中國將通過核動力海王星軌道飛行器探索外太陽系

一份關於海王星軌道飛行器的提案顯示,中國的行星科學家和工程師正在把目光投向外太陽系,另外還開發出新方法來抵達那裡。一組資深太空人士在Scientia Sinica Technologica上發表的預研究論文概述了該航天器的設計、科學目標以及至關重要的是其用於發電的核裂變反應堆計劃。

該動力源將為科學有效載荷、數據下行鏈路能力和高能力電力推進系統提供改變遊戲規則的動力。

這將代表國家空間探索能力的一個重大技術飛躍,其產生的能量遠遠超過類似電池的放射性同位素熱發電機(RTG)產生的能量,從而可以開闢出新的可能性。

這種新航天器動力源將使其更容易進入外太陽系,而人類的太空探索任務很少涉足那裡。截止到目前,只有一個任務即旅行者2號,在1977年發射並在1989年飛越了這個冰冷的巨人。它帶着一套有限的儀器進行的飛行訪問是非常重要的,但對於我們太陽系的第八顆行星還有很多東西有待發現。

與此同時,中國在2020年7月發射了它的第一個行星際任務–“天問一號”,將一個航天器放在火星周圍的軌道上並在火星表面放置一個太陽能驅動的漫遊車。

進入外星系統的探險活動少之又少,天王星和海王星這兩顆冰巨頭除了路過之外還沒有其他的訪問,這是有原因的。挑戰來自於電力供應–海王星跟太陽的平均距離為44.95億公里,可接受的太陽光照只有地球的1/900–以及在廣袤的土地上進行交流,還有到達該系統遙遠角落所需的時間。為進入行星周圍的軌道,還需要大量減速的燃料以及一個能夠在極端環境中運行至少15年的航天器。

中國將通過核動力海王星軌道飛行器探索外太陽系

海王星軌道器概要

擬議的任務概述確定了一個2030年的發射窗口,該探測器將由長征五號火箭發射。它將在2040年通過木星飛越到達海王星約30AU的距離並進入圍繞冰巨人的極地軌道。

研究人員們稱,這項任務的目的是為外太陽系、太陽系的起源和演變及潛在的生命起源提供新的見解。

為了幫助應對上述工程和技術挑戰並回答海王星的一些科學謎題,中國團隊建議使用一個10kWe的核裂變反應堆。

該反應堆將產生所需的電力為航天器在深空的有效載荷和四個電動推進器的推進系統提供動力。該航天器將有高達3000公斤的質量和啞鈴形的結構以使反應堆儘可能遠離科學有效載荷,從而減少對熱和輻射的屏蔽需求。該提案還詳細說明了在空間使用核電的國際標準。

科學目標包括全球遙感和研究海王星的內部結構、大氣成分和運動特徵、磁場、太陽風以及該行星的衛星和環形系統。

主航天器還將攜帶四個微型衛星,總重量為100公斤。兩個將被用作穿透器–分別針對海王星大氣層和海衛一。另外兩個可以在前往海王星的途中釋放以訪問原始天體。

英國萊斯特大學物理和天文學學院的Leigh Fletcher教授指出,隨着美國十年調查建議將天王星任務作為未來十年的首要任務,對海王星系統的徹底探索則是一個值得期待的未來目標。

Fletcher說道:“我認為,在我們對天王星和海王星進行適當的比較之前,我們對太陽系的形成和環境的理解仍然不完整。你需要一個複雜的軌道飛行器,其有效載荷能夠探索行星本身和各種衛星和星環。為此,你將需要一次全面的軌道之旅,而這需要燃料和較長的使用壽命。”

另外,他還補充稱,海衛一具有驚人的地球物理活動和羽流,也是一個特別誘人的目標。海衛一是海王星13顆已知衛星中最大的一顆,它有一個逆行軌道,有一個冰凍氮氣和甲烷的冰蓋,而且可能是一個海洋世界。

中國將通過核動力海王星軌道飛行器探索外太陽系

中國對太空核動力的興趣

中國太空探索的領軍人物、新近成立的天都深空探索實驗室主任吳偉仁呼籲根據發展趨勢和未來任務的要求在太空核動力方面取得突破,分階段達到10、100和1000kWe。然而很明顯,中國的研究人員正在評估這一領域的國際進展和可能性。

更為實際的是,已經有關於中國太空任務中的反應堆的建議–包括以鈾為動力的ACMIR。進一步的跡象表明,核電是中國未來空間探索計劃的一部分,也可以從以下事實中看出:中國正在考慮為其計劃中的研究日光層的頭部和尾部的任務增加第三個航天器。如果被選中,這個額外的探測器將垂直於黃道面駛離太陽並由一個核反應堆提供動力。

Tom Colvin在IDA科技政策研究所擔任研究員時對核裂變在太空中的應用進行了評論,他指出,核裂變反應堆獨特地適用於為前往外行星的機器人任務提供動力和推進力,也適用於前往火星表面的載人任務。為這些任務開發裂變反應堆將涉及無數的技術挑戰,不過他指出,沒有任何阻礙因素,“這只是需要時間和金錢”。

根據世界核協會的數據,俄羅斯已經在太空中使用了30多個裂變反應堆,而美國只飛過一個。1965年的SNAP-10A(核輔助動力系統)。然而NASA目前正在研究裂變系統以便在Artemis傘下為月球表面任務提供動力。

中國將通過核動力海王星軌道飛行器探索外太陽系

海王星軌道飛行器會飛嗎?

目前還沒有跡象表明這個由中國國家航天局資助的預研究出版物的狀況。然而該提案有力地表明和反映了中國航天工業官員在探索能力和目的地方面的方向。

據悉,這項研究背後參與的機構包括中國國家航天局、中國主要航天承包商旗下的兩家主要衛星製造商(CAST和SAST)、蘭州大學核科學與技術學院、中國原子能機構、中國原子能研究所、中國科學院下屬機構及北航大學和北京大學。

在工程方面,它將需要在關鍵技術上取得突破,這包括空間反應堆供電和超長距離的深空跟蹤和控制。雖然帶來了挑戰,但它們也將有助於實現中國成為一個主要太空大國的既定國家目標。

有了這些進展,海王星可能成為中國探索路線圖的一部分,該路線圖已經包括火星樣本返回、近地小行星樣本返回和主帶彗星研究以及有可能飛越冰巨星的木星任務。海王星任務的機會可能取決於未來幾年的工程進展和獲得的資金。