自1961年以來，放射性同位素電源一直是太空飛船的重要能源。
1、外層空間的核動力
(資料圖)
核動力反應(yīng)堆主要使用受控的核裂變，使用中子吸收劑后，反應(yīng)速度得到控制，因此功率取決于需求。
放射性同位素熱電發(fā)電機(RTG)是不發(fā)生鏈式反應(yīng)的替代電源。功率取決于用作燃料的放射性同位素的初始量，通過熱電偶將放射性同位素的放射性衰變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為電力。
钚-238半衰期為88年，是一種理想的長效動力源。
大多數(shù)RTG使用钚-238，使用RTG時，發(fā)電量無法改變或關(guān)閉，因此需要在高峰時段考慮補充電池。
當航天器所需功率小于100 kW，使用RTG。
除此之外，裂變系統(tǒng)比RTG更具成本效益。
聯(lián)合國設(shè)有外層空間事務(wù)廳(UNOSA)，負責執(zhí)行1959年成立的和平利用外層空間委員會(COPUOS)的決定，該委員會目前有71個成員國。
UNOSA認識到“由于核動力源的緊湊性、長壽命和其他特性，對于一些外層空間任務(wù)來說特別適合，甚至是必不可少的”，“在外層空間使用核動力源應(yīng)側(cè)重于利用核動力源的特殊性質(zhì)”。
它通過了一套適用于“外層空間核動力源的原則，專門用于為非推進目的在空間物體上產(chǎn)生電力”，包括放射性同位素系統(tǒng)和裂變反應(yīng)堆。
UNOOSA的雙重目標是支持委員會及其科學技術(shù)小組委員會(S&T)的政府間討論以及協(xié)助發(fā)展中國家利用空間技術(shù)促進發(fā)展。
此外，它還關(guān)注與空間活動、技術(shù)和應(yīng)用有關(guān)的法律、科學和技術(shù)發(fā)展，以便向會員國、國際組織和其他聯(lián)合國辦事處提供技術(shù)信息和建議。
2、放射性同位素系統(tǒng)——RTG
RTG結(jié)構(gòu)圖(圖源：網(wǎng)絡(luò))
RTG自1961年以來一直是美國空間工作的主要動力源。
钚-238的高衰變熱(0.56W/g)使其能夠用作航天器、衛(wèi)星和導航信標的RTG電源。其強烈的α衰變過程和可忽略的γ輻射需要最小的屏蔽。
镅-241，0.15 W/g，是另一種能源，受到歐洲航天局的青睞，盡管它具有較高水平的相對低能量伽馬輻射。
來自氧化物燃料的熱量通過靜態(tài)熱電元件(固態(tài)熱電偶)轉(zhuǎn)換為電能，而無需移動部件。
RTG安全、可靠、免維護，在非常惡劣的條件下，特別是在不能使用太陽能的情況下，可以提供幾十年的熱量或電力。
菲萊探測器是人類歷史上第一顆進入彗星軌道的探測器。
歐洲航天局的羅塞塔(Rosetta)任務(wù)證明了這種電源的重要性，該任務(wù)于2014年成功地將菲萊(Philae)探測器降落在67P/Churymov–Gerasimenko彗星上。
菲萊配備了電池和太陽能電池板，在彗星表面著陸位置被懸崖?lián)踝×颂柟饩€，意味著著陸器無法利用太陽能，只能在電池電量耗盡前發(fā)送64小時的數(shù)據(jù)。
3、應(yīng)有廣泛
多任務(wù)放射性同位素熱電發(fā)生器(MMRT)(資料來源：NASA)
迄今為止，超過45臺RTG為超過25艘美國太空飛行器提供了動力，包括阿波羅號(Apollo)、先鋒號(Pioneer)、維京號(Viking)、旅行者號(Voyager)、伽利略號(Galileo)、尤利西斯號(Ulysses)、卡西尼號(Cassini)和新視野號(New Horizons)航天任務(wù)以及許多民用和軍用衛(wèi)星。
卡西尼號探測器自2004年抵達土星軌道以來，已經(jīng)在土星軌道上運行13年之久
卡西尼號飛船在探測土星時攜帶了三個RTG，從33千克的钚-238氧化物中提供870瓦的功率。它于1997年發(fā)射，2004年進入土星軌道，運行非常良好，直到2017年9月終止。
旅行者1號和2號飛船自1977年發(fā)射以來，已經(jīng)運行了35年多，它們發(fā)回了遙遠行星的照片，預計將在2025年之前發(fā)回由RTG供電的信號。
伽利略號于1989年發(fā)射，搭載570瓦RTG。
1975年，維京號和羅孚號(Rover)登陸火星，與2011年發(fā)射的火星科學實驗室探測器“好奇號”一樣，都依賴于RTG電源。
在1996年發(fā)射的探路者火星機器人著陸器上，使用了三個RTG(每個RTG含有2.7克钚-238二氧化物)作為熱源，產(chǎn)生35瓦功率。每個產(chǎn)生大約十瓦的熱量(1997年的10.5千克探路者號和2004年運行的兩輛火星車使用了太陽能電池板和電池，但功率和壽命有限)。
NASA工作人員為火星好奇號安裝MMRTG
最新的钚動力RTG是一個290瓦的系統(tǒng)，稱為GPHS RTG。該系統(tǒng)的熱能來自18臺通用熱源(GPHS)機組。每個GPHS包含四個銥包層陶瓷Pu-238燃料芯塊，高5厘米，重1.44千克。
多任務(wù)RTG(MMRTG)使用八個GPHS單元，共4.8千克氧化钚，產(chǎn)生2 kW熱能，可用于產(chǎn)生約110瓦的電能，2.7 kWh /天。
NASA的好奇號火星車(資料來源：NASA)
MMRTG技術(shù)正在美國宇航局(NASA)火星科學實驗室任務(wù)的“好奇號”火星車中使用，其重量為890千克，大約是之前火星車的五倍。
到2021年2月，“好奇號”自2012年8月登陸以來，已經(jīng)行駛了約24公里。
另一個火星車項目是美國宇航局于2020年7月發(fā)射的“毅力號”火星車，使用相同的MMRTG電源，重量為1025千克，MMRTG為兩個鋰離子電池充電?！耙懔μ枴睌y帶一架1.8公斤重的直升機無人機，于2021年2月登陸。
NASA新火星車毅力號
俄羅斯科學院空間研究所(IKI)和鮑曼莫斯科國立技術(shù)大學正在開發(fā)三種類型的月球車，其中一種是重型“核動力”月球車，將重達550-750千克，旨在研究月球極地地區(qū)。
除了太陽能電池板和電池外，還將在月球車上安裝一個核動力源，使其能夠運行長達400公里，包括在陰涼處。
它將攜帶多達70公斤的科學設(shè)備，包括從1.5米深處提取土壤樣本的特殊鉆機。
月球車還將配備16個小型站，以研究月球的風化層和地震活動。
ExoMars是俄羅斯航天局Roscosmos和歐洲航天局(ESA)之間的一個聯(lián)合項目，旨在研究火星上的生命證據(jù)，并將在該項目中利用RTG。
該任務(wù)最終將向火星運送一輛歐洲漫游車和一個俄羅斯地面平臺。該任務(wù)的第一部分于2016年啟動，其主要目的是測試甲烷和其他痕量大氣氣體的證據(jù)。
該任務(wù)的第二部分計劃于2020年啟動。
“新視野”號飛船
2015年7月飛越冥王星的“新視野”號飛船有一個250瓦、30伏的GPHS RTG，到冥王星飛越時(它于2006年發(fā)射)將衰減到200瓦左右。
它使用10.9千克的钚-238氧化物，其性能不如最初設(shè)計。有16個噴氣推進器控制478公斤重的飛行器的軌跡和姿態(tài)。四個推進器產(chǎn)生4.4 N的推力。燃料主要是65千克的肼。
(本文編譯《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)
