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 1980 年代末期美国旅行者 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。
