由嫦娥一号引发的几个疑问？(原创)

显示全部楼层 · 2021-1-19 03:02:18

疑问1：嫦娥变轨的动力何来？
我们每天看电视上都是在介绍嫦娥又变轨了，但对于变轨的发动机和燃料却很少介绍，我特别好奇的变轨时的动力是由太阳能提供还是由同位素电池提供或是卫星自身携带的燃料提供，并没有介绍。于是自己就在网上搜索了一下，才发现原来嫦娥是自身携带了1200公斤的燃料。
嫦娥一号的推进分系统配置了1台大推力的变轨发动机和12台小推力的推力器。12台推力器分成A、B两分支，每分支6台互为备份。一旦大推力的变轨发动机发生意外，12台小推力的推力器可以替代它工作。为了保持“嫦娥”奔月有足够的动力，在总重为2350公斤的卫星中，有约1200公斤是携带的燃料。疑问2：嫦娥为什么选择在200公里的轨道绕月？
在网上看到有人说嫦娥探测精度不够高，日本的卫星在100公里的轨道上，甚至连印度都在100公里的轨道上。其实嫦娥在绕月飞行一年后，如果卫星还有燃料就开始变轨，从200公里变成110公里，也可以更近探测月球。另外选择在距离月球200公里圆形轨道上，“嫦娥一号”的探测视野能全面覆盖月球，并获取较高分辨率的图像。但在100公里的轨道上就无法全面覆盖月球了。
疑问3：什么是同位素电池？
随着对太空开发利用的不断深入，人类需要有—种功率合适、重量轻、寿命长、成本低，且安全可靠的空间能源。同位素电池（又称核电池）在不同程度上满足了这些要求，在某些方面甚至是其他空间能源(太阳能电池、化学电池、燃料电池)无法替代的。鉴于未来航天活动对电源日益增长的需求，同位素电池将成为空间电源最重要的选择。
放射性同位素的应用是核能利用的一个重要方面。放射性同位素在进行核衰变时释放的能量比一般物质大得多，而且衰变时间很长，如1克镭在衰变中放出的能量比1克木柴在燃烧中放出的能量大60多万倍，其衰变时间长达1万年。因此放射性同位素可以用来制造特种电源——同位素电池。空间同位素电池（如钚-238电池）的特点是：不需对太阳定向，体积小，使用寿命长。同位素电池在外形上与普通干电池相似，呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层，最外面一层是金属筒外壳。同位素电池还有个特点，就是它在衰变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。因此，它以抗干扰性强和工作准确可靠而成为电池家族中的佼佼者。
1969年7月21日，美国宇航员乘阿波罗11号飞船成功登上月球。在阿波罗11号飞船上，安装了两个放射性同位素装置，其热功率为15瓦，用的燃料为钚－238。但是，阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的，也就是说它仅仅用于提供热源。所以，该装置又叫做放射性同位素发热器。月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的时间占一半，一夜约为地球上的两周。太阳能电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时，处于背阳的月面，其温度会急剧下降好几百度，从酷热一下变成了严寒的世界。为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其它机械能正常工作，必须利用余热进行保温。
在后来发射的阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP－27A装置，完全是为了发电用的，它用的燃料是钚－238，设计输出功率为63.5瓦，整个装置重量为31千克，设计寿命为一年，但实际上，其寿命远远超过设计时考虑的一年，并能连续供给70瓦以上的电力，完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功，后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP－27A装置。
在月球严酷的自然环境(白天温度高达102℃，夜晚温度降至零下150℃，酷热与严寒交织)下，同位素电池仍能正常稳定工作，说明同位素电池具有很高的适应性及生存能力。此外，同位素电池在地球轨道卫星（如气象卫星、导航卫星、通讯卫星）的应用方面也大有潜力。太空中的卫星对电源的要求特别严格，既要重量轻、体积小，能经受强烈的振动，而且还要求使用寿命长。当然，太阳能电池也可以满足这些要求，实际上现在卫星上使用的能源，也主要是太阳能电池。但是，卫星在太空邀游中总不能都迎着太阳飞，要是在阳光微弱或者没有阳光的空间飞行时，譬如说，到火星或木星上去考察，就得背离太阳飞行，太阳能电池就失去了用武之地，这就得依靠核电池提供电源；有的行星的温度低到摄氏零下几百度，见不到一点阳光，这时，太阳能电池也派不上用场，同位素电池则可以一显身手。人类的航天活动日益拓展，必然对空间电源提出新的需求，同位素电池成为航天技术进步的重要工具。
疑问4：我国何时掌握了同位素电池技术？
2006年11月18日，国防科工委科技与质量司召开“百毫瓦级钚-238同位素电池研制”验收会，我国第一个钚-238同位素电池正式通过验收。同位素电池的研制成功填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。
同位素电池利用放射性同位素衰变过程释放的热能，通过热电耦转换成电能，具有尺寸小重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特点，能在高空、海洋等各种特殊环境下工作。
随着我国空间探测技术的进一步发展以及未来深空探测的需求，为我国航天器提供稳定、持久的能源已提到议事日程上来。迄今为止，航天器仪器、设备最理想供电来源就是同位素电池，掌握同位素电池制备的一系列关键技术并具备自主研制生产能力显得尤为重要。
2004年，同位素所承担了“百毫瓦级钚－238同位素电池研制”任务，在两年时间内，同位素所和协作单位完成了总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。最终检测表明，电池辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求，性能达到了技术指标要求。验收会上，项目负责人罗志福就该项目的研制过程、关键技术、创新点及项目管理情况进行了汇报，专家组在认真听取各项报告，现场观看电池样机，审查相关资料后，一致同意通过项目验收。
该项目的顺利验收标志着我国第一台钚-238同位素电池研制圆满成功，填补了我国在该领域的空白，为我国发大功率同位素电源的研制奠定了一定技术基础。
疑问5：星箭燃料的组成成分？
星箭燃料由常规氧化剂和常规燃烧剂组成，其中氧化剂一般为绿色四氧化二氮和四氧化二氮，它们都是有毒、强腐蚀性的。空气中四氧化二氮浓度超过万分之一，就开始刺激人的气管、肺部，遇水后，四氧化二氮还会生成硝酸。
星箭燃料中的燃烧剂由无水阱、偏二甲阱、甲基阱组成，都是剧毒化学品，以火箭用量最多、毒性相对较弱的偏二甲阱来说，已达到三级中等毒性，仅次于最高的四级。偏二甲阱还有易燃、易爆、沸点低、易挥发的特性，空气中的浓度超过0.5PPM(百万分之一)，就会对人体的皮肤和呼吸系统产生伤害。
在国际上，卫星使用的常规氧化剂——绿色四氧化二氮的含水量标准是不同的。在一些发达国家，标准为小于或等于0.15%。但在我国，这一标准却是小于或等于0.05%，含水量标准提高了3倍。
疑问6：什么是离子推进器？
我们的嫦娥还是用传统的燃料作为推进剂，虽然只绕月1年，但却携带了1200公斤燃料。但是欧洲航天局2003年9月27日发射升空的“智能1号”在太空中飞行了3年，航行8400万公里，只消耗了大约70公斤燃料，大约为使用化学燃料发动机的传统航天器所需燃料的十分之一。“智能1号”使用氙气燃料。太阳能离子发动机可将太阳能转化为电能，再通过电能电离惰性气体原子，从尾部喷射出高速氙离子流，从而为探测器提供动力，从外表看上去，“智能1号”喷出的是鬼火般的蓝色光。
而智能1号并非首次使用太阳能离子发动机，首先使用这一技术的是美国NASA的“深空1号”彗星探测器。
离子推进器是由NASA格伦研究中心牵头研制一个先进的离子推进系统，由波音电子动力装备公司牵头研制先进的离子光学设备。
NASA格伦研究中心牵头研制的离子推进系统名为NASA更高性能氙推进(NEXT)系统，该系统使用氙气和电能来驱动未来的航天器，有望代替常规化学推进系统，使太阳系科学飞行任务的方式发生革命。而波音电子动力装备公司牵头研制、制造和试验的碳基离子光学设备是大功率离子推进器的关键组成部分。
NASA更高性能氙推进计划分两个阶段。第一阶段为期一年，其任务是设计、建造和试验最初的离子推进器、推进剂供给系统和能量处理单元。第一阶段末期NASA可能会实施第二阶段选择方案，以完成硬件研制，并将零部件集成到全尺寸系统之上。
格伦研究中心承担的项目为期三年半，总价值可达2100万美元。NASA更高性能氙推进计划总研制经费大约为2700万美元。
离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，金属高压输电网对离子流施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度，推动航天器前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的高大约10倍。
新型离子推进器研制计划是在“深空”1号探测器任务成功完成的基础上制定的。1998年美国发射一个以验证先进飞行技术为目的的“深空”1号探测器。该探测器由一个直径3.048分米的离子推进器提供动力，在为期20个月的飞行任务期间，航天器达到了12711千米的时速。
“深空”1号飞行任务的成功是向大功率离子推进的广泛应用迈出的第一步。与“深空”1号离子发动机相比，NASA更高性能氙推进离子发动机可携带的有效载荷要多得多，寿命更长一些。
太空内推进计划寻求研制先进的推进技术，以便极大降低NASA近期或中期科学任务的成本、减少质量和缩短行进时间。
由上面几个方面来看，我们与先进国家在卫星动力方面还有相当的差距，但也不是很大，相信我们国家的卫星不久也可以拥有离子推进器这样的新型动力系统。