进行太空探测时,太阳能电池正常运转时的离日距离是有限制的吗,为什么?

有限与无限没有关紧要。因为我们可以利用磁动机直接发电。谢谢组织的遨请!

当然有限制的,咱们来看一张图。

图片来自Stellarium / Bob King。

显然,从水星上看去,太阳的直径最大,其次是金星,接着才是地球。

既然地球上能用太阳能,那比地球距离太阳还近的金星、水星也必然可以。

然而,还有一点小限制,对于金星来说,你只能在金星的大气层外,或者是环绕金星的轨道上使用太阳能,而在大气层内,也就是金星的地面上,我们是无法使用太阳能的。

因为金星被一层高反射,而且是不透明的硫酸云覆盖着,硫酸云阻挡了来自太阳的可见光。

上图是由“水手10号”探测器拍摄的金星真实色彩影像,灰色的就是硫酸云,图片来自NASA or Ricardo Nunes。


虽然金星的地面上不能使用太阳能面板,但其实……

在那里使用太阳能是没有必要的,因为金星表面的平均温度高达462°C,它是太阳系名副其实的最热的行星,比距离太阳更近的水星还要热。

金星表面想象图。

金星表面之所以这么热,主要是因为硫酸云只是金星大气的一部分,而更大的部分,即96.5%的大气都是二氧化碳,二氧化碳是温室气体,因此,金星上的温室效应完全失控了,这让其处于炼狱中。


再来看一遍第一张图。

比地球还远的火星,太阳看上去并不是那么小,因此,飞往火星的途中,以及在火星上也是可以使用太阳能的。

虽然远近闻名的好奇号火星探测器使用的核能,但是早期的火星探测器,比如勇气号火星探测器、机遇号探测器,它们在火星表面使用的是太阳能面板。

2007年10月,勇气号的太阳能面板被火星上沙尘覆盖,为等待火星风暴的过去,勇气号一度进行“冬眠”状态。图片来自NASA/JPL-Caltech/Cornell。


既然火星表面都能使用太阳能,那么从火星往木星飞的一段旅程中,也是可以使用太阳能的,因为是在星际空间飞,没有大气层遮挡阳光,故功率还行。

然而,这只是我们的理性推测,实际探测中,也就是探测木星和木星以外的行星中,少有使用太阳能的,我查了半天,也没有查到探测木星的航天器中使用太阳能的,他们全使用核能,也就是同位素放射性核电池。

当然,即使事实如此,我们也并不能从理论上排除在飞往木星的途中,不可以使用太阳能,其实是可以的,前提是你把太阳能面板做得足够足够大。但这非常不经济,傻子才会这么干。

在外行星,核能才是最高效,一坨钚238就够了!

钚238的自发热。


综上所述,如果只是在火星与木星之间进行环绕太阳飞行,理论上,使用太阳能是可以的。

但如果要飞往木星,最经济的方式就是核能。

因此,如果我们以行星为标志来划分的话,可以这么说:

火星,以及火星之前的内行星,还有它们的行星际空间,都是可以使用太阳能的,实际也是如此。

而木星,以及木星之外的外行星,还有它们的行星际空间,都是使用核能。

所针对的探测对象不同,所受到的太阳光辐射环境也有所不同,就算是同一个星球的环绕器,轨道高度不同相同面积的太阳能帆板的,实际发电效率也是不一样的。

对于身处太空之中的航天器而言,自身搭载的很多电子设备都需要太阳能帆板为其提供源源不断的电能供应,除了为搭载的电子设备供电外,也为整个航天器的温控设备提供能源供应,毕竟太空中几乎没有空气,无法进行有效的热传递,所以在绕轨道运转的航天器就会因为受太阳光辐射的方向不同,自身的温度差值所不同,所以需要自身搭载的温控设备及时的调整整个航天器不同位置的温度差。

那么对于为整个航天器电子设备和温控设备提供能源供应的太阳能帆板,如何能够尽可能的在更短的时间内产生更多的电能,就成为了衡量太阳能帆板发电效率的关键指标。上世纪50年代中期,人类发射卫星开始进入太空时,为了尽可能的产生更多的电能,同时也为了能够让整个卫星无论是在轨道运转的任何一个方向,都能够接收到更多的阳光辐射,包括美苏等国发射的卫星整个外表都会被小尺寸的太阳能光伏板所覆盖,就像足球外表是由很多小尺寸块状物体共同组成一样,这样全身覆盖太阳能光伏板的航天器,就能在运转的任何一个时候都受到太阳光的照射,持续的产生电能供应,而且太阳能光伏板的覆盖也使得整个卫星内部的电子设备被遮挡,既阻止了太阳光辐射造成的温差变化外,也一定程度上保护了航天器内部的电子元器件被宇宙粒子所击穿的风险,时至今日也有部分航天器使用这种供电方式。

到上世纪60年代后期,随着卫星的功能早已从美苏争霸的面子工程转向实战化的军事用途后,卫星功能的不断增加和完善,也使得卫星内部搭载的电子设备所需的电能越来越大,延续传统的覆盖小尺寸太阳能光伏板的方式,已经不足以继续为其提供源源不断的电能供应,而且早期的太阳能帆板单块尺寸太小,发电效率较低,所以单块尺寸更大、且能够根据运转角度不断偏转的可折叠式太阳能帆板开始出现。

这种大尺寸的太阳能帆板单块面积更大、单位时间内接收到的太阳光辐射面积更大、更强、产生的电能也更多,且可以自动追踪太阳光辐射偏转到最佳角度的方式,也成为了此后几十年内,不管是小型的卫星还是十几吨重的大型载人航天器普遍采用的电能供应方式。

当然对于不同轨道上的航天器而言,其距离太阳的距离不同,自身装备的太阳能帆板所产生的电能功率也是不一样的,一般来说的话,距离太阳距离更近、太阳光线照射在太阳能帆板上的光辐射就越强,帆板所产生的电能功率就越多,比如地球是整个太阳系中距离太阳第三近的星体,而且地球的体积也是第三大星球,那么对于绕地球运转的航天器而言,距离地球更近的近地轨道上的载人飞船等航天器虽然远地点和近地点轨道角度差值并不是很大,但是由于整个轨道更接近圆形,所以其在绕地球运转的过程中,直接受到太阳光辐射的时间更长,产生的电能也就更多,而且地球较大的截面所产生的光辐射,也能间接程度上为绕低轨道的航天器提供更多的光辐射。

当然对于寻求飞出太阳系到更远星系的航天器而言,比如美国上世纪70年代发射的旅行者二号据传已经飞临到太阳系边缘了,那么按照太阳系半径60亿千米计算的话,从太阳自身发射的出去的光,抵达太阳系边缘旅行者二号所搭载的太阳能帆板上时,时间早已过去了至少一年以上,这么长的时间下,越飞越远的旅行者二号又是如何有足够的动力飞临太阳系边缘、甚至克服太阳引力越飞越远、飞出太阳系的呢?

其实对于已知范围内所有的深空探测器而言,在绝大部分旅程中,并不是绝对需要开启自身发动机产生推力、以克服太阳引力飞向更远星系的。比如我国此前发射的天问一号火星探测器,火星距离太阳的距离比地球距离太阳更远、也就是说天问一号要想从地球飞往火星,除了要克服地球的引力外,还要克服太阳的引力,如果天问一号全程开启发动机,不间断的加速的话,虽然也能抵达火星轨道,但是过多的消耗燃料不光会造成整个航天器的体积和重量过大,而且整个航天器造价和发射成本也会高昂许多,比如美国的毅力号火星探测器和我国的天问一号同期发射,依靠自身的发动机不断加速更早抵达火星轨道,这样虽然快了很多,但是毅力号火星探测器的更大、更重,不光研发制造成本高达30亿美元,光是发射成本就高达2亿美元,相比之下我国的天问一号无论是研发制造成本、还是发射成本都不到前者的1/10。

那么天问一号是如何在低成本优势下同样飞抵火星轨道的呢?其实天问一号从地球飞往火星的整个过程中,都在不断的“借力打力”,从而使得其整个飞行旅程中主动打开发动机加速的时间并不多。比如长征五号运载火箭将天问一号火星探测器发射到地火转移轨道后,探测器打开自身发动机不断加速,使得探测器距离地球越来越远,受到地球引力影响越来越小,等到自身引力值下降到一定程度后,此时探测器受到地球的引力已经越来越小,但是受到火星的引力越来越大,这个时候探测器只需要关闭发动机,让探测器在火星引力的影响下朝着火星飞去,最终在姿态控轨发动机的帮助下顺利进入火星轨道。

后面我国实施火星取样返回、甚至火星载人登陆计划返回地球的时候,也是先利用自身发动机不断加速逃离火星,最终依靠来自地球和引力更大的太阳引力拉扯下,更快的返回地球。当年阿波罗登月时,为什么阿波罗载人飞船可以很快的从地球到月球、再从月球返回地球呢?就是因为在来去的过程中,飞船始终在地球/月球和太阳的引力下不断加速飞行。

总结来说的话,虽然受航天器和太阳之间直线距离和太阳能帆板自身发电效率的影响,可能随着距离的逐渐增加和太阳能帆板的发电效率下降,最终无法产生航天器所需的电能供应,但是这并不会影响到航天器飞往更远星系、毕竟除了太阳能供电外,人类早已实现了核能供应的问题,比如核能电池既可以为航天器所搭载的电子设备供电,也能给航天器搭载的霍尔推进器提供电能,继而推动航天器飞往更远的星系。

有限制的

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