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中國航天工程師提議:海王星探測器用大功率核反應(yīng)堆發(fā)電電推
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)探測活動有望在宇宙起源、天體起源獲得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn),同時海衛(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,故國際科學(xué)界對海王星探測極其關(guān)注。
受運載火箭發(fā)射能力、能源供應(yīng)、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(huán)繞探測任務(wù)設(shè)想,并積極開展方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),預(yù)計于2030年左右的窗口實施發(fā)射。
伴隨著長征五號運載火箭的入役,以及我國空間堆電源研發(fā)工作的快速推進(jìn),使得海王星環(huán)繞探測具備了初步工程可實現(xiàn)性。
近日,航天工程師在《中國科學(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,可大幅降低探測器燃料攜帶量,能夠滿足當(dāng)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(huán)繞探測具備了工程可實現(xiàn)性。
目前,NASA仍采用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)劑發(fā)動機進(jìn)行減速,其方案對運載能力要求極高,且經(jīng)費規(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)計壽命等現(xiàn)實情況,提出利用木星和地球引力實現(xiàn)對探測器的多次加速,有效縮短奔海(王星)飛行時間;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)動機供電,開展為期約1年的減速,實現(xiàn)海王星重力場捕獲和最終的環(huán)繞探測。
由于電推進(jìn)比沖較傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)高約一個數(shù)量級,可大幅節(jié)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(yīng)堆電源結(jié)構(gòu)示意圖
在通信方面,若采用我國天問一號火星探測任務(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)探測與數(shù)據(jù)回傳交替開機策略,能夠有效確保探測數(shù)據(jù)及時回傳地球。
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涉及的4類主要科學(xué)問題,介紹了任務(wù)的功能模塊、飛行軌道、設(shè)計約束等初步方案設(shè)想,重點闡述了10kWe級空間堆電源技術(shù)方案,形成探測器平臺方案,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(yù)研項目的資助。
論文作者包括北京航空航天大學(xué)于國斌、蘭州大學(xué)汪鵬飛、中國空間技術(shù)研究院朱安文、上海航天技術(shù)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(xué)研究院胡古、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心李暉和北京大學(xué)何建森。
標(biāo)簽 海王星探測- 原標(biāo)題:基于10kWe核反應(yīng)堆電源的海王星探測任務(wù)
- 責(zé)任編輯: 劉騫 
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