隨著深空探測目標(biāo)距離的增加，地外長期生存技術(shù)從原位資源利用中汲取能量以確保人類可以長期參與宇宙探索任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程中的自給自足。原位資源利用、物質(zhì)循環(huán)利用、原位儲能發(fā)電是人類實(shí)現(xiàn)地外生存，開展地外活動的基礎(chǔ)。發(fā)展原位儲能發(fā)電技術(shù)，才能減少從地球攜帶的物資，使載人深空探索任務(wù)具備可行性。

1.引言

拓展生存空間、尋找地外生命，是人類孜孜不倦的追求，也是人類發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)之一，而開展深空探測是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必然途徑，也是體現(xiàn)一個(gè)國家航天技術(shù)能力和空間科學(xué)水平的重要標(biāo)志。經(jīng)過50多年的探索，人類開展的深空探測活動已基本覆蓋了月球、太陽、七大行星、小行星和彗星等太陽系各類天體，在航天工程技術(shù)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面取得了巨大成就，但面對浩瀚宇宙，人類的探測才剛剛起步，我們的認(rèn)識還很膚淺。隨著人類進(jìn)入空間能力的提升和航天技術(shù)的發(fā)展，深空已成為人類的重要探索領(lǐng)域之一。

深空探測是指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測，是相對于近地軌道航天器而言的。國內(nèi)目前將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測。這個(gè)定義更加明確了我國深空探測的對象和目的。本世紀(jì)的深空探測以太陽系空間為主（月球、火星、水星和金星、巨行星的衛(wèi)星、小行星和彗星），兼顧宇宙空間的觀測。隨著深空探測技術(shù)的提高，人類的腳步將會到達(dá)更遠(yuǎn)的地方，深空探測的概念也會繼續(xù)發(fā)展。深空探測應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：利用空間資源（能源、資源、環(huán)境）；擴(kuò)展生存空間；探索太陽系和宇宙（包括生命）的起源和演化；為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

深空探測的第一階段是太陽系內(nèi)探測，僅發(fā)射了少量的航天器對太陽、行星和小行星進(jìn)行了初步探測，還沒有系統(tǒng)全面地掌握深空探測技術(shù)，例如深空自主技術(shù)、新型能源與推進(jìn)技術(shù)、地外基地技術(shù)、地外長期生存技術(shù)等。深空探測對認(rèn)識自然科學(xué)現(xiàn)象、促進(jìn)社會發(fā)展等方面的影響才剛剛顯露出來。我們可以預(yù)見，隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，未來往返于行星和地球之間就像往返于兩個(gè)城市之間那樣方便和快捷。深空探測的第二階段是太陽系外探測，進(jìn)入銀河系，探測恒星系統(tǒng)，了解各類星系和暗物質(zhì)，遨游浩渺的宇宙空間。深空探測技術(shù)的要求比當(dāng)前航天技術(shù)更高，需要突破現(xiàn)有物理定律的約束、突破光速極限的認(rèn)識、建立多維新型時(shí)空關(guān)系，才能對遠(yuǎn)在幾十萬光年處的星系進(jìn)行探測，這些顯然不是今天的科學(xué)技術(shù)或近期的科學(xué)技術(shù)所能解決的。深空探測的第二個(gè)階段會非常漫長，中間或許會經(jīng)歷多次重大的科學(xué)技術(shù)革命。但我們?nèi)祟愐欢苷莆丈羁仗綔y技術(shù)，自由翱翔于宇宙星間。

深空探測任務(wù)的開展依賴于航天技術(shù)的進(jìn)步和國家綜合實(shí)力的提高。相對于近地航天任務(wù)，深空探測任務(wù)面對距離遙遠(yuǎn)、飛行時(shí)間長、數(shù)據(jù)傳輸速率有限、深空環(huán)境復(fù)雜等一系列難題，需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與驗(yàn)證。未來，對深空及其中的天體探測的深度與廣度直接取決于一系列關(guān)鍵技術(shù)突破與支撐的程度。由于大部分探測目標(biāo)天體距離地球遙遠(yuǎn)，探測器通常需要消耗巨量的燃料才能實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)的轉(zhuǎn)移，而且還可能難以獲得足夠的太陽能。因此，高效的能源與推進(jìn)系統(tǒng)是進(jìn)行深空探測任務(wù)的基本保障。

2 深空探測新型能源技術(shù)

深空探測任務(wù)中能源系統(tǒng)應(yīng)具有耐惡劣環(huán)境、長壽命和高功率的特點(diǎn)，并不斷減小輻射量。適用于未來深空探測任務(wù)使用的高效能源和儲能技術(shù)主要包括：太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、放射性同位素電源技術(shù)、核裂變電源系統(tǒng)技術(shù)、核聚變電源系統(tǒng)技術(shù)、高比能量儲能技術(shù)、再生燃料電池技術(shù)、無線功率傳輸技術(shù)等。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)：將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，未來的深空探測任務(wù)要求太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更高的性能。達(dá)到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：能夠在低光強(qiáng)/低溫條件下（>3AU）有效地工作的太陽電池，能夠在高溫條件（>200℃）下長時(shí)間工作太陽電池以及太陽電池陣，具有高比功率（500-1000W/kg）太陽電池陣，具有靜電清潔能力、耐輻射、防塵、可重復(fù)收攏/展開的太陽電池陣。

放射性同位素電源技術(shù)：基于放射性元素和熱電轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)。未來0.1-1000We功率范圍的放射性同位素電源系統(tǒng)能夠有效地支持人類探索任務(wù)。達(dá)到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：先進(jìn)的同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（10-15W/kg、效率15-20%、15年壽命）；先進(jìn)的斯特林放射性同位素發(fā)電機(jī)（10-15W/kg、35%的效率、15年壽命）；小型（1W～10W）RPS（reactor protection system，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)），能承受5000g的沖擊，包括熱源及功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

核聚變電源技術(shù)：研究約50MW的中子反應(yīng)器、高能帶電粒子束直接能量轉(zhuǎn)換（如行波）、高電壓（1MV）、高效率電源管理與配電。發(fā)展10-100kWe電源系統(tǒng)；開發(fā)非常高功率（>5MWe）和非常小比質(zhì)量（<5kg/kWe）空間核聚變電源。

核裂變電源技術(shù)：采用高功率核裂變系統(tǒng)將使得高性能的核電推進(jìn)技術(shù)變?yōu)榭赡埽碚撋虾肆炎兙哂袩o限的燃料能量密度，不依賴于與太陽的距離及朝向，可支持大型高功率機(jī)器人任務(wù)。

高比能量儲能技術(shù)：包括一次性電池和可充電蓄電池。達(dá)到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：一次電池，比能量達(dá)到1000Wh/kg，在低溫下運(yùn)行的能力（-160℃）；內(nèi)行星任務(wù)要求高溫（450℃）一次和可充電電池；行星軌道飛行器要求壽命＞20年，100000次循環(huán)，可充電電池比能量達(dá)到300Wh/kg。

飛輪儲能技術(shù)：一種新型系統(tǒng)，將姿態(tài)控制（替代動量輪）和能量儲存（取代蓄電池組）組合在一起。飛輪能夠快速釋放能量，能夠重復(fù)完全放電而不會對系統(tǒng)產(chǎn)生危害，以及在所有電能儲存介質(zhì)中具有最低的自放電率。達(dá)到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：系統(tǒng)儲存能量達(dá)到kWh和MWh，并且在采用碳納米纖維后比能量達(dá)200Wh/kg，及在高可靠性和安全性的情況下滿足充電壽命大于50000次和壽命大于20年。

再生燃料電池技術(shù)：再生燃料電池是目前比能量最高的儲能系統(tǒng)，對需要兆瓦級大規(guī)模能量存儲的空間任務(wù)具有很大吸引力，對于行星表面系統(tǒng)等大規(guī)模能量存儲應(yīng)用非常重要。需研發(fā)大范圍能量儲存應(yīng)用的可再生燃料電池，達(dá)到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：比能量達(dá)到1500Wh/kg、充電放電效率達(dá)到70%、高可靠性和長壽命能力（10000小時(shí)）得到增強(qiáng)。

無線能量傳輸技術(shù)：通常指高功率集束，功率可通過激光束或微波傳輸，在未來地外長期生存中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 地外儲能發(fā)電技術(shù)

隨著深空探測目標(biāo)距離的增加，地外長期生存技術(shù)從原位資源利用中汲取能量以確保人類可以長期參與宇宙探索任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程中的自給自足。原位資源利用、物質(zhì)循環(huán)利用、原位儲能發(fā)電是人類實(shí)現(xiàn)地外生存，開展地外活動的基礎(chǔ)。發(fā)展原位儲能發(fā)電技術(shù)，才能減少從地球攜帶的物資，使載人深空探索任務(wù)具備可行性。

地外儲能發(fā)電裝置通過原位能量轉(zhuǎn)換和資源利用的方式實(shí)現(xiàn)儲能發(fā)電，采用原位資源利用裝置處理過的致密蓄能塊，白天吸收并儲存太陽輻射熱，通過熱電轉(zhuǎn)換裝置，為地外生存實(shí)驗(yàn)艙各裝置提供電能和熱能，為受控生態(tài)箱晝夜不間斷提供能源供應(yīng)，滿足生命活動的基本能量需求。

圖1 地外儲能發(fā)電技術(shù)原理


載人登月和建設(shè)月球基地將是開展更遠(yuǎn)的深空探測活動前不可或缺的重要一環(huán)，為乘員和科學(xué)載荷晝夜持續(xù)不斷地提供電能和熱能是實(shí)現(xiàn)載人登月任務(wù)的重要保障。因月夜長達(dá)350小時(shí)，為滿足登月艙或月球基地的能量供應(yīng)要求，太陽能-儲能電池和核反應(yīng)堆電源均面臨發(fā)射質(zhì)量的巨大挑戰(zhàn)。圖2比較了在發(fā)電功率均為10kWe時(shí)，太陽能-化學(xué)儲能電池、核反應(yīng)堆、月壤儲能發(fā)電3種不同方案的發(fā)射質(zhì)量，可以看出，利用原位資源的月壤儲能發(fā)電技術(shù)能夠大大減少發(fā)射質(zhì)量。

圖2 不同方案發(fā)射質(zhì)量比較


通過建立太陽輻射模型、月壤儲能裝置模型、熱電轉(zhuǎn)換模型、輻射器模型構(gòu)建月壤儲能發(fā)電理論模型，采用MATLAB軟件進(jìn)行求解，主要結(jié)果如下。

初步載人深空探索任務(wù)中，設(shè)定月壤儲能裝置表面吸收率為0.9，紅外發(fā)射率為0.9，聚光比為1，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，在初始溫度為100K的條件下，系統(tǒng)在第二個(gè)周期以后就達(dá)到穩(wěn)定的溫度波動。月壤儲能裝置的最高溫度和最低溫度分別為386K和288K。在有太陽輻射的最初50h內(nèi)，月壤儲能裝置的溫度迅速上升，而后溫度逐漸上升。熱端溫度、冷端溫度、吸熱過程中的流體溫度、放熱過程中的流體溫度具有相同的溫度變化趨勢。吸熱過程中的流體溫度范圍在230K和300K之間，可以采用具有合適熱物性的液體制冷劑，如HCFC-123等作為工質(zhì)。圖3b示出了晝夜循環(huán)中最大電功率和對應(yīng)最優(yōu)熱效率的變化趨勢。可以看出，最大電功率在3172W和1808W之間變化，可為月球基地提供持續(xù)電能。系統(tǒng)在穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下，對應(yīng)最優(yōu)熱效率在32.8%和29.7%之間。

圖3 月壤儲能發(fā)電系統(tǒng)模擬結(jié)果


在大規(guī)模載人深空探索任務(wù)中，為提高系統(tǒng)性能，需要采用高吸收率、低發(fā)射率的表面材料，以及具有高聚光比的輕質(zhì)太陽能吸收器。設(shè)定月壤儲能裝置表面吸收率為0.95，紅外發(fā)射率為0.1，聚光比為10，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4a可知，同樣，在初始溫度為100K的條件下，系統(tǒng)在第二個(gè)周期以后就達(dá)到穩(wěn)定的溫度波動。月壤儲能裝置的最高溫度和最低溫度分別為1210K和532K。

吸熱過程中的流體溫度范圍在440K和900K之間，可以采用具有合適熱物性的流體作為工質(zhì)，如液態(tài)金屬、熔鹽等。由圖4b可以看出，最大電功率在11619W和2764W之間變化。系統(tǒng)在穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下，對應(yīng)最優(yōu)熱效率在29.2%和26.7%之間。

圖4 月壤儲能發(fā)電系統(tǒng)模擬結(jié)果


針對一些重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了影響分析。圖5a示出了聚光比的影響，最大輸出功率隨著聚光比的增大而增大。在聚光比為1、2、3、4時(shí)，最大輸出功率分別為3172W、4294W、5071W和5681W，對應(yīng)最優(yōu)熱效率分別為32.8%、34.0%、34.5%和35.2%。圖5b示出了熱輻射器面積的影響，最大輸出功率和對應(yīng)最優(yōu)熱效率隨著熱輻射器面積的增大而增大。在熱輻射器面積不斷增加時(shí)，最大輸出功率分別為2568W、3172W、3532W、3788W和3988W，對應(yīng)最優(yōu)熱效率分別為30.1%、32.8%、34.3%、35.2%和35.9%。圖5c示出了熱輻射器面積的影響，最大輸出功率和對應(yīng)最優(yōu)熱效率隨著熱輻射器面積的增大而增大。在熱輻射器面積不斷增加時(shí)，最大輸出功率分別為2568W、3172W、3532W、3788W和3988W，對應(yīng)最優(yōu)熱效率分別為30.1%、32.8%、34.3%、35.2%和35.9%。示出了熱漏系數(shù)的影響。熱漏系數(shù)為0.5W/K、1.5W/K、2.5W/K、3.5W/K和4.5W/K時(shí)，最大輸出功率分別為3213W、3192W、3172W、3152W和3132W，對應(yīng)最優(yōu)熱效率分別為37.7%、35.1%、32.8%、30.8%和29.0%。可以看出，對應(yīng)最優(yōu)熱效率隨著熱漏系數(shù)的增大而顯著減小，而最大輸出功率變化不大。圖5d示出了回?zé)崞饔行б蜃拥挠绊憽；責(zé)崞饔行б蜃訛?.5、0.6、0.7、0.8和0.9時(shí)，最大輸出功率分別為2823W、2898W、2981W、3071W和3172W，對應(yīng)最優(yōu)熱效率分別為22.4%、24.3%、26.6%、29.4%和32.8%。可以看出，對應(yīng)最優(yōu)熱效率隨著回?zé)崞饔行б蜃拥脑龃蠖龃螅畲筝敵龉β首兓淮蟆?br />
圖5 重要設(shè)計(jì)參數(shù)的影響


4 結(jié)語

深空探測是一項(xiàng)高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的航天活動。經(jīng)過50多年的探索與發(fā)展，人類已對太陽系主要天體，尤其是月球和火星進(jìn)行了比較深入的探測，取得了一系列巨大的工程技術(shù)和科學(xué)探測成果。

拓展人類生存發(fā)展空間，尋找地外生命，是人類孜孜不倦的追求，也是人類文明發(fā)展的需要。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要人類長期而深入地開展深空探測活動，不斷深化對太陽系和宇宙的認(rèn)識。地外長期生存技術(shù)是從原位資源利用中汲取優(yōu)勢以確保人類可以長期參與宇宙探索任務(wù)，實(shí)現(xiàn)在任務(wù)過程中的自給自足。原位資源利用、物質(zhì)循環(huán)利用、原位儲能發(fā)電是人類實(shí)現(xiàn)地外生存，開展地外活動的基礎(chǔ)。大力發(fā)展原位儲能發(fā)電技術(shù)，才能大大減少從地球攜帶的物資，使載人深空探索任務(wù)具備可行性。相關(guān)工作發(fā)表于Energy期刊（文章檢索doi:10.1016/j.energy.2016.03.132）。