪器为磁场仪,对火星磁场进行探测,因为火星磁场极为微弱,这是一个研究重点,与火星失去宜居环境息息相关;第六台仪器为大气环境探测仪,对火星车周围大气、气象进行探测,判断火星天气。这6个载荷全部依靠火星车上的4个大翅膀提供电力,这就是我国目前全面掌握的三结砷化镓太阳能电池和蓄电池技术。

图注:着陆器采用变节流发动机反冲降落,四个缓冲支架

图注:巡视器在着陆器上的示意图,此刻三结砷化镓太阳能电池板还没打开,着陆为缓冲支架设计

4个“大翅膀”暗藏玄机

与嫦娥4号相比,天问一号巡视器有4个大翅膀,多了2个,这说明天问一号巡视器对电力的要求更高了。有了嫦娥3号和4号的经验积累,我国在深空电源方面有了长足的进步。与嫦娥4号所不同的是,天问一号巡视器的三结砷化镓太阳能电池侧重点不同,火星表面环境比月球表面要缓和很多,从温度角度分析,火星表面最高温度可达到30摄氏度,这也是为什么火星表面有季节性液态水的缘故。一般情况下,火星表面温度为零下5摄氏度至10摄氏度,到了夜晚可降低到零下110摄氏度,别看火星是一颗最像地球的类地行星,其实火星表面的情况是不适合人类居住的。

但这样的环境对于嫦娥3号和4号而言,已经算是非常缓和的了。月面温度变化较大,白天可达到127摄氏度,晚上可降低到零下183摄氏度,因此不论是在火星上还是月球上,砷化镓太阳能电池都需要扛住零下110摄氏度以上超低温。我们有了嫦娥3号和4号的经验,对付火星环境就没有难度了。火星表面有一个非常棘手的问题,就是沙尘暴。火星有稀薄大气层,沙尘暴一旦发作起来,可降低砷化镓太阳能电池,机遇号火星车在2018年就遇到沙尘暴,多次差点终结任务。结合嫦娥3号和4号的技术积累,天问一号巡视器的砷化镓太阳能电池性能可在25摄氏度环境中提供30%左右的输出效率,同时采用电除尘技术,让火星尘埃离开电池板表面。

图注:巡视器从着陆器上行驶下来的动画模拟,可以看出电池板全部打开的情况下才行驶出来,巡视器为6轮设计

砷化镓电池居于世界先进水平

三结砷化镓太阳能电池阵列长期以来被美国禁运,也激发了我们工程人员独立自主研发,在此之前的神舟早期任务中,航天器上使用的是多晶硅太阳能电池板。多晶硅技术也是目前光伏发电的基础技术,但是转换效率并没有砷化镓电池高。我国新一代载人飞船、嫦娥3号和4号、北斗导航卫星都采用此类太阳能电池板。砷化镓电池属于太阳能光伏发电,我们常说的硅晶电池分为单晶硅和多晶硅,硅晶电池在全球角度看,占据9成以上的市场,转换率普遍在20%左右。砷化镓电池比较先进,是目前第三代太阳能光伏发电技术,实验室内已经实现了50%的转换率,未来还会进一步提高,生产型转换率维持在30%左右。

从火星轨道的角度看,火星距离太阳约为1.5个天文单位,比地球更远离太阳0.7亿公里。因此光照强度在抵达火星时比地球低了一半,从数据上看,地球轨道的平均光照强度为1353瓦每平方米,由于火星轨道比地球远了0.7亿公里,这个数据下降到590瓦每平方米,下降幅度是非常大的。如果火星进入冬季,那么距离太阳就更远了,平均光照强度还会进一步下降到每平方400瓦左右。美国机遇号火星车使用了将近500片小型砷化镓太阳能电池,在常温下输出功率为460瓦,转换率不到30%。从性能上看,砷化镓太阳能电池并非最理想的电源模式,但却是目前最经济的电源。美国在洞察号火星着陆器上也使用了太阳能电池,并没有使用核电池,毕竟后者一次性的投入更大,造价昂贵。

图注:火星轨道示意图,从地球出发前往火星,至少要飞5500万公里,时间长达7个月左右

美国宇航局在使用机遇号和勇气号是,也发现多结砷化镓太阳能电池存在功率下降的问题,但使用数年问题不大,也基本达到了科研要求。天问一号巡视器上的三结砷化镓太阳能电池只要能清除火星上的沙尘暴附着颗粒,就能实现长久运行。接下来,基于嫦娥4号使用的钚-238核电池的研发经验,我国将制造出适合火星表面使用的核电池,在可预计的未来,中国制造的核动力火星车将出现在火星表面,这个时间不会太远。

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