一份关于海王星轨道飞行器的提案显示,中国的行星科学家和工程师正在把目光投向外太阳系,另外还开发出新方法来抵达那里。一组资深太空人士在Scientia Sinica Technologica上发表的预研究论文概述了该航天器的设计、科学目标以及至关重要的是其用于发电的核裂变反应堆计划。

该动力源将为科学有效载荷、数据下行链路能力和高能力电力推进系统提供改变游戏规则的动力。

这将代表国家空间探索能力的一个重大技术飞跃,其产生的能量远远超过类似电池的放射性同位素热发电机(RTG)产生的能量,从而可以开辟出新的可能性。

这种新航天器动力源将使其更容易进入外太阳系,而人类的太空探索任务很少涉足那里。截止到目前,只有一个任务即旅行者2号,在1977年发射并在1989年飞越了这个冰冷的巨人。它带着一套有限的仪器进行的飞行访问是非常重要的,但对于我们太阳系的第八颗行星还有很多东西有待发现。

与此同时,中国在2020年7月发射了它的第一个行星际任务--“天问一号”,将一个航天器放在火星周围的轨道上并在火星表面放置一个太阳能驱动的漫游车。

进入外星系统的探险活动少之又少,天王星和海王星这两颗冰巨头除了路过之外还没有其他的访问,这是有原因的。挑战来自于电力供应--海王星跟太阳的平均距离为44.95亿公里,可接受的太阳光照只有地球的1/900--以及在广袤的土地上进行交流,还有到达该系统遥远角落所需的时间。为进入行星周围的轨道,还需要大量减速的燃料以及一个能够在极端环境中运行至少15年的航天器。

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海王星轨道器概要

拟议的任务概述确定了一个2030年的发射窗口,该探测器将由长征五号火箭发射。它将在2040年通过木星飞越到达海王星约30AU的距离并进入围绕冰巨人的极地轨道。

研究人员们称,这项任务的目的是为外太阳系、太阳系的起源和演变及潜在的生命起源提供新的见解。

为了帮助应对上述工程和技术挑战并回答海王星的一些科学谜题,中国团队建议使用一个10kWe的核裂变反应堆。

该反应堆将产生所需的电力为航天器在深空的有效载荷和四个电动推进器的推进系统提供动力。该航天器将有高达3000公斤的质量和哑铃形的结构以使反应堆尽可能远离科学有效载荷,从而减少对热和辐射的屏蔽需求。该提案还详细说明了在空间使用核电的国际标准。

科学目标包括全球遥感和研究海王星的内部结构、大气成分和运动特征、磁场、太阳风以及该行星的卫星和环形系统。

主航天器还将携带四个微型卫星,总重量为100公斤。两个将被用作穿透器--分别针对海王星大气层和海卫一。另外两个可以在前往海王星的途中释放以访问原始天体。

英国莱斯特大学物理和天文学学院的Leigh Fletcher教授指出,随着美国十年调查建议将天王星任务作为未来十年的首要任务,对海王星系统的彻底探索则是一个值得期待的未来目标。

Fletcher说道:“我认为,在我们对天王星和海王星进行适当的比较之前,我们对太阳系的形成和环境的理解仍然不完整。你需要一个复杂的轨道飞行器,其有效载荷能够探索行星本身和各种卫星和星环。为此,你将需要一次全面的轨道之旅,而这需要燃料和较长的使用寿命。”

另外,他还补充称,海卫一具有惊人的地球物理活动和羽流,也是一个特别诱人的目标。海卫一是海王星13颗已知卫星中最大的一颗,它有一个逆行轨道,有一个冰冻氮气和甲烷的冰盖,而且可能是一个海洋世界。

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中国对太空核动力的兴趣

中国太空探索的领军人物、新近成立的天都深空探索实验室主任吴伟仁呼吁根据发展趋势和未来任务的要求在太空核动力方面取得突破,分阶段达到10、100和1000kWe。然而很明显,中国的研究人员正在评估这一领域的国际进展和可能性。

更为实际的是,已经有关于中国太空任务中的反应堆的建议--包括以铀为动力的ACMIR。进一步的迹象表明,核电是中国未来空间探索计划的一部分,也可以从以下事实中看出:中国正在考虑为其计划中的研究日光层的头部和尾部的任务增加第三个航天器。如果被选中,这个额外的探测器将垂直于黄道面驶离太阳并由一个核反应堆提供动力。

Tom Colvin在IDA科技政策研究所担任研究员时对核裂变在太空中的应用进行了评论,他指出,核裂变反应堆独特地适用于为前往外行星的机器人任务提供动力和推进力,也适用于前往火星表面的载人任务。为这些任务开发裂变反应堆将涉及无数的技术挑战,不过他指出,没有任何阻碍因素,“这只是需要时间和金钱”。

根据世界核协会的数据,俄罗斯已经在太空中使用了30多个裂变反应堆,而美国只飞过一个。1965年的SNAP-10A(核辅助动力系统)。然而NASA目前正在研究裂变系统以便在Artemis伞下为月球表面任务提供动力。

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海王星轨道飞行器会飞吗?

目前还没有迹象表明这个由中国国家航天局资助的预研究出版物的状况。然而该提案有力地表明和反映了中国航天工业官员在探索能力和目的地方面的方向。

据悉,这项研究背后参与的机构包括中国国家航天局、中国主要航天承包商旗下的两家主要卫星制造商(CAST和SAST)、兰州大学核科学与技术学院、中国原子能机构、中国原子能研究所、中国科学院下属机构及北航大学和北京大学。

在工程方面,它将需要在关键技术上取得突破,这包括空间反应堆供电和超长距离的深空跟踪和控制。虽然带来了挑战,但它们也将有助于实现中国成为一个主要太空大国的既定国家目标。

有了这些进展,海王星可能成为中国探索路线图的一部分,该路线图已经包括火星样本返回、近地小行星样本返回和主带彗星研究以及有可能飞越冰巨星的木星任务。海王星任务的机会可能取决于未来几年的工程进展和获得的资金。