王 穎，朱安文，劉飛標(biāo)，田 岱，王 鑄

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

引 言

深空探測是我國未來空間重要的發(fā)展領(lǐng)域，超遠距離（大于幾十個AU，AU為天文單位，指1倍地球到太陽的平均距離，約1.5億km）的星際探測在我國尚屬空白。物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙演化、生命起源和意識本質(zhì)是當(dāng)前人類文明發(fā)展中面臨的4個重大科學(xué)問題。開展星際探測活動，能夠自主突破并掌握深空探測核心技術(shù)，推動我國空間技術(shù)、空間應(yīng)用、空間科學(xué)的全面發(fā)展，提高人類認識宇宙、進入宇宙和開發(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)模型認為，日球?qū)舆吔鐓^(qū)是一個雙激波結(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]。迄今為止飛行最遠的探測器是“旅行者1號”（Voyager 1），“旅行者1號”和“旅行者2號”（Voyager 2）探測器的飛行示意圖如圖1所示[3]。

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

開展超遠距離深空探測，能夠?qū)崿F(xiàn)對外日球?qū)雍托请H空間的等離子體、中性成分、塵埃、磁場、高能粒子、宇宙線等參量的綜合性就位及遙感探測，實現(xiàn)探測器飛行軌道借力的行星（如木星、土星）探測以及沿途飛越的小天體探測。開展星際探測，可大幅提升我國在空間探測領(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，在星際探測領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。由于木星以遠探測器能夠接受的太陽輻射強度相比地球要降低很多，如何發(fā)電以及如何防止探測器過冷，都是需要解決的問題。對于超遠距離星際探測任務(wù)需要重點關(guān)注能源動力問題，本文通過對國外相關(guān)任務(wù)的調(diào)研與分析，并結(jié)合我國現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，選擇空間核動力系統(tǒng)為能源動力解決方案，同時關(guān)注概念推進系統(tǒng)，提出了總體任務(wù)設(shè)想和后續(xù)重點需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 國外相關(guān)星際探測任務(wù)

1.1 主要探測任務(wù)

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

除了已經(jīng)開展的探測任務(wù)，國外還開展了概念任務(wù)計劃，例如：NASA星際探測（Interstellar Probe）衛(wèi)星概念，計劃利用直徑400 m的太陽帆，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200 AU并在30年內(nèi)到達400 AU。美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）提出的TAU計劃（Thousand Astronomical Units），采用核電推進利用1 MW的裂變反應(yīng)堆和可以燃燒10年的離子推進器，計劃在50年內(nèi)到達1 000 AU。

國際上提出了多個概念方案，但存在很多技術(shù)難點和障礙，工程可行性需要進一步深化評估，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驗證。

表1 國外星際相關(guān)探測任務(wù)簡介Table 1 Brief introduction of foreign interstellar exploration missions

1.2 有效載荷

星際探測任務(wù)需要超遠距離飛行，受運載能力的影響，對航天器的質(zhì)量控制要求很高，因此在航天器設(shè)計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)量是由對等離子體和磁強計試驗要求精度決定的，這些設(shè)計也要考慮低傳輸信號水平以及太陽風(fēng)相互作用區(qū)域等因素?！跋闰?qū)者10號”和“先驅(qū)者11號”就沒有等離子體探測天線，磁強計也短得多，這是受航天器的供電能力所限制?？紤]到新的測量和儀器的開發(fā)，“新星際探索號”（Innovative Interstellar Explorer，IIE）負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”和“新視野號”數(shù)據(jù)來自美國國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（National Space Science Data Center，NSSDC）。“先驅(qū)者號”數(shù)據(jù)來自“先驅(qū)者H號”木星脫離航道任務(wù)研究工作。除了上文提到的探測任務(wù)，表3列出了包括日地聯(lián)系觀測天文臺（Solar Terrestrial Relations Observatory，STEREO）、星際太陽風(fēng)層頂觀測衛(wèi)星（Interstellar Heliopause Probe，IHP）和IIE等深空探測任務(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)衡探測的科學(xué)目標(biāo)和所能分配的質(zhì)量?！奥眯姓咛枴笔褂玫那?種載荷已經(jīng)達到了39.6 kg，如果要搭載類似IBEX的探測器，就要達到64.8kg，比“尤利西斯號”（Ulysses）的有效載荷都重，將會嚴(yán)重影響航天器的飛行速度。

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

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

星際探測任務(wù)中的探測器攜帶有效載荷越多，探測的目標(biāo)就越豐富。從表2和表3中可以看出，國外發(fā)射的星際探測任務(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)定的能源動力系統(tǒng)，就能攜帶更多的有效載荷，探測能力將大幅提升。

1.3 能源和動力系統(tǒng)分析

對于星際探測任務(wù)，最為主要的關(guān)鍵技術(shù)是能源動力系統(tǒng)。空間探測目標(biāo)通常距離遙遠，需要的速度增量很大，而高效的推進系統(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)的可達范圍。

NASA在《NASA 2015技術(shù)路線圖》中根據(jù)推進系統(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技術(shù)分為4組，分別為化學(xué)推進技術(shù)、非化學(xué)推進技術(shù)、先進推進技術(shù)和支撐技術(shù)。

1）化學(xué)推進技術(shù)

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

2）非化學(xué)推進技術(shù)

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

3）先進推進技術(shù)

先進推進技術(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、電帆推進、聚變推進、高能量密度材料、反物質(zhì)推進、先進裂變以及突破性推進技術(shù)等。

“旅行者號”探測器的能源動力來自于3個百瓦級放射性同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG），每個RTG質(zhì)量為39 kg，包含24個緊挨著的Pu-238燃料球。發(fā)射時，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”的Pu-238燃料還剩余72.88%，到2050年仍將有56.5%。國外已發(fā)射相關(guān)任務(wù)的能源情況如表4所示。

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

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)探測任務(wù)基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of related conceptual missions

總體而言，目前進入太陽系逃逸軌道的探測器均屬于數(shù)百千克的小型探測器，其飛行速度主要通過火箭發(fā)射以及木星等天體的引力輔助實現(xiàn)，推進系統(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 能源動力方案

深空探測可以選擇的能源主要有太陽能、同位素電池（核衰變能）、核反應(yīng)堆電源（核裂變能），以及帆類、系繩類推進系統(tǒng)。目前，國外發(fā)射的星際探測航天器均采用同位素Pu-238核衰變源，我國月球探測和火星探測都采用了太陽能發(fā)電方式，探月軌道所處的太陽輻射強度與地球軌道基本一致，為1 358 W/m2，火星探測大約為489 W/m2，木星軌道僅為50 W/m2，木星以遠深空探測采用太陽能發(fā)電需要付出巨大的代價。天王星軌道僅為3 W/m2，已經(jīng)無法使用太陽能源了。針對超遠距離星際探測任務(wù)，能源將無法采用目前我國成熟應(yīng)用的太陽能供電?；谛请H空間嚴(yán)峻的環(huán)境條件及其對電源穩(wěn)定性和持久性的要求，探測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器供電，另一方面可為熱控系統(tǒng)提供熱能，以確保探測器在極低溫環(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)過程分別如圖2所示。

圖2 核衰變Pu-238反應(yīng)過程和核裂變U-235反應(yīng)過程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)換效率可以達到6.7%以上，功率質(zhì)量比（比功率）可以達到5.36 W/kg。如果采用RTG實現(xiàn)星際探測任務(wù)，能夠滿足高可靠性和長壽命等要求，缺點是需要重點關(guān)注功率衰減問題以及Pu-238核燃料產(chǎn)量受限問題。

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。星際探測任務(wù)對空間反應(yīng)堆電源需要解決長壽命問題[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)堆實現(xiàn)星際探測任務(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，開展耐高溫材料的研究工作；開展相應(yīng)的測試、試驗和地面驗證工作；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 推進系統(tǒng)

在推進系統(tǒng)方面[8]，化學(xué)推進是傳統(tǒng)的推進方式，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，但比沖低。霍爾電推進在推功比方面有優(yōu)勢，但其比沖較低（一般在同等功率下，比沖僅為離子電推進的一半），并存在壽命較短的劣勢。離子電推進高比沖（是化學(xué)推進的10倍以上）、長壽命（國外最長地面驗證壽命為5萬 h）等優(yōu)勢在深空探測領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，因此離子電推進系統(tǒng)是超遠深空探測任務(wù)中首選的推進方案。磁等離子體電推進比沖更高，國內(nèi)目前比沖可以達到6 500 s左右，適合于百千瓦級大功率空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，能夠使探測器獲得更大的動力。表7為各類推進系統(tǒng)典型的比沖值。

2.3 能源方案選擇

針對超遠距離長壽命的星際探測任務(wù)，RTG的優(yōu)勢是具備工程可實現(xiàn)性，能夠提供長壽命穩(wěn)定的能源，是超遠深空探測優(yōu)選的方案之一。但是RTG的核燃料Pu-238在國內(nèi)還不具備量產(chǎn)條件，需要依賴國外進口，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”技術(shù)路線作為未來能源動力系統(tǒng)，是目前我國后續(xù)任務(wù)工程可實現(xiàn)的方案之一。

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

國外典型“核動力+電推進系統(tǒng)”的深空探測任務(wù)，如NASA的“普羅米修斯”（Prometheus）計劃，按照2004年的安排，木星“冰月亮”探測器（Jupiter Icy Moons Orbiter，JIMO）主要用于探測木衛(wèi)二和其他木星的衛(wèi)星[9]，按照當(dāng)時的計劃將是第一個使用核反應(yīng)堆大功率電推進的航天器，之后因經(jīng)費等問題任務(wù)被迫終止。推進方式為離子推進，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

針對超遠深空探測任務(wù)，本文中的能源動力解決方案與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，是一種動態(tài)轉(zhuǎn)換方式，存在活動部件。而針對超遠深空探測任務(wù)長壽命（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以遠的探測器主要考慮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)電的同時會產(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行熱排散，并與航天器平臺進行一體化熱控設(shè)計。其中，8 kWe提供給電推進系統(tǒng)，用于軌道轉(zhuǎn)移及姿態(tài)控制，2 kWe提供給航天器平臺，用于平臺維持、測控數(shù)傳及有效載荷探測。在推進系統(tǒng)方面，需要在核電推進等新型推進技術(shù)領(lǐng)域開展相關(guān)的研究工作，促進我國高效穩(wěn)定的推進技術(shù)發(fā)展，同時關(guān)注其他概念推進系統(tǒng)的研究工作。

2.4 其他概念推進系統(tǒng)

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

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

1）太陽帆推進

太陽帆在太陽光壓力作用下，不斷加速，長時間后能夠獲得相當(dāng)可觀的速度，而且太陽帆以太陽光為推進動力，無需攜帶推進劑，理論上它的比沖無限大。持續(xù)的加速能力和“永不枯竭”的能量來源決定了太陽帆非常適用于深空探測。美國、歐洲、日本和俄羅斯均開展了太陽帆推進技術(shù)的深入研究，特別是2010年日本“伊卡洛斯號”（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun，IKAROS）太陽帆探測器的成功發(fā)射，更增強了人們利用太陽帆技術(shù)進行深空探測的信心。

圖5 電動式系繩動力探測器Fig. 5 Electrodynamic Tether design

2）電帆推進

電場虛擬帆（簡稱電帆）推進技術(shù)，是目前一種全新的無工質(zhì)推進技術(shù)，它利用空間帶電導(dǎo)線的電場形成虛擬帆面，使得太陽風(fēng)中的質(zhì)子（或電離層中的離子）在電帆中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過動量交換的方式使航天器獲得推力。

3）激光帆推進

激光推進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，推動航天器運動的一種技術(shù)。JPL提出了直徑10 km、按軌道運行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70 MW鋰離子推進系統(tǒng)。該概念設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)在12年時間到達500 AU。

4）電動式系繩推進

電動式系繩（ElectroDynamic Tether，EDT）本質(zhì)上是一根從航天器延伸出來的長導(dǎo)線。萬有引力將使系繩定向于垂直位置。如果系繩繞地球運行，將以軌道速度7～8 km/s穿過地球磁場線。電動式系繩利用沿系繩的電流與行星磁場之間的相互作用產(chǎn)生的推力，無需推進劑就能工作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

我國后續(xù)開展超遠距離星際探測任務(wù)，需要重點關(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)境條件及其對電源穩(wěn)定性和持久性的要求，探測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器供電，另一方面可為熱控系統(tǒng)提供熱能，以確保探測器在極低溫環(huán)境下生存。在核電推進等新型推進技術(shù)領(lǐng)域開展相關(guān)的研究工作，促進我國先進推進技術(shù)的發(fā)展。

2）星際飛行技術(shù)

為了進入遙遠的深空，對日球?qū)雍袜徑男请H物質(zhì)開展科學(xué)探測，這需要探測器在探測過程中提供足夠的速度增量。因此任務(wù)設(shè)計過程中應(yīng)針對行星借力、大氣氣動借力等方面進行重點研究。

3）測控技術(shù)

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

4 結(jié)束語

星際探測任務(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系空間的探測或飛越。距離太陽越遠，太陽輻射強度越小，探測器溫度較低，如何發(fā)電以及如何防止探測器過冷，都是需要解決的問題。除此之外，任務(wù)還要求超長壽命，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，對能源系統(tǒng)進行合理設(shè)計，以保證探測的任務(wù)需求。

本文總結(jié)了國外星際探測任務(wù)和所搭載的有效載荷配置情況，以及探測器采用的能源動力系統(tǒng)。基于我國現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，本文綜合工程可實現(xiàn)性，選擇了以空間核動力系統(tǒng)的能源動力解決方案，同時關(guān)注國外概念推進系統(tǒng)的研究工作，提出了總體任務(wù)設(shè)想和后續(xù)重點需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。