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)展的長遠目標(biāo)之一，而開展深空探測是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必然途徑，也是體現(xiàn)一個國家航天技術(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更遠的地方，深空探測的概念也會繼續(xù)發(fā)展。深空探測應(yīng)該實現(xiàn)以下幾個目標(biāo)：利用空間資源（能源、資源、環(huán)境）；擴展生存空間；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、建立多維新型時空關(guān)系，才能對遠在幾十萬光年處的星系進行探測，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)的進步和國家綜合實力的提高。相對于近地航天任務(wù)，深空探測任務(wù)面對距離遙遠、飛行時間長、數(shù)據(jù)傳輸速率有限、深空環(huán)境復(fù)雜等一系列難題，需要不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新與驗證。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，探測器通常需要消耗巨量的燃料才能實現(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，高效的能源與推進系統(tǒng)是進行深空探測任務(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，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。達到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：能夠在低光強/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)。達到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：先進的同位素?zé)犭姲l(fā)電機（10-15W/kg、效率15-20%、15年壽命）；先進的斯特林放射性同位素發(fā)電機（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。達到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：一次電池，比能量達到1000Wh/kg，在低溫下運行的能力（-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。達到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：系統(tǒng)儲存能量達到kWh和MWh，并且在采用碳納米纖維后比能量達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，達到技術(shù)成熟度6的標(biāo)志為：比能量達到1500Wh/kg、充電放電效率達到70%、高可靠性和長壽命能力（10000小時）得到增強。

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，為地外生存實驗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現(xiàn)載人登月任務(wù)的重要保障。因月夜長達350小時，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，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)在第二個周期以后就達到穩(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?？梢钥闯?，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)在第二個周期以后就達到穩(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)計參數(shù)進行了影響分析。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，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，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，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，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%?？梢钥闯?，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，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?，而最大輸出功率變化不大?br />
圖5 重要設(shè)計參數(shù)的影響


4 結(jié)語

深空探測是一項高技術(shù)、高風(fēng)險、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）。