🖖🏿 ⛳️ 🙄 太空力量 👃🏼 🍽️ 💬

半个世纪前，苏联科学家尼古拉·卡戴舍夫（Nikolai Kardashev）形成了一个规模，其中文明的发展水平取决于所消耗的能源。这种方法是非常合乎逻辑的-当人类掌握了马，煤，石油和核衰变的能量时-每次上升到新的水平。太空探索不仅取决于将卫星送入轨道的能力，还取决于使其运转的技术。向航天器提供能量是航天学最重要的方面之一。人们想出了什么方法？

艺术家詹姆斯·沃恩（James Vaughan）

问题的提法

在航天器的供电问题中，可以区分两个标准，这使得可以在视觉上分布各种方法。这是力量和持续时间。的确，将一些技术解决方案用于“许多但不是很长时间”任务，而将其他技术解决方案用于“几十年，即使只有很少的时间”也是合乎逻辑的。如果将这些条件作为图形的轴，则会得到以下图片：

Spacecraft Power Systems，David W. Miller和John Keesee

第一颗人造卫星带着已充电的银锌电池飞行，提供了21天的“哔哔”发射器。解决方案是合乎逻辑的-实验性太阳能电池板在D设施中排队等候，该设施成为Sputnik-3（于1958年5月15日推出）。银锌电池由于其高能量密度和高放电电流而被广泛用于航空航天中，其缺点是当电池使用一次时，少量的充电循环并不重要。联盟号飞船发生了一个有趣的变态-第一批搭载太阳能电池板的飞船经过7K-T改装（联盟号10-联盟号40，除了-13，-16，-19，-22外）被拆除，仅保留具有两天电量的电池，并且通过对“ -TM”的下一次修改，将太阳能电池板再次送回，并且已经永久归还。到目前为止，电池仍是设备使用时间不超过几天且不需要大量电能的合理解决方案。有时甚至将不可充电的元件放在设备上，例如MASCOT跳跃探针，它从行星际站Hayabusa-2掉落到Ryugu小行星上，使用了亚硫酰氯锂元素，历时16小时。但是可充电元件更为常见，使用它们更方便，因为如果需要，可在启动前为它们充电而无需拆卸设备。由于其高特性，锂离子电池现在不仅在家用电器中而且在航天器中都非常广泛地使用。它的工作时间不会超过几天，并且不需要大量的电力。有时甚至将不可充电的元件放在设备上，例如MASCOT跳跃探针，它从行星际站Hayabusa-2掉落到Ryugu小行星上，使用了亚硫酰氯锂元素，历时16小时。但是可充电元件更为常见，使用它们更方便，因为如果需要，可在启动前为它们充电而无需拆卸设备。由于其高特性，锂离子电池现在不仅在家用电器中而且在航天器中都非常广泛地使用。它的工作时间不会超过几天，并且不需要大量的电力。有时甚至将不可充电的元件放在设备上，例如MASCOT跳跃探针，它从行星际站Hayabusa-2掉落到Ryugu小行星上，使用了亚硫酰氯锂元素，历时16小时。但是可充电元件更为常见，使用它们更方便，因为如果需要，可在启动前为它们充电而无需拆卸设备。由于其高特性，锂离子电池现在不仅在家用电器中而且在航天器中都非常广泛地使用。使用了亚硫酰氯锂元素，历时16小时。但是可充电元件更为常见，使用它们更方便，因为如果需要，可在启动前为它们充电而无需拆卸设备。由于其高特性，锂离子电池现在不仅在家用电器中而且在航天器中都非常广泛地使用。使用了亚硫酰氯锂元素，历时16小时。但是可充电元件更为常见，使用它们更方便，因为如果需要，可在启动前为它们充电而无需拆卸设备。由于其高特性，锂离子电池现在不仅在家用电器中而且在航天器中都非常广泛地使用。

MASCOT Hayabusa-2

如果需要大量能量，但需要很短的时间，则使用化学源是有意义的。例如，在航天飞机上有所谓的APU。尽管名称与飞机上的辅助动力装置完全相同，但它们是特定的设备。化学燃料在燃烧室中燃烧（肼基燃料和四氧化二氮），向涡轮机供应热气，其旋转在航天飞机的液压系统中产生压力，而没有将能量中间转换为电能。在发射进入轨道和着陆的阶段，液压装置转动了轨道器的控制表面。奇怪的是，现在锂离子电池的能量密度已经达到了电子运载火箭出现的值，其中，将具有类似功能的涡轮泵单元（向发动机供应燃料的装置）替换为带有电池组的电动泵。开发的简单性弥补了更大质量电池的损耗。

燃料电池

航天飞机的燃料电池

如果航天飞行的持续时间不超过两到三周，那么，特别是对于载人航天器，所谓的燃料电池将变得非常有吸引力。如您所知，氢通过释放大量的热量而在氧气中燃烧，使用这种方法的火箭发动机是效率最高的。直接从氢和氧的组合中接收电的能力已经产生了电，顺便说一下，这些电不仅用于航天。

燃料电池的工作原理如下：氢进入阳极，成为带正电的离子并释放出电子。氢离子在阴极接收电子，与氧分子结合形成水。

通过连接多个电池并提供更多组件，很容易获得高功率的燃料电池。由于工作而释放的水可以满足船员的需要。属性的组合决定了阿波罗号飞船（以及顺便提一下，联盟的月球版本，最初也是它们的选择），航天飞机和Buran燃料电池的选择。

值得注意的是，燃料电池在理论上可以是可逆的，可以将水分解为氢和氧，存储电力并可以像电池一样工作，但实际上，尚无航空航天领域的此类解决方案需求。

名为太阳

没有太阳能，地球上的生命是不可能的-植物在光下生长，能源沿着食物链进一步发展。对于航空航天业而言，太阳立即被视为一种可自由获取的自由之源。 Vanguard-1（美国）和“ Sputnik-3”（苏联）的第一批带有太阳能电池板的卫星已于1958年开始飞行。

太阳能电池板的优点在于将光直接转化为电能-落在半导体上的光子直接引起电子的运动。通过串联和并联连接电池，可以获得所需的电压和电流值。

在空间条件下，太阳能电池板的紧凑性非常重要，例如，国际空间站的巨大“机翼”是由非常薄的电池板制成的，这些电池板在运输位置折叠成手风琴状。

ISS面板的视频公开

到目前为止，如果需要向航天器提供能源多年，则太阳能面板仍是最佳选择。但是，当然，它们与任何其他解决方案一样都有其缺点。

首先，在低地球轨道上，卫星将不断进入地球的阴影，因此有必要为电池板补充电池，以确保持续供电。电池以及在阳光充足的轨道上向其充电的太阳能电池板的额外面积显着增加了卫星电气系统的质量。

此外，太阳辐射的功率服从平方反比定律：木星的距离是地球的5倍，但是具有相同太阳能电池板的航天器在其轨道上所受的电能却要少25倍。

在宇宙辐射的条件下，太阳能电池板正在逐渐退化，因此，计算太阳能电池板的面积时应考虑到长期任务的余量。

与其他系统相比，太阳能电池板质量的线性增加和所需功率的增加使它们变得过重。

替代电池

如果您阅读Nurbey Gulia撰写的精彩著作“寻找能量胶囊”，您会记得，在长期寻找理想的电池之后，他安顿了为安全销毁而改装的飞轮。如今，随着锂离子电池的成功，这个话题变得不那么有趣了，但是在太空中也进行了将能量存储在未扭曲的飞轮中的实验。在21世纪初期，霍尼韦尔（Honeywell）进行了飞轮，蓄电池的实验。从理论上讲，该方向也会很有趣，因为飞轮用于卫星的定向系统中，并且可以组合维持空间所需位置和存储能量的模式。

集中精力

即使在开发该概念的阶段，很明显，自由站（经过作为ISS进行的多次更改后）也将需要大量电力。 1989年的计算结果表明，与仅由太阳能电池板供电相比，太阳能集热器将能够节省3至40亿美元（按今天的价格计算为6至80亿美元）。这些设计是什么？

Freedom最早的设计之一

，边缘周围的六边形结构是太阳能集中器。镜子形成抛物面，将阳光收集在焦点对准的接收器上。在其中，冷却剂沸腾，气体使涡轮旋转，从而发电。旁边的面板是散热器，冷却液在散热器中凝结回到液体中。

不幸的是，就像许多Freedom站的构想一样，该设计成为预算削减的牺牲品，而ISS仅使用太阳能电池板，因此我们在实践中无法确定是否节省了成本。值得注意的是，太阳能集热器也用于地球上，但是它们以最简单的形式分布而没有聚光镜-它们的驱动器大大增加了成本。

热电

当太阳在头顶上明亮地照耀时，人们无法相信宇宙的寒冷。实际上，在月球的光照面，温度升高到100°C以上。但是在月光下的夜晚，表面温度会低于-100°C。在火星上，平均气温为-60°C左右。正如我们已经说过的那样，在木星的轨道上，太阳仅给出了地球的1/25。而且，幸运的是，对于行星漫游者和行星际站，可以选择方便地提供航天器的加热和电源。

如您所知，同一物质可以具有许多同位素-原子，仅原子核中子的数量不同。而且稳定同位素和同位素都以不同的速度衰减。拾取具有方便半衰期的元素后，您可以将其用作能源。

²³⁸ Pu（p 238）是最受欢迎的同位素之一。一克纯p 238产生大约0.5瓦的热量，半衰期为87.7年，这意味着很长一段时间内将有足够的能量。

核衰变释放热量的事实意味着必须以某种方式将其转化为电能。为此，最常使用热电偶-当加热不均匀时，两种融合在一起的不同金属会发电。以放射性同位素形式衰变的能源和热电转换器的组合，被称为“放射性同位素热电发生器”或RTG。

RTG方案

RTG广泛用于航空领域：它们为阿波罗宇航员留在月球上的科学设备的组件发电，苏联的卢诺霍兹卫星被同位素的衰变加热，火星维京站利用RTG的电能工作，并沿着火星好奇号行驶。 RTG是行进到外部太阳能系统的设备（“先驱者”，“旅行者”，“新视野”等）的常规电源。

RTG非常方便，因为它们不需要任何控制，不需要移动部件并且可以工作数十年-尽管由于发电量减少而需要关闭部分设备，但Voyager仍保持运行40多年了。不幸的是，它们也有一个缺点-能量密度低（强大的RTG重量太大）和燃料价格高昂。美国238 238生产的停产和价格上涨，影响了行星际站“ Juno”带着巨大的太阳能电池板到达木星的事实。

核技术肯定会引发安全问题，RTG早就建立了支持它的技术。1964年之后，当美国运载火箭搭载RTG卫星的事故导致整个星球的辐射本底显着增加时，RTG被装入可以承受大气层坠落的胶囊中，随后的事故也没有留下任何明显的痕迹。

转换的复杂性

热电发电机不是将热量转换为电能的唯一选择。在热电子转换器中，真空灯的阴极被加热。电子“跳”到阳极，产生电流。热电转换器将热量转换成红外光，然后像太阳能电池板一样转换成电。基于碱金属的热电转换器使用由钠盐和硫盐制成的电解质。斯特林发动机将温差转换为运动，然后由发电机转换为电。

架空反应堆

在人类已知的所有受控能源中，核燃料具有最高的密度-一克铀能够产生多达2吨石油或3吨煤炭的能源。因此，当需要长时间向航天器供应大量能量时，核反应堆成为有前途的选择就不足为奇了。

左为美国SNAP，右为苏联“布克”

太空反应堆的工作始于1960年代。最早进入太空的是美国SNAP-10A，在轨运行了43天，由于与反应堆系统无关的事故而关闭。此后，苏联接管了。设计用于跟踪美国航空母舰打击组织运动的US-A卫星，Legenda瞄准系统携带了Buk核反应堆在船上，为有源雷达系统提供能量，并发射了三打以上。在80年代后期，黄玉反应堆两次飞入太空，使用更少的核燃料并具有更高的效率-150 kW的火力“ Topaz”产生6 kW的电力，而Buk的为100和3。这是通过使用另一个能量转换器-热电子而不是热电来实现的。但是在1988年以后，机上装有核反应堆的卫星不再飞行。

对核反应堆的兴趣的复兴发生在21世纪。在西方，这是由于库存减少以及RTG的238 increase价格上涨所致。在美国，正在开发Kilopower反应堆，其任务将成为RTG的类似物。一个有趣的特征是反应堆设计成可自我调节的，并且在激活后，像RTG一样，不需要监督。在俄罗斯，正在开发兆瓦级的核装置项目。结合电动推进发动机，应获得具有根本上新功能，非常高效的轨道拖船的设计。

反应堆安全性基于RTG以外的其他原理。在启动之前，反应堆是干净的（铀是有毒的，但可以戴上手套安全地拿起），因此，在发生事故的情况下，相反，必须安装气体发生器，以可靠地在浓密的大气层中销毁它。但是在接通电源后，危险的同位素开始在反应堆中积聚，一旦发生事故，苏联的US-A卫星将反应堆带到高埋葬轨道。消沉的反应堆仍然飞过我们的头顶，但是，鉴于轨道的寿命，未来的太空清除剂将更快到达它们并将它们带到有用的资源，而不是它们在大气层中燃烧掉。

电缆发生器

如您所知，地球具有磁场。它已经在航天器定向系统中使用，但是还有另一种选择。如果松开较长的电缆，则可以通过制动设备获得电流，也可以通过使电流通过电缆来加速。到目前为止，

作用在卫星上的释放电缆的力

得到了最大的发展，即用电缆制动设备以减少空间碎片的数量的想法得到了最大的发展，但是从技术上讲，以这种方式向卫星供电虽然不是很长时间。

结论

现在，航天器电源产业正在积极发展。太阳能电池板和电池正在变得越来越有效率，太空核反应堆的恢复工作为新的强大电力来源的出现带来了希望。

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