1977年发射的旅行者1号和旅行者2号探测器,至今已在浩瀚宇宙中持续运作超过45年,是人类历史上最持久的太空探测器。它们能够在远离太阳照射的深空环境中正常运行,得益于其内置的放射性同位素热电发电机(RTG)。初始时,RTG提供的电力约为470瓦,使得旅行者号能够支持科学仪器和通信设备的正常运行。然而,正如宇宙万物终将衰减一样,RTG的电力输出也随着放射性燃料钚-238的自然衰变和热电偶材料的老化而逐渐减少。近期,NASA宣布通过绕过一段电压调节电路和相关的备用电力系统,成功释放了旅行者2号的储备电力。这一创新调整不仅推迟了更多科学仪器的关闭时间,也彰显出对几十年老化设备的新管理思路。
RTG作为旅行者号动力系统的核心,其成熟的技术积累为后续探测任务如新视野号和火星科学实验室等提供了宝贵经验。核热电发电机的基本工作原理基于塞贝克效应,通过热电偶将放射性同位素燃料释放的热能转化为稳定的电能。旅行者号使用的多百瓦级(MHW)RTG采用硅锗合金热电偶,虽然转换效率较低,但具备无运动部件、无需主动冷却的显著优势。这些特性使其适合长时间无人维护的深空任务。回溯历史,美国核辅助动力航天系统(SNAP)计划早在1960年代便开始开发适用于空间的RTG设备,从SNAP-3开始实现了空间应用,随后SNAP-19和SNAP-27为诸如先锋号、维京号登陆器及阿波罗月球实验包提供了可靠电力。随着时间推移,RTG技术经历了多次迭代升级,设计开发从最初的硅锗热电偶逐步过渡到含铅的PbTe/TAGS材料,这有效提升了转换效率和热电偶的耐用性。
旅行者号的MHW-RTG虽然技术较为陈旧,但其长达数十年的正常运行证明了该技术的稳健性。继旅行者之后,通用用途热源(GPHS)RTG被广泛应用于多个重要的深空探测任务,包括尤利西斯号、伽利略号和卡西尼号,产生的电力稳定在约300瓦。同时,当前活跃的火星探测车"好奇号"和"毅力号"配备的多任务多用途RTG(MMRTG)更是采用了先进的PbTe/TAGS热电偶,提高了电力输出的持续稳定性和寿命。火星探测器所用的RTG不仅提供电力,同时又通过内置的放射性加热单元(RHUs)维持电子设备以及仪器的温度,保证其在极寒的火星环境中能够正常运行。放射性同位素钚-238拥有约87.7年的半衰期,主要通过α衰变释放热能。钚-238不仅释放的热量高,而且对周围材料的辐照损伤较小,且不产生穿透性强的γ射线,极大地减少了对探测器和环境的威胁。
美国的钚-238供应曾一度中断,导致RTG燃料数量紧张;为此,美国政府现已恢复了钚-238的新生产工艺,计划通过中子辐照堆利用存储的镎-237转化为钚-238,预计每年可生产约1.5公斤,满足未来深空探测需求。在旅行者号能源管理方面,传统设计配备了电压调节电路和备用电源系统,用以稳定探测器电压、防止电力中断。近期NASA改动方案通过绕过这部分调节电路,释放了额外储备电能。虽然这一做法在新设备中风险较大,但对于运行多年、状态稳定的旅行者号来说,实际情况是调节电路及备用系统本身消耗了宝贵的电能。通过精确监控和软件调整,使仪器获得了更多电力,延长了科学数据采集的时间。探测器电力系统的调整受限于老化的热电偶性能和放射性物质衰变的自然限制,虽然技术上无法逆转寿命衰减,但通过优化电力线路管理,探索者或其他远程探测器的运行寿命可被适度延长。
未来,随着新型高效热电材料和创新动力技术的发展,例如斯特林发动机循环RTG或更先进核反应堆等,空间探测的能源问题有望获得进一步突破。然而,短期内,RTG仍将是深空探测器实现长寿命、持续供电的主力方案。旅行者号作为人类探空史上的传奇,承载了人类文明的象征 - - 装载着地球文化和生命信息的"金唱片",它们的生命延续不仅象征着科学的坚持与工程的辉煌,更激励着新一代科研人员继续拓展对宇宙的认知。每年额外延长的运行时间,都可能带来珍贵的宇宙数据,帮助人类更好地理解恒星际空间环境以及太阳系边缘的秘密。尽管宇宙的广袤和时间的无尽令人敬畏,人类借助如旅行者号这般的先驱探测器,正一步步揭开深空的神秘面纱。投资于核热电技术的发展和燃料的持续供应,对于未来数十年乃至数百年的太空探索至关重要。
人类探索宇宙的脚步已踏出地球大气层,从近地轨道到外太空,再到星际航行,能源永远是制约空间探测的关键因素。放射性同位素热电发电机的简单高效、无运动部件和良好的长期性能,成为了太空深处无人探索器实现连续供能的根基。在追寻未知的航程中,旅行者号的储备电力故事为我们展示了创造力与科学精神如何战胜技术挑战,延续寻找星辰大海的梦想。未来,随着技术进步和可持续核燃料的保障,人类能够赋予更多探测器以更强大、更持久的动力,驱动科学仪器不断突破宇宙的边界,谱写探索太空的新篇章。 。
