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中国航天工程师提议:海王星探测器用大功率核反应堆发电电推
海王星包含原恒星云的状态条件和行星形成的位置信息,相关探测活动有望在宇宙起源、天体起源获得重大科学发现,同时海卫一具有轨道逆行、自转轴垂直于公转轴、“火山喷发”现象等,故国际科学界对海王星探测极其关注。
受运载火箭发射能力、能源供应、测控通信等方面制约,人类目前仅1989年美国旅行者2号探测器实施了一次短暂飞掠探测,近年来NASA提出了多个环绕探测任务设想,并积极开展方案设计与关键技术攻关,预计于2030年左右的窗口实施发射。
伴随着长征五号运载火箭的入役,以及我国空间堆电源研发工作的快速推进,使得海王星环绕探测具备了初步工程可实现性。
近日,航天工程师在《中国科学:技术科学》发表研究论文,提出利用核反应堆电源结合电推进的高比冲特性,辅以精巧的深空轨道设计,可大幅降低探测器燃料携带量,能够满足当前我国最大运载能力长征五号火箭的运载能力约束,使海王星环绕探测具备了工程可实现性。
目前,NASA仍采用传统化学推进剂发动机进行减速,其方案对运载能力要求极高,且经费规模大。
作者根据海王星距离地球高达30AU超远距离、航天器15年设计寿命等现实情况,提出利用木星和地球引力实现对探测器的多次加速,有效缩短奔海(王星)飞行时间;抵达海王星影响球(8700公里)后,利用10千瓦大功率的核反应堆电源堆电源,为大功率电推进发动机供电,开展为期约1年的减速,实现海王星重力场捕获和最终的环绕探测。
由于电推进比冲较传统化学推进高约一个数量级,可大幅节省燃料携带量,从而探测器总重量能够控制在3吨左右,满足长征五号火箭的运载能力要求。
空间堆核反应堆电源结构示意图
在通信方面,若采用我国天问一号火星探测任务同样的天地通信设备,由于海王星距离为30AU,故最终实际通信能力约为火星附近的千分之一,不满足任务需求。采用更高通信频率的Ka频段、提高卫星天线口径、高效率编码技术等手段,辅以科学探测与数据回传交替开机策略,能够有效确保探测数据及时回传地球。
Ka频段大口径叠层结构天线示意图
该研究成果提出了海王星探测涉及的4类主要科学问题,介绍了任务的功能模块、飞行轨道、设计约束等初步方案设想,重点阐述了10kWe级空间堆电源技术方案,形成探测器平台方案,可为我国海王星探测的论证与实施提供参考。该工作得到了国家航天局民用航天预研项目的资助。
论文作者包括北京航空航天大学于国斌、兰州大学汪鹏飞、中国空间技术研究院朱安文、上海航天技术研究院牛俊坡、中国工程物理研究院谢奇林、中国原子能科学研究院胡古、中国科学院国家空间科学中心李晖和北京大学何建森。
标签 海王星探测- 原标题:基于10kWe核反应堆电源的海王星探测任务
- 责任编辑: 刘骞 
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