@ 2015.09.26 , 17:00
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解析《火星人》中的技术:电力

这是检视国际空间站(ISS)上各个实际系统的一个系列的第二篇。Andy Weir的小说(以及即将上映的雷德利·斯科特同名电影)《火星人》中的虚构装备就是受其启发而创作的。在前两篇中我们审视了在太空中管理空气的许多方法。这一次,我们会调查NASA用来给他们的载人和无人太空飞行提供电力的一些组件!

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毯子里的伏特

国际空间站(ISS)是一艘很大的太空船。它的外围大约与一个美式足球场一样大小。这个边界内大部分区域都被大片古铜色的太阳能电池阵列占据。更具体来说,有八个太阳能电池阵列,每个长112英尺宽39英尺(34.1米 x 11.9米)。每个阵列由两个光收集毯和保持它们伸展必需的桁架结构组成。

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ISS八个巨大的太阳能电池阵列可能是其最显著的视觉特征。他们可以为空间站提供相当于55个普通家庭的电力。

这些毯子由太阳能电池组成——很多很多的电池。这些电池的工作是把阳光转换成电能。这些纯化硅电池的巨大数量(超过25万个)反映了ISS的巨大力量需要。如果你查看ISS太阳能电池阵列的综合输出能力(上面也有一些较小的俄罗斯阵列),它足够给55个一般美国家庭供电——如果一般美国家庭也使用160伏直流电源的话。

太阳来了(就好)

利用太阳能比仅仅展开接近一英亩大的太阳能电池阵列要做更多事情。需要仔细定位阵列来从任何可用的阳光中获得最多的能量。考虑到ISS绕地球运行与地球绕太阳运行的所有相对运动,这可能会是个困难的工作。

该阵列有两个旋转自由度,而不是重定向整个空间站来保持阵列指向太阳(这样做将是非常消耗能源的)。阿尔法万向节(也叫太阳能阿尔法旋转接头–SARJ)允许支撑空间站每侧四个太阳能阵列的主桁架结构旋转,这是太阳跟踪的主要连接节点。

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每个太阳能电池阵列可以在两个轴上旋转以提供最佳对日方向。不过,阵列定位有时也考虑到其它目标。

还有四个贝塔万向接头,允许成对阵列在垂直于主桁架的轴上旋转。随着这些阿尔法和贝塔运动,不论地球、太阳和空间站的相对位置,阵列都可以停留在理想的朝向上。这个最佳位置不一定是收集最多阳光的位置。

即使ISS在地球表面上方大约250英里的轨道上运行,在那个高度仍有足够的大气存在,要把气动阻力放在任务控制需要担心的问题列表中。有时候定向阵列以微调ISS的阻力剖面可能会胜过晒日光浴。有时候飞行控制也会重新定位阵列以防止对接载具的排气羽流污染太阳能电池。

捕捉阳光有时要屈居第二的另一个原因和阵列本身的材料属性有关。保持伸展的太阳能毯绷紧的细长、可折叠的桁架结构本质上是很精致的。如果阵列配置使得桁架部分在阳光直射下,而其余部分在阴影里,两部分之间的温度梯度可能高达500华氏度(分别从- 250F到250F)。这种差异明显会对桁架结构完整性造成担忧。出于这个理由,飞行控制员积极避免会造成这种“纵梁遮蔽”情况的朝向。

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宇航员Steve Bowen在STS-126任务期间清洁和润滑ISS的太阳阿尔法旋转接头之一。

即使有最佳的阵列定位,地球的阴影也使得几乎不可能在整个轨道周期保持ISS在阳光下。平均上,每个90分钟的轨道周期中约35分钟是在黑暗中度过的。大排的镍氢电池在这些日食期间(每天16次)为ISS提供电力。一旦空间站再次找到阳光,就给这些电池再次充电。

真相比虚构更低效

《火星人》的读者们会记得太阳能电池阵列和电池是虚构的红色星球前哨的主要电力来源。鉴于这些设备的可预测性能和NASA使用它们的长期历史,这是有意义的。然而,当我们考虑未来火星任务中的太阳能电源,有几个变量需要争辩。

太阳能电池阵列的主要因素之一(以及它们不用在深空任务中的原因)是光照强度随你远离光源而降低。更具体地说,光强度随距离平方反比降低。换一种方式来说:你在离太阳两倍距离处,从太阳能电池阵列就得到四分之一功率。

其它条件都一样时,ISS的巨大太阳能电池板如果放置在火星上,只会产生地球轨道功率水平的区区40%。

火星比地球离太阳远60%,其它条件都一样时,ISS的巨大太阳能电池板如果放置在火星上,只会产生地球轨道功率水平的区区40%(忽略由于火星大气、尘埃、阵列朝向等造成的任何额外退化)。这并不是说,火星基地需要一个ISS尺寸的阵列所能提供的22个家庭电力。然而,一个火星宿舍的假定电力需求表明要支持任何人类长期停留都需要一个尺寸可观并且可能很笨重的太阳能电场。

另一个考虑因素是太阳能电池的光转换效率。ISS上的单元现在已相当陈旧,只有14%的效率。更新的设计利用更广频谱的光线,可以接近30%的效率,我不知道有任何升级ISS的阵列的计划。目前的单元满足需求,所以很难有理由证明设计、发射、并安装新阵列的财务和宇航员小时成本。

我认为这是可行的,但是,考虑到我们准备好执行载人火星任务时,这些效率改进的电池(或甚至更好的)将会可用,先进的太阳能电池阵列对于减少火星太阳电场的必需面积大有帮助。

像ISS一样,一个火星前哨需要为黑暗时期准备某种类型的电池存储。以电池技术目前的发展速度,甚至猜测15~20年后实际载人火星任务可以升空时什么能够实用化都是愚蠢的。与太阳能电池阵列不同的是,ISS的电池是注定要升级的。目前的镍氢电池已安排从2016年夏季开始被更轻更高效的锂离子电池取代。

电力分配

ISS的整体电气系统可分为两个基本部分:主电源系统和二级电源系统。主系统包含与创造和存储电能相关的所有组件,如太阳能电池板、电池、电池充电电路、总线开关单元和称为顺序分流单元(SSU)的组件。当运营需求变化是,SSU为电路提供一个稳定的阻性负载,它们也是几层电压调节中的第一层。

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ISS的电力系统分为两个高级别系统:主系统和二级系统。冗余是总体设计的关键要素。

二级电源系统组件负责向ISS的可居住加压模块中的无数电路和电气设备分配电力,直流—直流转换单元把来自主线的160伏电降压至约120伏。再往下是二次配电组件,把电力分发给远程电源控制模块(RPCM),PRCM是把电力通向具体组件的开关。

即使供电是在120伏直流,不是所有组件都工作在此电压。ISS建设早期阶段,在大型太阳能电池阵列成为系统一部分之前,一小组俄罗斯太阳能电池阵列提供电力。这些阵列产生28伏直流电源,ISS的许多传统组件被设计为在该电压下工作。此外,还有曾经与航天飞机接口的大量电气设备,这是又一台28伏的航天器。额外的直流—直流转换器用来确保每个组件被供给适当的工作电压。

ISS电力系统架构的大部分反映了对冗余而不是简单的专注。

ISS电力系统架构的大部分反映了对冗余而不是简单的专注。在许多情况下,故障设备可以从其他电路被隔离,这可以防止一个坏苹果弄坏一大堆,在其他情况下,关键部件可以在需要时由备用电路供电。RPCM开关和其它电源管理设备的大部分日常管理是由ISS飞行控制员远程进行的。然而,一些电力系统突发事件需要ISS乘员去实际地人肉操作粗大的跳线来重新路由电路。

有核武就上核武

《火星人》中的其它电力来源之一是一台便携式核设备。虽然这看起来可能像科幻小说,但NASA从1961年以来一直在使用这样的小工具,被称为放射性同位素热电发电机(RTG)。事实上,在火星上已经有几台RTG了,1976年抵达红色行星的海盗号探测器使用了RTG,还有目前正在探索火星的好奇号。

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放射性同位素热电发电机使用来自放射性物质衰变的热量向航天器提供温和但长期的电力。

RTG利用来自放射性材料自然衰变的热量工作,用热电偶将热能转换为电能。放射性物质在很长一段时间中非常可预测地衰变,这提供了可靠的热源使RTG在外层空间值得信任地运作。

现代RTG直径约25英寸(64厘米),高约26英寸(66厘米),这台94磅(43公斤)重的设备在辐射2,000瓦热量的同时产生110瓦电力。5.5%的效率不是真的值得吹嘘的事情,但这是RTG也能用作极好的取暖器的主要原因。

虽然有好几种放射性物质可用于RTG,但都没有钚-238合适,它有一个很长的88年半衰期,不需要大量的辐射防护。钚-238的“人气”带来的问题就是它已经变得非常稀缺。目前的储藏只够再建造三台RTG,其中一台被指定给计划在2020年发往火星的类似好奇号的火星车。除非为载人火星任务存下剩余的钚-238,这些飞行中将使用的任何RTG看来只能用较次的燃料了。

Andy Weir对载人火星前哨太阳能和RTG供电的预测是合理的。

结论

NASA为航天器产生和储存电力有很多方法,每一种都有自己的理想应用和局限性。Andy Weir对载人火星前哨太阳能和RTG供电的预测是合理的。随着时间和技术进步,我会很高兴看到一个实际火星任务的电力解决方案将如何进行。

最后要指出——严重感谢ISS飞行控制员Tom Sheene提供对ISS电力系统的深度描述。在本系列下一篇里你会看到关于Tom和飞控角色的更多内容。

本文译自 Tested,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 8+1

  1. skyedge
    @2 years ago
    2943112

    差点看成isis。。

    [10] XX [1] 回复 [0]
  2. bear大船
    @2 years ago
    2943123

    最近火星人大轰炸啊

  3. 幕后煮屎者
    @2 years ago
    2943126

    同位素热发电机就是个过渡产品,什么时候能把核裂变发电小型化到太空设备上,就再也不用担心电力问题了,再过个几十年,军用转民用,我们就有核电汽车开了。

  4. balabala
    @2 years ago
    2943136

    后来镍氢电池用了两年后馈电严重,火星人冻死了

  5. 2943184

    支持isis全体 移民火星,这儿红的,有待绿化

  6. 大叫驴
    @2 years ago
    2943198

    所以太空任务中都没有使用的神奇电池都是吹牛O

  7. 2943259

    严重感谢?

  8. 2943261

    @幕后煮屎者: 太空中散热只能靠辐射板,一个潜艇堆只有浴缸那么大,但是配套散热就大了。。。。

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