2024年4月7日发(作者：)

宇宙飞船的科学方法,技术手段和工具

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。

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。

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。

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。