中秋月圆日，天宫问天时

中秋之夜，天宫二号成功“飞天”的消息振奋人心。天宫二号是中国第一个真正意义上的空间实验室，根据计划，10月中旬神舟十一号载人飞船将把两名宇航员送到天宫二号，这是发展航天计划的重要一步，也是我国空间站的雏形。这也是今年7月31号，继中国首辆月球车“玉兔号”向人类深情告别后，对广大中国人民的最好慰籍。

天宫二号发射示意图

人类奔月历程

发射人造地球卫星，载人航天和深空探测是人类航天活动的三大领域。而一系列的神舟X号，天宫X号，嫦娥X号则是相应的代名词，代表着不同类的航天器，神舟X号是载人飞船，天宫X号是飞行器，也是将来空间站的雏形，嫦娥X号则是月球探测器，其主要用途是对月球进行探测。中秋之际，就来让我们一起聊聊嫦娥奔月吧。

嫦娥是个美丽的名字，尤其在中国，这个传承千年的神话故事一直以来寄托着人类对月亮的美好向往，而随着科技的发展，登九天而揽月不再只是传说，嫦娥奔月的神话变成了现实。

• 1969年7月20日，美国阿波罗11号开启月球之旅，美国宇航员阿姆斯特朗的踏出了人类在月球的第一步，印证了他的那句“人类一小步，科学一大步”。

• 2004年，中国正式开启探月历程，并命名为“嫦娥工程”

• 2007年10月24日，嫦娥一号成功发射

• 2010年10月1日，嫦娥二号成功发射

• 2013年12月2日，嫦娥三号成功发射

核动力助推探月梦

月球表面的“玉兔”

从现有获得的知识表明，月球上有着漫长的黑夜（相当于地球的 14 天），又昼夜温差悬殊，白天温度高达 150℃，夜间温度降至零下 180℃。月球上没有空气，既不能传导热量，也不能传播声音。为了了解月球及其环境，需要利用多种仪器长期地、自动地观察，这就需要解决能源的问题。显而易见，在如此严峻的环境中化学电池是不能工作的；而太阳能电池必须有日照时（14天）方能发电。玉兔号是中国首辆月球车，和着陆器共同组成嫦娥三号探测器。为适应极端环境， “玉兔号”月球车携带了核电池—同位素热源，可耐受300摄氏度的温差。有了它，为防止车载仪器被冻坏，夜间休眠中的月球车可以靠核电池放出来的热量保温。而一旦新一个白昼来临，太阳能电池就能替代核电池，重新驱动月球车工作。

什么是核电池？

核电池(又称原子能电池或放射性同位素发电装置)就是利用同位素材料衰变过程中产生的能量放出的热量，进行热电转化。其装置名称RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素热电发电机”这个词的缩写。

同位素电池

核电池工作的原理是通过半导体换能器，将放射性同位素（例如钚238、铀238等）衰变过程中，释放出射线(放出载能粒子α、β和γ粒子射线)的热能，转变为电能。上图展示了原型同位素电池的结构。其中心部分是用放射性同位素制成的热源，外围紧贴着换能器，当热量通过换能器时，一部分热转变为电能而输出，大部分热则通过外壳和散热器释放到周围环境。为了减少漏热，在热源和电池外壳之间的空间常填充绝热材料。另外，为了使换能器输出的电能与外电路负载相匹配，还必须配备电压变换与功率调节装置。若同位素热源的辐射剂量较高，还需予以适当屏蔽，以确保附近仪器正常运转和工作人员的辐射安全。

现有的放射性同位素有3000多种，而应用于同位素电源的不过几十种。对嫦娥三号来说，核电池中的钚金属块238它相当于一个热源。这一热源对将在月球环境下生存的嫦娥三号的保温作用是至关重要的。其释放出的热量及经过温差热电转换器的转换形成的电流，充分满足了嫦娥三号的能量需求。它的能力虽不足以让火箭升空，却可以用于小规模供电，支持嫦娥三号所带月球车低速移动；支持嫦娥三号所带设备正常工作；支持嫦娥三号与地球之间的通讯。这种释放能量的大小和速度不受温度，磁场，压力等的影响。

核电池在航天任务中的应用

20世纪50年代，美国率先启动了“空间核辅助电源计划”。美国于1958年开始太空核电池的研发。1961年美国发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”，该卫星首次配备了RTG。该电池外形接近球体，直径约12.5厘米，重约2千克。个头虽小，它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年，大大超过原来的设计寿命。1969至1972年间，共有五块放射性同位素电池被五次“阿波罗”任务的宇航员带上月球，为月震仪、磁强仪、热流计、重力计和太阳风测定仪等多种仪器提供电能。2012年8月7日，美国发射的好奇号火星车，顺利抵达火星，其所用的核电池寿命长达14年。

好奇号在火星表面

除美国之外，苏联也开展了相关的研究。如1969年和1973年，发射的“月球车1号”和“月球车2号”登上月球，这两台无人探月车使用放射性同位素钋210作为燃料（可输出800瓦功率）来抵御月夜的严寒，为月面观察仪器建立恒温环境。

虽然“玉兔”已经在人类的惋惜声中退役，但这次月球车在月球表面的超额完成任务标志着中国成为继美苏之外第三个成功将核动力应用于太空探索的国家。探月工程目前最实际的意义，还是人类的能源梦想。月球可以提供许多能量“接力”的物质，比如太阳能，因为月球本身的空气十分稀薄，因此太阳能可以直接利用；比如氦3这种可长期使用的、清洁而安全的可控核聚变燃料，据称氦3在月球上的储量在100万吨到500万吨之间，而几十吨氦3即可维持地球一年的能量需求。这种丰富的能源，对于能源逐渐枯竭的地球当然十分重要。

参考文章：

1.北方网，嫦娥三号将用核动力推进 技术不逊于好奇号，2013.11

2. 参考消息网，"玉兔号"月球车将完全休眠 向网友道别:真的晚安咯 2016.8

3.蔡善钰，放射性同位素电池在月球上，现代物理知识，2010.5

4.吴伟仁，放射性同位素热源电源在航天任务中的应用，航天器工程，2013.4