超遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)的能源動(dòng)力方案

王 穎，朱安文，劉飛標(biāo)，田 岱，王 鑄

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

深空探測(cè)是我國(guó)未來(lái)空間重要的發(fā)展領(lǐng)域，超遠(yuǎn)距離（大于幾十個(gè)AU，AU為天文單位，指1倍地球到太陽(yáng)的平均距離，約1.5億km）的星際探測(cè)在我國(guó)尚屬空白。物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙演化、生命起源和意識(shí)本質(zhì)是當(dāng)前人類文明發(fā)展中面臨的4個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。開展星際探測(cè)活動(dòng)，能夠自主突破并掌握深空探測(cè)核心技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)空間技術(shù)、空間應(yīng)用、空間科學(xué)的全面發(fā)展，提高人類認(rèn)識(shí)宇宙、進(jìn)入宇宙和開發(fā)利用宇宙空間的能力，服務(wù)于人類文明的可持續(xù)發(fā)展。

日球?qū)樱╤eliosphere）是由太陽(yáng)風(fēng)在星際介質(zhì)的空間中吹出的巨大氣泡，邊緣距離太陽(yáng)約80～150 AU。內(nèi)外日球?qū)右?0 AU為界，其物理特性截然不同。大多數(shù)模型認(rèn)為，日球?qū)舆吔鐓^(qū)是一個(gè)雙激波結(jié)構(gòu)“終端激波＋弓激波”。日球?qū)咏橘|(zhì)和星際介質(zhì)的分界面稱為日球?qū)禹敗Ｐ请H介質(zhì)是日球?qū)又獾男请H空間，充滿了等離子體、中性原子、宇宙塵埃、宇宙線和紅外輻射等電磁輻射，這些構(gòu)成了星際介質(zhì)[1-2]。迄今為止飛行最遠(yuǎn)的探測(cè)器是“旅行者1號(hào)”（Voyager 1），“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”（Voyager 2）探測(cè)器的飛行示意圖如圖1所示[3]。

圖1 星際探測(cè)中“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”飛行方向示意圖Fig. 1 The flight directions of Voyager 1 and Voyager 2 during interstellar exploration

開展超遠(yuǎn)距離深空探測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外日球?qū)雍托请H空間的等離子體、中性成分、塵埃、磁場(chǎng)、高能粒子、宇宙線等參量的綜合性就位及遙感探測(cè)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器飛行軌道借力的行星（如木星、土星）探測(cè)以及沿途飛越的小天體探測(cè)。開展星際探測(cè)，可大幅提升我國(guó)在空間探測(cè)領(lǐng)域的廣度和深度，提高空間科學(xué)研究所需數(shù)據(jù)的自給率，在星際探測(cè)領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。由于木星以遠(yuǎn)探測(cè)器能夠接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相比地球要降低很多，如何發(fā)電以及如何防止探測(cè)器過(guò)冷，都是需要解決的問(wèn)題。對(duì)于超遠(yuǎn)距離星際探測(cè)任務(wù)需要重點(diǎn)關(guān)注能源動(dòng)力問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)國(guó)外相關(guān)任務(wù)的調(diào)研與分析，并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，選擇空間核動(dòng)力系統(tǒng)為能源動(dòng)力解決方案，同時(shí)關(guān)注概念推進(jìn)系統(tǒng)，提出了總體任務(wù)設(shè)想和后續(xù)重點(diǎn)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 國(guó)外相關(guān)星際探測(cè)任務(wù)

1.1 主要探測(cè)任務(wù)

國(guó)外探測(cè)外太陽(yáng)系天體的任務(wù)達(dá)到了宇宙第三速度，即逃逸太陽(yáng)系的速度，這些任務(wù)包括“先驅(qū)者10號(hào)”（Pioneer 10）、“先驅(qū)者11號(hào)”（Pioneer 11）、“旅行者1號(hào)”“旅行者2號(hào)”和“新視野號(hào)”（New Horizons）。其中“旅行者1號(hào)”已經(jīng)通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)層頂，并正在持續(xù)刷新人類探測(cè)的最遠(yuǎn)距離記錄，其他4個(gè)探測(cè)器已超過(guò)太陽(yáng)系逃逸速度，正飛往星際空間。除了直接抵達(dá)日球?qū)硬㈤_展原位探測(cè)這一途徑之外，科學(xué)家還在利用地球附近的衛(wèi)星，如“星際邊界探測(cè)器”（Interstellar Boundary Explorer，IBEX），開展星際遙感探測(cè)。國(guó)外星際探測(cè)任務(wù)簡(jiǎn)介如表1所示。

除了已經(jīng)開展的探測(cè)任務(wù)，國(guó)外還開展了概念任務(wù)計(jì)劃，例如：NASA星際探測(cè)（Interstellar Probe）衛(wèi)星概念，計(jì)劃利用直徑400 m的太陽(yáng)帆，將250 kg的衛(wèi)星加速至每年15 AU的速度，使其在15年內(nèi)到達(dá)200 AU并在30年內(nèi)到達(dá)400 AU。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）提出的TAU計(jì)劃（Thousand Astronomical Units），采用核電推進(jìn)利用1 MW的裂變反應(yīng)堆和可以燃燒10年的離子推進(jìn)器，計(jì)劃在50年內(nèi)到達(dá)1 000 AU。

國(guó)際上提出了多個(gè)概念方案，但存在很多技術(shù)難點(diǎn)和障礙，工程可行性需要進(jìn)一步深化評(píng)估，諸多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，并需要開展相應(yīng)的地面和在軌搭載試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 國(guó)外星際相關(guān)探測(cè)任務(wù)簡(jiǎn)介Table 1 Brief introduction of foreign interstellar exploration missions

1.2 有效載荷

星際探測(cè)任務(wù)需要超遠(yuǎn)距離飛行，受運(yùn)載能力的影響，對(duì)航天器的質(zhì)量控制要求很高，因此在航天器設(shè)計(jì)中要充分考慮到有效載荷的需求，在質(zhì)量受限的情況下綜合考慮科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。典型任務(wù)中載荷質(zhì)量的比重如表2所示。載荷的重量與任務(wù)要求相關(guān)，例如天線和懸臂等有效載荷的質(zhì)量是由對(duì)等離子體和磁強(qiáng)計(jì)試驗(yàn)要求精度決定的，這些設(shè)計(jì)也要考慮低傳輸信號(hào)水平以及太陽(yáng)風(fēng)相互作用區(qū)域等因素?！跋闰?qū)者10號(hào)”和“先驅(qū)者11號(hào)”就沒(méi)有等離子體探測(cè)天線，磁強(qiáng)計(jì)也短得多，這是受航天器的供電能力所限制?？紤]到新的測(cè)量和儀器的開發(fā)，“新星際探索號(hào)”（Innovative Interstellar Explorer，IIE）負(fù)載中的其他儀器資源需要重新考慮，包括高靈敏度的中性原子成像儀等。

“旅行者號(hào)”和“新視野號(hào)”數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（National Space Science Data Center，NSSDC）?！跋闰?qū)者號(hào)”數(shù)據(jù)來(lái)自“先驅(qū)者H號(hào)”木星脫離航道任務(wù)研究工作。除了上文提到的探測(cè)任務(wù)，表3列出了包括日地聯(lián)系觀測(cè)天文臺(tái)（Solar Terrestrial Relations Observatory，STEREO）、星際太陽(yáng)風(fēng)層頂觀測(cè)衛(wèi)星（Interstellar Heliopause Probe，IHP）和IIE等深空探測(cè)任務(wù)所搭載的有效載荷[4]，表3中顯示，并不是所有的載荷都要被選用搭載，要權(quán)衡探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和所能分配的質(zhì)量?！奥眯姓咛?hào)”使用的前5種載荷已經(jīng)達(dá)到了39.6 kg，如果要搭載類似IBEX的探測(cè)器，就要達(dá)到64.8kg，比“尤利西斯號(hào)”（Ulysses）的有效載荷都重，將會(huì)嚴(yán)重影響航天器的飛行速度。

表2 探測(cè)器和載荷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass ratio of spacecraft and their payloads

表3 星際探測(cè)任務(wù)的載荷質(zhì)量Table 3 Payload mass of interstellar exploration mission kg

星際探測(cè)任務(wù)中的探測(cè)器攜帶有效載荷越多，探測(cè)的目標(biāo)就越豐富。從表2和表3中可以看出，國(guó)外發(fā)射的星際探測(cè)任務(wù)所攜帶有效載荷重量大多控制在50 kg以下，如果采用高效穩(wěn)定的能源動(dòng)力系統(tǒng)，就能攜帶更多的有效載荷，探測(cè)能力將大幅提升。

1.3 能源和動(dòng)力系統(tǒng)分析

對(duì)于星際探測(cè)任務(wù)，最為主要的關(guān)鍵技術(shù)是能源動(dòng)力系統(tǒng)。空間探測(cè)目標(biāo)通常距離遙遠(yuǎn)，需要的速度增量很大，而高效的推進(jìn)系統(tǒng)和行星借力技術(shù)可以有效地減少燃料消耗，提高任務(wù)的可達(dá)范圍。

NASA在《NASA 2015技術(shù)路線圖》中根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)的物理原理、產(chǎn)生推力的方式以及技術(shù)成熟度等因素將空間推進(jìn)技術(shù)分為4組，分別為化學(xué)推進(jìn)技術(shù)、非化學(xué)推進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)和支撐技術(shù)。

1）化學(xué)推進(jìn)技術(shù)

化學(xué)推進(jìn)是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)加熱推進(jìn)劑并使其膨脹來(lái)提供推力，包括可儲(chǔ)存液體、低溫液體、凝膠、固體、混合、冷氣/暖氣以及微推進(jìn)。

2）非化學(xué)推進(jìn)技術(shù)

非化學(xué)推進(jìn)指利用靜電、電磁場(chǎng)相互作用、裂變反應(yīng)、光子相互作用或者外部能量為航天器提供動(dòng)力，包括電推進(jìn)、太陽(yáng)帆和阻力帆推進(jìn)、核熱推進(jìn)、系繩推進(jìn)等。

3）先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)

先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)指成熟度在3或以下的技術(shù)和物理概念，包括定向能推進(jìn)、電帆推進(jìn)、聚變推進(jìn)、高能量密度材料、反物質(zhì)推進(jìn)、先進(jìn)裂變以及突破性推進(jìn)技術(shù)等。

“旅行者號(hào)”探測(cè)器的能源動(dòng)力來(lái)自于3個(gè)百瓦級(jí)放射性同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG），每個(gè)RTG質(zhì)量為39 kg，包含24個(gè)緊挨著的Pu-238燃料球。發(fā)射時(shí)，RTG系統(tǒng)可提供30 V、470 W的電能。RTG系統(tǒng)的總能量輸出將隨著同位素放射源的消耗而緩慢減少；發(fā)射19年后，RTG系統(tǒng)的功率輸出降為335 W。2017年9月，“旅行者1號(hào)”的Pu-238燃料還剩余72.88%，到2050年仍將有56.5%。國(guó)外已發(fā)射相關(guān)任務(wù)的能源情況如表4所示。

NASA曾進(jìn)行了多次超遠(yuǎn)距離深空探測(cè)任務(wù)的概念研究，不過(guò)限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平一直未能實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的能源情況如表5所示。近年來(lái)，美國(guó)和歐洲等意識(shí)到發(fā)射一顆專門設(shè)計(jì)的科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行星際空間探測(cè)的重大科學(xué)意義，并在很多空間科學(xué)的戰(zhàn)略規(guī)劃報(bào)告中都有這方面的相關(guān)研究，科學(xué)家們提出了多個(gè)星際探測(cè)方面的概念衛(wèi)星計(jì)劃。

表4 已發(fā)射的相關(guān)任務(wù)基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of relevant launched missions

表5 概念研究的相關(guān)探測(cè)任務(wù)基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of related conceptual missions

總體而言，目前進(jìn)入太陽(yáng)系逃逸軌道的探測(cè)器均屬于數(shù)百千克的小型探測(cè)器，其飛行速度主要通過(guò)火箭發(fā)射以及木星等天體的引力輔助實(shí)現(xiàn)，推進(jìn)系統(tǒng)主要用于軌道調(diào)整和姿態(tài)控制，電源系統(tǒng)則采用放射性同位素?zé)犭娹D(zhuǎn)換器，核燃料均為Pu-238。

2 能源動(dòng)力方案

深空探測(cè)可以選擇的能源主要有太陽(yáng)能、同位素電池（核衰變能）、核反應(yīng)堆電源（核裂變能），以及帆類、系繩類推進(jìn)系統(tǒng)。目前，國(guó)外發(fā)射的星際探測(cè)航天器均采用同位素Pu-238核衰變?cè)矗覈?guó)月球探測(cè)和火星探測(cè)都采用了太陽(yáng)能發(fā)電方式，探月軌道所處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與地球軌道基本一致，為1 358 W/m2，火星探測(cè)大約為489 W/m2，木星軌道僅為50 W/m2，木星以遠(yuǎn)深空探測(cè)采用太陽(yáng)能發(fā)電需要付出巨大的代價(jià)。天王星軌道僅為3 W/m2，已經(jīng)無(wú)法使用太陽(yáng)能源了。針對(duì)超遠(yuǎn)距離星際探測(cè)任務(wù)，能源將無(wú)法采用目前我國(guó)成熟應(yīng)用的太陽(yáng)能供電?；谛请H空間嚴(yán)峻的環(huán)境條件及其對(duì)電源穩(wěn)定性和持久性的要求，探測(cè)器電源首選是配置核電源系統(tǒng)。一方面利用其輸出的電能為探測(cè)器供電，另一方面可為熱控系統(tǒng)提供熱能，以確保探測(cè)器在極低溫環(huán)境下生存。

2.1 核電源系統(tǒng)

空間用的核能主要有兩種，一種是核衰變能（Pu-238），另一種是核裂變能（U-235），兩種反應(yīng)過(guò)程分別如圖2所示。

圖2 核衰變Pu-238反應(yīng)過(guò)程和核裂變U-235反應(yīng)過(guò)程Fig. 2 The process of Pu-238 nuclear decay and U-235 nuclear fission

1）RTG采用放射性同位素Pu-238，其輸出功率已從最早的2.7 W提高到300 W，熱電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到6.7%以上，功率質(zhì)量比（比功率）可以達(dá)到5.36 W/kg。如果采用RTG實(shí)現(xiàn)星際探測(cè)任務(wù)，能夠滿足高可靠性和長(zhǎng)壽命等要求，缺點(diǎn)是需要重點(diǎn)關(guān)注功率衰減問(wèn)題以及Pu-238核燃料產(chǎn)量受限問(wèn)題。

2）核反應(yīng)堆電源通常采用放射性同位素U-235?？臻g核反應(yīng)堆電源主要由幾部分組成：核反應(yīng)堆本體、輻射屏蔽、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。典型的空間核電源系統(tǒng)[5-6]組成如表6所示。星際探測(cè)任務(wù)對(duì)空間反應(yīng)堆電源需要解決長(zhǎng)壽命問(wèn)題[7]，在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下，充分考慮工程可行性、可靠性和安全性。

表6 空間核電源系統(tǒng)Table 6 Space nuclear power system

如果采用核反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)星際探測(cè)任務(wù)，目前還不具備工程化條件，需要深化研究核反應(yīng)堆燃料元件的設(shè)計(jì)，開展耐高溫材料的研究工作；開展相應(yīng)的測(cè)試、試驗(yàn)和地面驗(yàn)證工作；深入研究高效穩(wěn)定的溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電、斯特林、布雷頓和磁流體等熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

在推進(jìn)系統(tǒng)方面[8]，化學(xué)推進(jìn)是傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但比沖低?；魻栯娡七M(jìn)在推功比方面有優(yōu)勢(shì)，但其比沖較低（一般在同等功率下，比沖僅為離子電推進(jìn)的一半），并存在壽命較短的劣勢(shì)。離子電推進(jìn)高比沖（是化學(xué)推進(jìn)的10倍以上）、長(zhǎng)壽命（國(guó)外最長(zhǎng)地面驗(yàn)證壽命為5萬(wàn) h）等優(yōu)勢(shì)在深空探測(cè)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此離子電推進(jìn)系統(tǒng)是超遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)中首選的推進(jìn)方案。磁等離子體電推進(jìn)比沖更高，國(guó)內(nèi)目前比沖可以達(dá)到6 500 s左右，適合于百千瓦級(jí)大功率空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，能夠使探測(cè)器獲得更大的動(dòng)力。表7為各類推進(jìn)系統(tǒng)典型的比沖值。

2.3 能源方案選擇

針對(duì)超遠(yuǎn)距離長(zhǎng)壽命的星際探測(cè)任務(wù)，RTG的優(yōu)勢(shì)是具備工程可實(shí)現(xiàn)性，能夠提供長(zhǎng)壽命穩(wěn)定的能源，是超遠(yuǎn)深空探測(cè)優(yōu)選的方案之一。但是RTG的核燃料Pu-238在國(guó)內(nèi)還不具備量產(chǎn)條件，需要依賴國(guó)外進(jìn)口，在Pu-238存在缺口的情況下，采用“空間核反應(yīng)堆+離子電推進(jìn)”技術(shù)路線作為未來(lái)能源動(dòng)力系統(tǒng)，是目前我國(guó)后續(xù)任務(wù)工程可實(shí)現(xiàn)的方案之一。

表7 推進(jìn)系統(tǒng)和典型的比沖值Table 7 Propulsion systems and typical specific impulses

國(guó)外典型“核動(dòng)力+電推進(jìn)系統(tǒng)”的深空探測(cè)任務(wù)，如NASA的“普羅米修斯”（Prometheus）計(jì)劃，按照2004年的安排，木星“冰月亮”探測(cè)器（Jupiter Icy Moons Orbiter，JIMO）主要用于探測(cè)木衛(wèi)二和其他木星的衛(wèi)星[9]，按照當(dāng)時(shí)的計(jì)劃將是第一個(gè)使用核反應(yīng)堆大功率電推進(jìn)的航天器，之后因經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題任務(wù)被迫終止。推進(jìn)方式為離子推進(jìn)，核電源使用裂變反應(yīng)堆，功率轉(zhuǎn)換使用布雷頓（Brayton）循環(huán)。反應(yīng)堆位于JIMO的頂端，采取了嚴(yán)格的輻射屏蔽措施和有效的散熱措施，設(shè)計(jì)的總體參數(shù)如表8所示。

表8 JIMO的總體參數(shù)Table 8 Overall parameters of JIMO

針對(duì)超遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)，本文中的能源動(dòng)力解決方案與JIMO相類似，與JIMO不同的是熱電轉(zhuǎn)換方式，JIMO選擇布雷頓技術(shù)路線，是一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式，存在活動(dòng)部件。而針對(duì)超遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)長(zhǎng)壽命（20年以上）的要求，熱電轉(zhuǎn)換方式選擇靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式——溫差發(fā)電?？傮w方案設(shè)想為：根據(jù)任務(wù)的需求和技術(shù)基礎(chǔ)，飛行幾十AU以遠(yuǎn)的探測(cè)器主要考慮10 kWe（kWe指千瓦電功率）“熱管堆+溫差發(fā)電”作為能源系統(tǒng)，采用SiGe、方鈷礦等高效熱電偶器件實(shí)現(xiàn)大于6%的熱電轉(zhuǎn)換效率，整體系統(tǒng)效率大于5%?？臻g核電源系統(tǒng)發(fā)電的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢熱，約為200 kWt（kWt指千瓦熱功率），采用裙擺式輻射器進(jìn)行熱排散，并與航天器平臺(tái)進(jìn)行一體化熱控設(shè)計(jì)。其中，8 kWe提供給電推進(jìn)系統(tǒng)，用于軌道轉(zhuǎn)移及姿態(tài)控制，2 kWe提供給航天器平臺(tái)，用于平臺(tái)維持、測(cè)控?cái)?shù)傳及有效載荷探測(cè)。在推進(jìn)系統(tǒng)方面，需要在核電推進(jìn)等新型推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域開展相關(guān)的研究工作，促進(jìn)我國(guó)高效穩(wěn)定的推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，同時(shí)關(guān)注其他概念推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作。

2.4 其他概念推進(jìn)系統(tǒng)

NASA、ESA開展了大量推進(jìn)技術(shù)方案選型的比較分析工作，主要聚焦于無(wú)工質(zhì)損耗的太陽(yáng)帆、電帆、系繩類等先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)[10-11]，太陽(yáng)帆設(shè)計(jì)和電動(dòng)力系繩設(shè)計(jì)分別如圖4和圖5所示。這類推進(jìn)技術(shù)目前國(guó)內(nèi)還未成熟，需要開展相應(yīng)的研究工作。

圖4 伊卡洛斯的太陽(yáng)帆設(shè)計(jì)Fig. 4 Solar sail of IKAROS

1）太陽(yáng)帆推進(jìn)

太陽(yáng)帆在太陽(yáng)光壓力作用下，不斷加速，長(zhǎng)時(shí)間后能夠獲得相當(dāng)可觀的速度，而且太陽(yáng)帆以太陽(yáng)光為推進(jìn)動(dòng)力，無(wú)需攜帶推進(jìn)劑，理論上它的比沖無(wú)限大。持續(xù)的加速能力和“永不枯竭”的能量來(lái)源決定了太陽(yáng)帆非常適用于深空探測(cè)。美國(guó)、歐洲、日本和俄羅斯均開展了太陽(yáng)帆推進(jìn)技術(shù)的深入研究，特別是2010年日本“伊卡洛斯號(hào)”（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，IKAROS）太陽(yáng)帆探測(cè)器的成功發(fā)射，更增強(qiáng)了人們利用太陽(yáng)帆技術(shù)進(jìn)行深空探測(cè)的信心。

圖5 電動(dòng)式系繩動(dòng)力探測(cè)器Fig. 5 Electrodynamic Tether design

2）電帆推進(jìn)

電場(chǎng)虛擬帆（簡(jiǎn)稱電帆）推進(jìn)技術(shù)，是目前一種全新的無(wú)工質(zhì)推進(jìn)技術(shù)，它利用空間帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)形成虛擬帆面，使得太陽(yáng)風(fēng)中的質(zhì)子（或電離層中的離子）在電帆中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)動(dòng)量交換的方式使航天器獲得推力。

3）激光帆推進(jìn)

激光推進(jìn)是利用高能激光加熱工質(zhì)，使工質(zhì)氣體膨脹或者產(chǎn)生電流間接推力，推動(dòng)航天器運(yùn)動(dòng)的一種技術(shù)。JPL提出了直徑10 km、按軌道運(yùn)行100 MW的激光器陣列，高效的光伏陣列將高激光功率轉(zhuǎn)換為電能，最后能驅(qū)動(dòng)70 MW鋰離子推進(jìn)系統(tǒng)。該概念設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)在12年時(shí)間到達(dá)500 AU。

4）電動(dòng)式系繩推進(jìn)

電動(dòng)式系繩（ElectroDynamic Tether，EDT）本質(zhì)上是一根從航天器延伸出來(lái)的長(zhǎng)導(dǎo)線。萬(wàn)有引力將使系繩定向于垂直位置。如果系繩繞地球運(yùn)行，將以軌道速度7～8 km/s穿過(guò)地球磁場(chǎng)線。電動(dòng)式系繩利用沿系繩的電流與行星磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生的推力，無(wú)需推進(jìn)劑就能工作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)后續(xù)開展超遠(yuǎn)距離星際探測(cè)任務(wù)，需要重點(diǎn)關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù)。

1）高效的“核能+全電推”系統(tǒng)技術(shù)

基于星際空間嚴(yán)峻的環(huán)境條件及其對(duì)電源穩(wěn)定性和持久性的要求，探測(cè)器電源首選是配置核電源系統(tǒng)。一方面利用其輸出的電能為探測(cè)器供電，另一方面可為熱控系統(tǒng)提供熱能，以確保探測(cè)器在極低溫環(huán)境下生存。在核電推進(jìn)等新型推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域開展相關(guān)的研究工作，促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

2）星際飛行技術(shù)

為了進(jìn)入遙遠(yuǎn)的深空，對(duì)日球?qū)雍袜徑男请H物質(zhì)開展科學(xué)探測(cè)，這需要探測(cè)器在探測(cè)過(guò)程中提供足夠的速度增量。因此任務(wù)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)針對(duì)行星借力、大氣氣動(dòng)借力等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3）測(cè)控技術(shù)

需要提升我國(guó)在極遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)延遲、弱信號(hào)深空測(cè)控條件下的高精度導(dǎo)航測(cè)量和高速可靠數(shù)據(jù)傳輸能力。采用合作式跟蹤、深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）以及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）等測(cè)控方法提升無(wú)線電導(dǎo)航的適用距離，突破微波傳輸?shù)膸捚款i。

4 結(jié)束語(yǔ)

星際探測(cè)任務(wù)是外行星帶的木星、土星、天王星、海王星，以及小行星和更外層的太陽(yáng)系空間的探測(cè)或飛越。距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越小，探測(cè)器溫度較低，如何發(fā)電以及如何防止探測(cè)器過(guò)冷，都是需要解決的問(wèn)題。除此之外，任務(wù)還要求超長(zhǎng)壽命，在任務(wù)后期整器仍具備不小于200 W的功率，以維持探測(cè)器基本的工作需求。因此要根據(jù)飛行空間環(huán)境、任務(wù)壽命和重量限制等條件約束，對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以保證探測(cè)的任務(wù)需求。

本文總結(jié)了國(guó)外星際探測(cè)任務(wù)和所搭載的有效載荷配置情況，以及探測(cè)器采用的能源動(dòng)力系統(tǒng)?；谖覈?guó)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，本文綜合工程可實(shí)現(xiàn)性，選擇了以空間核動(dòng)力系統(tǒng)的能源動(dòng)力解決方案，同時(shí)關(guān)注國(guó)外概念推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作，提出了總體任務(wù)設(shè)想和后續(xù)重點(diǎn)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。