天問一號已經升空，開啟了中國探索太陽系行星的大門，本文將解釋我們探索太陽系的關鍵技術之一：砷化鎵深空電源，如何在天問一號上使用。天問一號巡視器有4個“大翅膀”，能扛住零下110攝氏度超低溫，這是在火星上行駛的生存之道。

天問一號在7月23日中午時分已經成功發射，目前已經進入軌道奔向火星。由於本次發射採用了長征5號遙4火箭，能夠將6噸的載荷送入霍曼地火轉移軌道，天問一號總質量為5噸多，直奔火星也是輕輕鬆鬆。話說5噸的質量對於一個軌道器和著陸器而言已經是相當飽和了，美國宇航局的好奇號火星車大約在1噸左右，連同著陸裝置“天空起重機”的質量也不超過5噸，可以說中美的火星探測在火箭硬體條件上已經並駕齊驅。

從火星車本身看，天問一號巡視器質量為240公斤，美國宇航局在2003年發射的機遇號火星車為185公斤，從質量上已經全面超過機遇號，換個角度看，中國第一次開啟火星探測任務就達到了一個相當高的高度，一次任務實現了繞、落、巡三步走，這是中國歷史上的第一次，也是人類在火星探測方面的第一次。

圖注：長征5號遙4火箭升空，開啟了中國第一次探索火星的歷程

圖注：巡視器上4片電池板非常醒目，比嫦娥4號的還多2個

圖注：嫦娥4號上的砷

化鎵

太陽能電池

巡視器基本情況

本文重點說說天問一號的巡視器，這是中國第一輛火星車，巡視器上主要搭載了6臺科學儀器，從名字和效能角度解讀是這樣的：第一臺一起為勘察相機，可以拍攝火星車周圍的行駛環境，對態勢進行感知，制定行駛路線；第二臺為多光譜相機，成像範圍更大，能夠拍攝全景影象；第三臺儀器為次表層探測雷達，主要對火星表面下方的岩層進行探測，屬於淺層地質勘測範圍、第四臺儀器為表面成分探測儀，主要分析火星岩石的表面成分；第五臺儀器為磁場儀，對火星磁場進行探測，因為火星磁場極為微弱，這是一個研究重點，與火星失去宜居環境息息相關；第六臺儀器為大氣環境探測儀，對火星車周圍大氣、氣象進行探測，判斷火星天氣。這6個載荷全部依靠火星車上的4個大翅膀提供電力，這就是我國目前全面掌握的三結砷化鎵太陽能電池和蓄電池技術。

圖注：著陸器採用變節流發動機反衝降落，四個緩衝支架

圖注：巡視器在著陸器上的示意圖，此刻三結砷化鎵太陽能電池板還沒開啟，著陸為緩衝支架設計

4個“大翅膀”暗藏玄機

與嫦娥4號相比，天問一號巡視器有4個大翅膀，多了2個，這說明天問一號巡視器對電力的要求更高了。有了嫦娥3號和4號的經驗積累，我國在深空電源方面有了長足的進步。與嫦娥4號所不同的是，天問一號巡視器的三結砷化鎵太陽能電池側重點不同，火星表面環境比月球表面要緩和很多，從溫度角度分析，火星表面最高溫度可達到30攝氏度，這也是為什麼火星表面有季節性液態水的緣故。一般情況下，火星表面溫度為零下5攝氏度至10攝氏度，到了夜晚可降低到零下110攝氏度，別看火星是一顆最像地球的類地行星，其實火星表面的情況是不適合人類居住的。

但這樣的環境對於嫦娥3號和4號而言，已經算是非常緩和的了。月面溫度變化較大，白天可達到127攝氏度，晚上可降低到零下183攝氏度，因此不論是在火星上還是月球上，砷化鎵太陽能電池都需要扛住零下110攝氏度以上超低溫。我們有了嫦娥3號和4號的經驗，對付火星環境就沒有難度了。火星表面有一個非常棘手的問題，就是沙塵暴。火星有稀薄大氣層，沙塵暴一旦發作起來，可降低砷化鎵太陽能電池，機遇號火星車在2018年就遇到沙塵暴，多次差點終結任務。

結合嫦娥3號和4號的技術積累，天問一號巡視器的砷化鎵太陽能電池效能可在25攝氏度環境中提供30%左右的輸出效率

，同時採用電除塵技術，讓火星塵埃離開電池板表面。

圖注：巡視器從著陸器上行駛下來的動畫模擬，可以看出電池板全部開啟的情況下才行駛出來，巡視器為6輪設計

砷化鎵電池居於世界先進水平

三結砷化鎵太陽能電池陣列長期以來被美國禁運，也激發了我們工程人員獨立自主研發，在此之前的神舟早期任務中，航天器上使用的是多晶矽太陽能電池板。多晶矽技術也是目前光伏發電的基礎技術，但是轉換效率並沒有砷化鎵電池高。我國新一代載人飛船、嫦娥3號和4號、北斗導航衛星都採用此類太陽能電池板。砷化鎵電池屬於太陽能光伏發電，我們常說的矽晶電池分為單晶矽和多晶矽，矽晶電池在全球角度看，佔據9成以上的市場，轉換率普遍在20%左右。砷化鎵電池比較先進，是目前第三代太陽能光伏發電技術，實驗室內已經實現了50%的轉換率，未來還會進一步提高，生產型轉換率維持在30%左右。

從火星軌道的角度看，火星距離太陽約為1。5個天文單位，比地球更遠離太陽0。7億公里。因此光照強度在抵達火星時比地球低了一半，從資料上看，地球軌道的平均光照強度為1353瓦每平方米，

由於火星軌道比地球遠了0.7億公里，這個資料下降到590瓦每平方米

，下降幅度是非常大的。如果火星進入冬季，那麼距離太陽就更遠了，平均光照強度還會進一步下降到每平方400瓦左右。

美國機遇號火星車使用了將近500片小型砷化鎵太陽能電池

，在常溫下輸出功率為460瓦，轉換率不到30%。從效能上看，砷化鎵太陽能電池並非最理想的電源模式，但卻是目前最經濟的電源。美國在洞察號火星著陸器上也使用了太陽能電池，並沒有使用核電池，畢竟後者一次性的投入更大，造價昂貴。

圖注：火星軌道示意圖，從地球出發前往火星，至少要飛5500萬公里，時間長達7個月左右

美國宇航局在使用機遇號和勇氣號是，也發現多結砷化鎵太陽能電池存在功率下降的問題，但使用數年問題不大，也基本達到了科研要求。天問一號巡視器上的三結砷化鎵太陽能電池只要能清除火星上的沙塵暴附著顆粒，就能實現長久執行。接下來，基於嫦娥4號使用的鈽-238核電池的研發經驗，我國將製造出適合火星表面使用的核電池，在可預計的未來，中國製造的核動力火星車將出現在火星表面，這個時間不會太遠。