如何度过寒冷月夜？化学能热电系统登场

文/张雪松

月球的漫漫长夜没有阳光照射，表面温度会从白天的120摄氏度左右降到零下180摄氏度以下，长达14天的月夜对探测器的存活提出了巨大的挑战。月球着陆器度过月夜的传统方式是核热源，7月发射的印度月船3号着陆器没有使用保温措施，无法度过寒冷的月夜。美国也在积极准备重返月球，尤其是商业月球载荷服务（CLPS）的着陆器即将陆续登上月球，未来美国探测器又将如何度过月球的寒冷长夜呢？

传统过夜靠核能

月球表面昼夜巨大的温差和极为寒冷的漫漫长夜，对月球着陆器的长期工作提出了巨大的挑战。地球轨道上存在日照和阴影区，航天器在轨飞行进入地球阴影区时只能使用蓄电池供电，与月面的昼夜交替类似。然而，航天器环绕地球每圈的阴影区飞行时间也就是几十分钟，而月球表面一个夜晚长达约14天，现在蓄电池的能量密度还太低，面对月夜期间加热保温的能量需求，实在是心有余而力不足。

美苏冷战期间开展登月竞赛，竞相发射月球着陆器，它们是如何过夜的呢？美国勘测者系列着陆器任务重点是突破掌握月球软着陆技术，没有采用专门的加热措施。但当年美国航天器的质量还真是顶呱呱，7个勘测者着陆器成功着陆5个，其中勘测者5、6、7号都挺过了一个月夜，勘测者5号甚至活了3个月零7天，也就是硬挺过3个月夜！话虽如此，勘测者系列探测器挺过月夜只是意外之喜，要实现探测器月夜的正常生存，还是要采用加热保温手段。苏联月球车1号和月球车2号都使用了放射性同位素热源（RHU），用于在漫长寒冷的月夜取暖保温，其中月球车1号生存了9个月27天，月球车2号落入陨石坑，导致散热器故障，但也运行了3个月24天。月球车2号行驶了约39千米，是美国好奇号火星车之前人类在地外天体上行驶最远的车辆。

苏联有使用同位素热源过夜的成功经验，美国虽然实现较晚，但后来居上。虽然阿波罗登月的着陆舱和月球车都没考虑月夜生存，但登月时部署了阿波罗月面实验装置（ALSEP）。月面实验装置包括科学载荷以及供应它们过夜取暖的放射性同位素加热器，设计使用寿命1年。其中最长寿的一套月面实验装置工作了8年之久，而且最后还是地面控制中心主动关闭，而不是因能量耗尽或设备故障寿终正寝。时光流逝，来到21世纪，美苏探月的辉煌俱往矣，现在中国才是月球探测的主角。我国2013年发射的嫦娥三号探测器和2018年发射的嫦娥四号探测器，以及它们分别携带的玉兔一号月球车和玉兔二号月球车，都使用了RHU放射性热源和两相流体回路技术，确保探测器能在极端寒冷的月夜环境下生存下来。现在我国的嫦娥三号着陆器已经存活了9年9个月，不出意外，它还能继续活很多年！

▲ 嫦娥三号使用同位素热源，创下了月面生存时间纪录

巧妇无米走新路

▲ Astrobotic的5瓦月夜加热演示单元

放射性同位素核热源是月球着陆器过夜的最佳选择，但对美国宇航局来说，继续使用核热源却有个不大不小的拦路虎。核热源都采用半衰期87.7年的钚-238，冷战时期美国依托庞大的核武器工业，有充沛的钚-238供应，迄今发射了46个使用钚-238放射性同位素热源或电源的探测器。但美国1988年已经停止了钚-238核材料的生产，主要依靠购买俄罗斯生产的钚-238。后来俄罗斯也停止钚-238的生产，此时美国宇航局库存35千克钚-238也就够3次重量级深空探测任务，美国不得不重启钚-238的生产。

2015年12月美国能源部橡树岭国家实验室制造了27年来第一批钚-238，但质量仅有50克，实属杯水车薪。美国科学家绞尽脑汁使用新技术新工艺，2019年将年产能提高到400克，并计划到2025年提高到年产1.5千克。对于美国宇航局来说，这点钚-238产能供应木星以外的重量级深空探测器都不太够用，不太重要的月球探测要用钚-238，肯定得排到猴年马月去了。美国宇航局和商业航天公司开展月球探测，现在却面对巧妇难为无米之炊的困难。当然，他们并没有坐以待毙，Astrobotic公司和大学等研究机构正在研究新的月夜生存技术，转向能量密度低但制造难度更低的化学能技术。

▲ NITE的优势：比锂电池能量密度高，比核电源功率输出大

Astrobotic公司的解决方案名为夜间综合热电系统（NITE），其核心部分是金属氧化加热系统，通俗地说，就是通过金属氧化反应放热来加热有效载荷，产生的废气还能通过燃料电池产生更多的热能和电能。NITE使用过氧化氢和金属燃料，用于为探测器的月夜生存提供热能，至于探索月球永久阴影区的短期任务，更是不在话下。Astrobotic公司已经造出了5瓦的金属氧化供热演示系统，达到了TRL 4级技术成熟度，现在还在研制更大功率的金属氧化放热系统，计划到2024年2季度发展到TRL 6级。Astrobotic公司表示，这套NITE系统可以达到1900 瓦时/千克的能量密度。现在电动汽车上的锂电池能量密度普遍在200瓦时/千克以下，特斯拉使用的4680锂电池能量密度也只有不到300瓦时/千克，而金属氧化系统的能量密度要高好几倍，相比使用蓄电池进行月夜保温的概念，更能有效降低加热系统的体积和重量。

▲ 商用锂电池能量密度最高只有约300瓦时每千克

商业公司Astrobotic的金属氧化加热方案，实际上是一种热电联产的金属基燃料电池，虽然能量密度甚至无法和阿波罗时代的氢氧燃料电池相比，但NITE方案不仅同样能间歇工作，而且过氧化氢和金属都无毒易存储，也能通过添加燃料延长使用寿命。过氧化氢也是发动机的氧化剂，只需利用着陆后剩余的过氧化氢，既无需专门储存，也省去了着陆后排空剩余推进剂的问题。NITE系统反应生成的废气继续和氧化剂反应，用于直接产生电力，相比RHU方案，还能额外提供电力供应。NITE系统与传统燃料电池相比，不用高压或低温贮箱，可靠性高，产热效率高且热量耗散损失低；与斯特林发动机相比，结构简单，实现了自存储，供热能力能快速节流调节。总而言之，这是一种构思巧妙、安全高效的热电供应方案。

月球探测用处多

NITE夜间综合热电系统是化学能系统，而核燃料能量密度比化学燃料高约6个数量级，钚-238功率可达550瓦/千克，以工作10年计算能量密度就高达约4800万瓦时/千克。即使综合考虑整个核热源，俄罗斯的4瓦核热源总重量为390克，能量密度比化学能供热装置仍高出几个数量级。NITE系统终究只是美国钚-238核材料不足的权宜之计，即使如此，化学能综合热电系统在未来月球探测中也有望获得广泛应用。

▲ VIPER月球车，可能使用NITE月夜存活

NITE系统不需要像RHU核热源和RTG核电源那样使用核材料，不仅没有制造使用核材料的高成本，更无需面对钚-238等核材料产能不足的问题，它首先将用于探测器的月夜加热保温。Astrobotic公司是美国商业登月领域的领头羊，获得了美国宇航局两个登陆器的研制合同。今年年底计划发射的游隼着陆器还来不及使用NITE夜间综合热电系统，但未来其他着陆器携带的月球表面有效载荷和研究调查将使用NITE系统供热，让有效载荷度过14天的漫长月夜。2024年底发射的VIPER月球车和格里芬着陆器也可能用上NITE系统。让430千克的VIPER大型月球车挺过月夜，具有很大的科研价值。VIPER的前身资源勘探者号（RP）月球车设计寿命只有14天，而VIPER月球车具有100天的设计寿命。

世界各国尤其是美国的月球探测，未来聚焦极区，主要是月球南极。月球南极点附近区域存在日照时间长达80%～90%、几乎日不落的永久光照区，以及真正常年不见天日的永久阴影区。永久阴影区很可能存在大量的水冰，是月球的主要资源之一。

永久光照区有长时间的阳光照射，便于通过太阳能电池补充能量。环形山底的永久阴影区恰好被毗邻的永昼山峰包围。考虑未来月球探测的实际环境，未来极区着陆器需要加热保温的月夜并不是月面工作时间的一半，而是只有最多1/5的时间，化学能热电系统能量密度低的劣势反而得到了部分缓解。

化学能热电系统未来将用于其他月球商业载荷服务的着陆器、月球车和跳跃器等探测器，供它们平安度过一个个寒冷月夜。美国载人登月阿尔忒弥斯计划正在研制空间核反应堆。反应堆使用常见的铀作为核燃料，没有钚-238同位素产能问题的困扰。但月面工作的小型核反应堆研制需要时间，也存在一定的技术难题。在初期的载人登月任务中，化学能热电系统也能为登月载荷提供宝贵的月夜生存能力。

此外，未来深入月球永久阴影区的月球车也能使用化学能热电系统开展短期工作。尤其是化学能热电系统容易放大输出功率，甚至可以直接驱动月球车工作，这就更是RHU核热源无能为力的。

美国好奇号火星车使用MMRTG核电源，研发成本8300万美元，造价更是达到了1.09亿美元。它重45千克，可工作至少14年，但供电功率只有125瓦，如果提供同样的供电功率，化学能热电系统足以支持月球车在永久阴影区的短期工作，而无需付出MMRTG上亿美元的研发制造成本。

考虑到月球车不需要在永久阴影区长期工作，尤其是持续活动数月甚至数年之久，使用能量密度低但研发制造成本更低的化学能热电系统，也是一个很有价值的方案。