嫦娥三號的核電池：動力持久不怕凍還可取暖

“嫦娥”探月的關鍵一步

中國探月“三年一會”，在這個冬天如期而至。

繼2007年嫦娥一號，2010年嫦娥二號完成奔月之旅後，2013年12月2日凌晨，嫦娥三號攜帶中國第一輛登月車飛向月宮。

這是中國探月工程“繞、落、回”三個階段中第二階段，卻是最為關鍵的一步。中國是否進行載人登月及建立駐月基地，需要在這一“落”中尋找更多的答案。

航天是一項風險極高的事業，沒有強大的國力和技術儲備，很難進行。從火箭運載工具到航天器的設計製造，從深空測網布局到遙操作，從無人探測器到載人航天，每一步都是國家綜合實力的體現。

天空就在那裏，我們需要夢想更需要理性，從嫦娥一號升空到實現載人登月的夢想，中國仍有很長的路要走。而每一步的邁出都要依據中國的科技水平、綜合國力和國家整體發展戰略而制定。

寒冷的月宮即將迎來首位中國訪客。12月2日，承載國人探月夢想的嫦娥三號順利升空，並準確進入地月轉移軌道，開啓了中國首個航天器在地球外天體着陸的大幕。

按照計劃，嫦娥三號將在12月6日進入高度為100公里的近月軌道，並在發射13天后在月球上實施軟着陸，而首次登月的“玉兔”月球車將完成月球探測、考察、收集和分析樣品等複雜任務。

在科學技術和經濟發展的強力支撐下，中國在宇宙探索的路上開始“加速度”。

“落下去，走起來”

自1976年美蘇等航天大國探月工程告一段落以後，就沒有哪個國家再到月球上進行落月探測。

按照中國的嫦娥三號任務，整個探月共有三步，落下去算一步，月球車走起來算一步，到達之後完成全部任務是最後一步。在“嫦娥之父”、中國空間技術研究院空間科學與深空探測首席專家葉培建看來，安全落下去就是成功，隨後月球車離開着陸器行走起來並能在月球上工作一段時間，任務結束以後就是最大的成功。

如何安全地落下去，並順利地走起來，是嫦娥三號遇到的最大挑戰。

在整個落月過程中，在離月面一百米的時候要像直升機一樣懸停，通過全景相機等對月面進行探測，選擇合適的降落區。若有石頭或者是坑，就要進行平移，選擇一個更安全的地方。

隨後的軟着陸更是巨大的考驗。因為月球沒有大氣層，不能使用降落傘進行減速，科研人員採用變推力發動機、自主導航控制技術和研發緩衝吸能部件來攻克這一難關。

“一邊落一邊往上推，這樣慢慢降下來，逐漸下落至距月球表面4米的位置之後發動機將熄滅，將採用自由落體的方式，軟着陸在月球。”航天專家龐之浩告訴《中國新聞週刊》，“難度之大，超乎想象。”

接下來要過巡視關，月球車得動起來，還要保證不翻車。在開始行進前，月球車採用的是視覺導航，利用自己所攜全景相機，對四周進行觀測，自主進行規劃路線，然後行進。與此同時，全景相機所拍資料傳回地面，以便無法自主行進時，地面科技人員遙操作控制巡視器移動。

與美俄無人探月要麼是單個着陸器，要麼是單個月球車不同，中國的嫦娥三號是把着陸器和月球車探測器結合起來的聯合探測。

月球科學領域專家表示，嫦娥三號挑戰人類月球科學探測史上的幾項“首次”主要由嫦娥三號攜帶的八大科學載荷中的三件完成。其中，近紫外月基天文望遠鏡將進行世界上首次用月基天文望遠鏡觀測天文；月球車“腹部”的測月雷達隨月球車移動探測月球地底下30米深土壤層的結構和100米深的次表層結構亦屬世界首次。

月夜生存是嫦娥三號落月後面臨的又一難關。龐之浩説，月晝月夜有330多攝氏度温差，必須保證各載荷在寒冷的月夜下着陸器和探測器不被凍壞，太陽出來時再自動喚醒開始工作。

為突破長時間經受嚴寒難關，在月球上過夜，嫦娥三號將攜帶核能電池飛天。核電池對將在月夜環境下生存的嫦娥三號的保温至關重要。龐之浩告訴《中國新聞週刊》，不僅可以確保探測器上儀器不被凍壞，夜間休眠中的月球車還可以靠核電池放出來的熱量保温。

此外，核電池還可以用於小規模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動；支持嫦娥三號所帶設備正常工作；支持嫦娥三號與地球之間的通訊。據瞭解，嫦娥三號探測器攜帶的核電池由中核集團研發。

與美蘇上世紀50~70年代即把核電池用於航天領域相比，中國則落伍很多。中國第一塊核電池於1971年3月12日誕生於中科院上海原子核所，並進行了模擬太空應用的地面試驗。從中國原子能科學研究院官方網站上可以發現，2004年開始該院正式啓動航天用同位素電池的研發，到2006年，研製出我國第一顆鈈238同位素電池，2008年通過了專家組的鑑定。

雖然“國產”同位素電池的功率與美國核電池140瓦左右的功率還有距離，但技術並不遜色。航天專家稱，在我國未來的深空探測計劃中，比如火星、金星探測中，核電池會發揮越來越大的作用。

全球“月球車”大比拼

此次嫦娥三號搭載的“玉兔”月球車，金光閃閃，頗引人注目。月球車全名為“月面巡視探測器”，是集航天系統工程和智能機器人為一體的航天器，能完成月球探測、考察、收集和分析樣品等複雜任務。

迄今為止，世界上發射併成功運行的月球車有5輛，其中兩輛無人探測月球車是前蘇聯在上世紀70年代發射，另外三輛是美國阿波羅15號、16號、17號有人駕駛月球車。

中國的玉兔號月球車是無人駕駛月球車，質量約140kg，與前蘇聯約1.8噸重的月球車相比簡直是“小個子”。在龐之浩看來，月球車是中國最高智能的機器人，全部自主導航，自己選路線、上坡、下坡、避開障礙，自己指揮身上的儀器操作，最後把數據傳回地球。

據瞭解，月球車金光閃閃是穿上了一套特殊材料製作的外衣，是一層層比羽毛還輕的保温膜，這種保温膜由膜狀物和網狀物間隔拼疊而成，共有15層。此外還有一種銀色膜主要用來反射太陽光和散熱，金銀外衣組成了一個天然的空調系統。

很長一段時間，月球車由哪個單位制造，並沒有明確的説法。龐之浩透露，“玉兔”月球車由中國空間技術研究院牽頭，集眾多科研單位研究成果於一身，各個研究單位的優勢得到了已有體現。

直到2006年6月27日，由中國空間技術研究院承擔的國家科技攻關計劃“月球探測車制導導航技術研究”通過了科技部組織的國家級驗收，並從7月12日開始在月球環境相似的甘肅與寧夏交界處騰格裏沙漠邊緣的沙漠腹地進行月球車野外試驗，此後，中國空間技術研究院研製的月球車才進入公眾視野。

“嫦娥三號任務系統的探測器系統由中國空間技術研究院抓總，探測器有效載荷由中國科學院空間科學與應用研究中心抓總。”龐之浩告訴《中國新聞週刊》，這是最嚴謹的説法。

據《中國新聞週刊》瞭解，中國空間技術研究院介入月球車的研製可以追溯到2003年，當年2月，北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在中國空間技術研究院網站發表名為《開發我國月球車的初步設想》的文章，文章稱，北京控制工程研究所承擔了“月球表面探測機器人方案研究”的863項目，並取得了一些成果。

賈陽是中國空間技術研究院月球車課題組的負責人之一，在2006年的一次訪談中透露，他的團隊在吸取了其他科研單位在移動、導航方面的經驗後，與多家研究單位形成了聯盟。最終登月的“玉兔”月球車是多家科研單位合作的結果，哈工大主要負責製作它的移動系統和底盤，瀋陽自動化所做的是機械臂。

儘管逃不脱國外月球車的影子，但中國的月球車並不是克隆產品。月球車的每項技術都打上了中國製造的名字，核心技術完全自主開發。

“月球車上的技術在其他航天領域也會得到應用，並不止步於探月。”賈陽此前表示，關鍵技術掌握了，稍做改裝還可以投入火星探測之用。考慮到月球與火星星球環境的不同，會做適當改進，不過移動、導航、自主性的大框架還是一致的。

中國登月下一步

所有參與航天活動的國家都承認，航天是一項風險極高的事業，幾乎都曾飽嘗過失敗的苦澀。中國探月工程首席科學家歐陽自遠坦言，探月工程經受不起失敗。特別是嫦娥三號80%的產品和技術都是新的，更增加了風險。

即使是在相對成熟的發射階段，其運載火箭必須滿足高可靠性、高安全性和高質量的“三高”要求，這種要求極為苛刻。

航天專家透露，在完全串聯繫統中，若火箭零部件的可靠性為0.99999，即10萬個零件中有故障的不多於1個，這種情況下組裝的火箭的可靠性卻只有可憐的0.37，也就是發射3枚火箭就有可能失敗1枚。而要使火箭的可靠性達到0.9999，就要求零件的可靠性達到0.99999999，也就是説，1億個零件中，不可靠的都不能多於1個。

此次執飛嫦娥三號發射任務的是長征三號乙增強型運載火箭。長征三號乙是中國目前運載能力最大、技術最先進、構成最複雜的運載火箭，代表中國目前運載火箭技術的最高水平，在世界航天界也居前列。

長征三號乙增強型火箭在長征三號乙火箭的基礎上開展了六大專項技術攻關，科研人員借鑑成功率更高的用於載人航天發射的長征2F技術對長三乙運載火箭進行了9項可靠性增長改進項目，飛行可靠性由原來的0.938提升至0.942，以確保嫦娥三號完美落月。

儘管有風險，但中國探索太空計劃依然雄心勃勃。

按照此前中科院發佈的中國科技發展路線圖，其中2050年空間科技發展路線圖明確提出，2030年前後中國實現載人登月，建立月球基地，2050年前後，載人飛行從月球基地飛向更遠的行星，具備載人登火星能力。

“載人登月目前尚沒有時間表和明確的、精細的路線圖。”龐之浩認為，載人登月、建立駐月基地以及載人登火星只是科學家的建議，目前中國探月工程進展至“繞”“落”“回”三步中的第二步。

“若嫦娥三號一切順利，嫦娥四號則會做一些改進，更換落月點。”龐之浩告訴《中國新聞週刊》，嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，其任務與嫦娥三號一樣。

中國科學院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠同樣在嫦娥三號發射前勾畫了探月工程的未來，嫦娥五號要降落在月球上，探測取樣後實現月面起飛，然後繞月飛行。由於嫦娥五號沒有能量飛回地球，需要在發射嫦娥五號時，同時發射一條飛船在月球外面繞飛，在月球軌道等嫦娥五號上來與其交會對接，並將其帶回地球。

由於嫦娥五號的有效載荷太重太大，需要研製新火箭進行發射。據瞭解，新的長征五號火箭正在研製中，這是一款直徑為5米的重型運載火箭，目前已突破多項關鍵技術，進入到試樣階段，並預計於2015年左右在中國海南省文昌衞星發射中心首飛。