中國航天工程師提議：海王星探測器用大功率核反應堆發電電推

海王星包含原恆星雲的狀態條件和行星形成的位置信息，相關探測活動有望在宇宙起源、天體起源獲得重大科學發現，同時海衞一具有軌道逆行、自轉軸垂直於公轉軸、“火山噴發”現象等，故國際科學界對海王星探測極其關注。

受運載火箭發射能力、能源供應、測控通信等方面制約，人類目前僅1989年美國旅行者2號探測器實施了一次短暫飛掠探測，近年來NASA提出了多個環繞探測任務設想，並積極開展方案設計與關鍵技術攻關，預計於2030年左右的窗口實施發射。

伴隨着長征五號運載火箭的入役，以及我國空間堆電源研發工作的快速推進，使得海王星環繞探測具備了初步工程可實現性。

近日，航天工程師在《中國科學：技術科學》發表研究論文，提出利用核反應堆電源結合電推進的高比衝特性，輔以精巧的深空軌道設計，可大幅降低探測器燃料攜帶量，能夠滿足當前我國最大運載能力長征五號火箭的運載能力約束，使海王星環繞探測具備了工程可實現性。

目前，NASA仍採用傳統化學推進劑發動機進行減速，其方案對運載能力要求極高，且經費規模大。

作者根據海王星距離地球高達30AU超遠距離、航天器15年設計壽命等現實情況，提出利用木星和地球引力實現對探測器的多次加速，有效縮短奔海（王星）飛行時間；抵達海王星影響球（8700公里）後，利用10千瓦大功率的核反應堆電源堆電源，為大功率電推進發動機供電，開展為期約1年的減速，實現海王星重力場捕獲和最終的環繞探測。

由於電推進比衝較傳統化學推進高約一個數量級，可大幅節省燃料攜帶量，從而探測器總重量能夠控制在3噸左右，滿足長征五號火箭的運載能力要求。

空間堆核反應堆電源結構示意圖

在通信方面，若採用我國天問一號火星探測任務同樣的天地通信設備，由於海王星距離為30AU，故最終實際通信能力約為火星附近的千分之一，不滿足任務需求。採用更高通信頻率的Ka頻段、提高衞星天線口徑、高效率編碼技術等手段，輔以科學探測與數據回傳交替開機策略，能夠有效確保探測數據及時回傳地球。

Ka頻段大口徑疊層結構天線示意圖

該研究成果提出了海王星探測涉及的4類主要科學問題，介紹了任務的功能模塊、飛行軌道、設計約束等初步方案設想，重點闡述了10kWe級空間堆電源技術方案，形成探測器平台方案，可為我國海王星探測的論證與實施提供參考。該工作得到了國家航天局民用航天預研項目的資助。

論文作者包括北京航空航天大學於國斌、蘭州大學汪鵬飛、中國空間技術研究院朱安文、上海航天技術研究院牛俊坡、中國工程物理研究院謝奇林、中國原子能科學研究院胡古、中國科學院國家空間科學中心李暉和北京大學何建森。