海王星包含原恒星云的狀態(tài)條件和行星形成的位置信息，相關(guān)探測(cè)活動(dòng)有望在宇宙起源、天體起源獲得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)海衛(wèi)一具有軌道逆行、自轉(zhuǎn)軸垂直于公轉(zhuǎn)軸、“火山噴發(fā)”現(xiàn)象等，故國(guó)際科學(xué)界對(duì)海王星探測(cè)極其關(guān)注。

受運(yùn)載火箭發(fā)射能力、能源供應(yīng)、測(cè)控通信等方面制約，人類目前僅1989年美國(guó)旅行者2號(hào)探測(cè)器實(shí)施了一次短暫飛掠探測(cè)，近年來(lái)NASA提出了多個(gè)環(huán)繞探測(cè)任務(wù)設(shè)想，并積極開(kāi)展方案設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計(jì)于2030年左右的窗口實(shí)施發(fā)射。

伴隨著長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的入役，以及我國(guó)空間堆電源研發(fā)工作的快速推進(jìn)，使得海王星環(huán)繞探測(cè)具備了初步工程可實(shí)現(xiàn)性。

近日，航天工程師在《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》發(fā)表研究論文，提出利用核反應(yīng)堆電源結(jié)合電推進(jìn)的高比沖特性，輔以精巧的深空軌道設(shè)計(jì)，可大幅降低探測(cè)器燃料攜帶量，能夠滿足當(dāng)前我國(guó)最大運(yùn)載能力長(zhǎng)征五號(hào)火箭的運(yùn)載能力約束，使海王星環(huán)繞探測(cè)具備了工程可實(shí)現(xiàn)性。

目前，NASA仍采用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，其方案對(duì)運(yùn)載能力要求極高，且經(jīng)費(fèi)規(guī)模大。

作者根據(jù)海王星距離地球高達(dá)30AU超遠(yuǎn)距離、航天器15年設(shè)計(jì)壽命等現(xiàn)實(shí)情況，提出利用木星和地球引力實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的多次加速，有效縮短奔海（王星）飛行時(shí)間；抵達(dá)海王星影響球（8700公里）后，利用10千瓦大功率的核反應(yīng)堆電源堆電源，為大功率電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)供電，開(kāi)展為期約1年的減速，實(shí)現(xiàn)海王星重力場(chǎng)捕獲和最終的環(huán)繞探測(cè)。

由于電推進(jìn)比沖較傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，可大幅節(jié)省燃料攜帶量，從而探測(cè)器總重量能夠控制在3噸左右，滿足長(zhǎng)征五號(hào)火箭的運(yùn)載能力要求。

空間堆核反應(yīng)堆電源結(jié)構(gòu)示意圖

在通信方面，若采用我國(guó)天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)同樣的天地通信設(shè)備，由于海王星距離為30AU，故最終實(shí)際通信能力約為火星附近的千分之一，不滿足任務(wù)需求。采用更高通信頻率的Ka頻段、提高衛(wèi)星天線口徑、高效率編碼技術(shù)等手段，輔以科學(xué)探測(cè)與數(shù)據(jù)回傳交替開(kāi)機(jī)策略，能夠有效確保探測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)回傳地球。

Ka頻段大口徑疊層結(jié)構(gòu)天線示意圖

該研究成果提出了海王星探測(cè)涉及的4類主要科學(xué)問(wèn)題，介紹了任務(wù)的功能模塊、飛行軌道、設(shè)計(jì)約束等初步方案設(shè)想，重點(diǎn)闡述了10kWe級(jí)空間堆電源技術(shù)方案，形成探測(cè)器平臺(tái)方案，可為我國(guó)海王星探測(cè)的論證與實(shí)施提供參考。該工作得到了國(guó)家航天局民用航天預(yù)研項(xiàng)目的資助。

論文作者包括北京航空航天大學(xué)于國(guó)斌、蘭州大學(xué)汪鵬飛、中國(guó)空間技術(shù)研究院朱安文、上海航天技術(shù)研究院?？∑?、中國(guó)工程物理研究院謝奇林、中國(guó)原子能科學(xué)研究院胡古、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心李暉和北京大學(xué)何建森。