宇宙飞船科技知识

宇宙飞船科技知识

宇宙飞船发射时，太阳能帆板处于折叠状态，飞船和火箭分离后帆板打开，并在飞行中不断调整方向。

美国宇航局正在研发的斯特林同位素热电机，将为未来的长期太空任务提供电力支持。

如果采用核电技术，未来我们去往火星时，甚至不需要专门携带一台发电机，因为我们的飞船本身就携带了一座核电站。

10月17日，神舟十一号载人飞船成功发射升空，很多人在为神

舟十一号发射成功深感自豪的同时，可能也会好奇，宇宙飞船到了

太空就没有了供电的来源，它是如何解决自身运行及航天员实验、

生活所需要的电力供应呢?下面，就带你一起来寻找答案吧!

我们日常生活中的用电都来自发电厂，宇宙飞船到了太空就没有了供电的来源，那么它用的电是从哪里来的呢?

航天器所需的电能大都来自自备的发电站。以载人航天器为例，其发电站有太阳能发电、核能发电、燃料电池供电和蓄电池供电等

方式，采用哪种方式供电，要根据载人航天器要求的用电功率大小、在空间停留时间的长短和使用条件等来决定。宇宙飞船需要太阳帆

板(即太阳冀)和蓄电池协同工作在光照区，用太阳能电池一边给宇

宙飞船供电，一边为蓄电池充电。宇宙飞船飞行时，在光照区用太

阳能电池发电、供电，在阴影区用蓄电池供电。

那么，有人可能会问：太阳能帆板到底是什么?太阳能帆板是一

种收集太阳能的装置，通常用于人造卫星、太空探测器和宇宙飞船

的供能。此次神舟十一号飞船安装了8块砷化镓太阳能电池板，砷

化镓电池板具有效率高、重量轻、面积小、抗辐照能力强等特点，

它能将太阳能高效转化为电能，然后储存在人造卫星、宇宙飞船里。由于飞船上的许多试验仪器装置都依赖电力作为能源，因此太阳能

帆板能否正常展开是飞船飞行中一个关键动作，只有太阳能帆板成功展开,宇宙飞船的供电才有保障。

航天器电源系统的可靠性及安全性，一直是航天器系统重点关注的问题之一。对于飞船而言，电力系统是其核心组成部分，它必须能够在极端环境条件下仍然保持极高的可靠性。

具有高可靠性

电源是宇宙飞船和航天员安全的一大保障，尽管飞船上搭载的电子设备很多只是偶尔需要电力供应，但也有一部分设备是必须确保不间断供电的，比如信号接收机和发射机必须时刻处于通电状态，而如果是载人飞船，那么生命维持系统和照明系统也同样将是不能关闭的。

宇宙飞船设计上对电源的要求是“一次故障正常，二次故障安全”，即当电源出现一次故障时，宇宙飞船完全能够正常飞行，一旦出现第二次故障，就要有足够的电源保证地面上的指令能传递到宇宙飞船上，指示航天员操控飞船立即返回地面。

专家介绍，天宫二号在供配电方面实现了高度集成化模块设计。传统的航天器电源系统核心部件“开关”，往往采用机械触点的继电器开关，一旦机械触点“开关”发生故障，将对航天器的性能及可靠性产生重大影响。在普通民众住宅的墙上，都会有一个电源控制箱，当家里某个电器发生短路时，里面的开关就会自动跳闸进行保护。天宫二号的配电“管家”不仅能够像普通的供电开关那样供上电，还能在故障时切断电，在故障修好后又自动恢复供电。当神舟十一号和天宫二号对接停靠后，部分设备停止工作，届时整个飞船的负荷将减小至40%，蓄电池在长期小负荷情况下不断充放电，产生记忆效应，一旦负荷又增加回到额定负荷，就会出现蓄电池供电能力不足的问题。为解决这一棘手问题，使蓄电池“失忆”，设计师通过大量地面长期试验，最终摸索出了一条和神舟十一号工作状态相匹配的充电曲线。

减重设计非常关键

电源是宇宙飞船上的“重量大户”，所以减重设计非常关键。一般情况下航天器的电源系统会占到整个航天器质量的大约30%，并

且一般可以分解为三大部分：发电系统、储能系统以及电源管理及

分配系统。这些系统对于飞船来说绝对是必要且关键的，而为了适

应飞船的特殊使用条件，它们在质量和设计上会有一系列严苛的要求。它们的质量必须足够小，以便提升所谓“能量密度”，也就是

说它必须能够在足够小的体积内产生足够强大的电力。

使用寿命足够长

供电系统不仅必须能够确保每一件飞船搭载设备的电力使用需求，它还必须确保在整个飞船的使用寿命内能够持续提供这样的电力支持——这样的时间可能是几年、几十年甚至上百年。举例来说，从

地球飞往木星需要5~7年，飞往冥王星需要超过10年，而要想离开

我们的太阳系，需要连续飞行20~30年。专家表示，供电系统设计

的使用寿命必须足够长，因为一旦发生故障，这时候再要想派工程

师前去维修显然是不现实的。

能经受极端环境考验

考虑到飞船运行环境的特殊性，飞船电力系统还必须能够在零重力和高真空环境下正常运作，同时必须经受超强辐射环境和极端温

度的考验。专家介绍，如果你的探测器打算在金星表面着陆，那边

的温度是460摄氏度。而如果你打算冲入木星大气层，那么那里的

温度是零下150摄氏度。

当前，研究人员正在为未来的空间探测任务研发“斯特林放射性同位素发电机”(SRG)。基于现有的放射性同位素热电发电机(RTG)，这种SRG新型同位素发电机的发电效率远高于其基于热电同类，且

它的体积可以做到非常小，当然也有代价，那就是其技术的复杂程

度也将随之大大上升。

美国宇航局在规划未来前往木卫二的探测任务时，也在考虑研发新型电池类型。这种电池可以适应在零下80摄氏度至零下100摄氏

度的极端低温环境下正常使用。先进的锂离子电池技术也正在被不

断改进，以便将其储能量提升一倍。这些举措将大大提升电池的能

量密度，从而延长宇航员在太空连续执行任务的时间。

太阳能帆板技术也正在同步推进研发，新型太阳能帆板能够适应在远离太阳、光照强度弱、温度极低的环境下正常工作。这样的技

术进步意味着未来借助太阳能帆板的探测器或许将能够在更加远离

太阳的空间区域执行探测任务。

目前人类的技术还无法做到让核聚变能量作为一种稳定而可靠的飞船能源。并且目前我们所能建造的核聚变装置，如托克马克装置，体积都极其巨大，一般都需要一间大型房间才能容得下，根本没有

办法安装到飞船上。核反应堆使用核裂变技术，这是目前人类已经

成熟掌握的发电手段。采用这种能源方式对于那些采用全电力推进，或是未来计划在月球及火星表面长期驻留的太空任务会比较适合。

如果真是这样，我们去往火星时，甚至不需要专门携带一台发电机，因为我们的飞船本身就携带了一座核电站!

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