中国航天再创新高度从地球到海王星要飞10年，全电推进能行吗？

　　在航天器上安装核反应堆，使用全电推进在太空中遨游10年，最终抵达海王星进行观测，我国的这个方案可行吗？
　　2021年5月下旬，我国多位航天专家和工程师，在《中国科学：技术科学》杂志上发表研究论文，提出了让核反应堆电源提供电能，利用电推进技术的高比冲特性助推探测器，可以利用更少的燃料和更快的速度在太空中飞行，再辅以精巧的深空轨道设计。
　　比如利用地球、木星、土星等的引力弹弓效应给探测器加速，那么只需要利用长征五号火箭的运载能力，就可以满足对海王星的探测器环绕探测任务。
　　从这篇论文中、我们首先能够确定一点，那就是海王星探测工程基本上已经确定了，很多科学家开始进行相关技术性论证和具体计划的研究探讨。而且按照论文中的叙述，中国航天现阶段计划在海王星探测器的深空飞行动力源上诉诸创新，一改过去使用传统化学燃料推进的做法，以核反应堆结合全电推进，来研发使用一种创新型的动力系统＂10kWe核反应堆电源＂。
　　海王星的探测工程不同于以往任何一次探测工程，中国航天面临着探测器航程过长，时间跨度大，探测器使用寿命和结构强度要求高等难题，需要完成多项创新才能对海王星探测工程付诸实践，而新型动力系统的研发设计只是其中一环。
　　采用核反应堆为航天探测器供能，这在世界范围内来看还是尚属首次的创新。
　　由此衍生出的第一个难题，即是如何做到核反应堆的超小型化？
　　探测器本身就是一个，被极度限制了体积大小的人造物体，于航天探测工程而言，没有一克的重量可以算是多余的，如何把核反应堆精简到可以被塞入探测器的程度，这是一个相当大的难题。
　　但好在我们中国近几年来，在核反应堆小型化方面，已经取得了重大成就与突破，玲珑一号核反应堆的亮相就是最好的证明。
　　而科学家们之所以会选择10kWe的核反应堆电源，为海王星探测任务的空间堆电源，也是考虑到不同功率等级空间堆电源的技术成熟度，探测器及电推进功率需求，运载火箭发射能力经费等各方面因素。
　　空间电源系统是各种航天器，必不可少的关键系统之一，决定着深空探测任务执行的深度和广度。美国、苏联以及俄罗斯等航天技术发达的国家，从上个世纪开始就极其重视空间电源技术的发展。
　　早在70年代，美国就将空间电源系统，列为五大航天技术发展项目之一，并制定了相应的发展规划，而苏联则成立了一支从事空间电源理论研究，设计开发及生产应用的专业技术队伍，服务于空间探测技术的发展，先进电源技术成为影响航天技术的发展，乃至深空探测任务顺利进行的重要因素。
　　自空间电源发展至今，先后有化学能电源（蓄电池） 、太阳能电源，同位素电源及空间核反应堆（空间堆） ，电源几种应用于空间探测任务，空间电源的选用与其使用环境和任务周期，质量及成本控制等方面密切相关。
　　随着深空探测任务深度和广度的拓展，对空间电源的要求也越来越高。最初应用于深空探测的电源，其实都是其它应用领域的电源，如银锌电池，只能在早期的地球卫星上，执行功率需求小，任务周期短的空间任务。
　　随着航天技术和卫星技术的发展，应用于空间领域的化学能电池，太阳能电源，放射性同位素电源以及空间堆电源都得到了不同程度的发展。
　　其实空间堆电源技术存在技术难度大，技术流程复杂、开发周期长、成本高等诸多缺陷，在深空探测领域的发展受到严重限制。但令人无可奈何的是，人类在发现新的高能能源之前，空间堆电源又是未来世界各国，执行深空空间探测任务不可或缺的电源系统。
　　考虑到去海王星路途遥远，光是飞到那里就需要10年左右时间，再加上中途可能会有顺访天体，这个时间就更长了，探测器也不能为了抵达海王星就耗尽所有力气，至少还要进行一些探测和简单的科学任务，所以整个任务至少要能够持续15年时间。
　　海王星——太阳系中＂最冷＂的星球
　　想要达到这个目的，核反应堆电源是不二之选，而且，这个电源必须保证10kWe满功率运行8年，2kWe低功率运行7年的要求。
　　核电推进实际上就是将核能进一步转化为电能，类似于在飞行器上搭建一个微型的核电厂，利用转化而来的电能作为推进能量，其后续推进形式实际上就是电推进。
　　核电推进系统主要包括3个主要子系统，核能源子系统、核电转换子系统和电推进子系统。
　　其中核能源子系统即核能产生装置，目前太空核能的主要产生方式，是放射性同位素衰变与核反应堆裂变，核电转换子系统是将放射性同位素，或反应堆释放出的热能，通过热电转换或者其他的方式转换成电能的装置。
　　电推进子系统是将电能进一步转换成航天器动能的装置，国外已有的研究中，用于NEP的电推进类型包括离子推力器(IE)，霍尔推进器(HET)等。
　　其实能够用作反应堆原料的放射性元素有很多，但根据联合国在1992年11月13日发布的《关于在外层空间使用核动力源的原则》，空间用核反应堆只能使用高浓铀-235，这种放射性元素的放射性，与＂环境本底＂相当且毒性较小，（环境本底指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中化学元素或化学物质的基线含量） 所以一旦发生意外也不会造成太大的破坏。
　　还有一点值得注意的是，根据联合国的要求还有一个约束条件，那就是核反应堆需要在距离地表，至少800公里的轨道上才能开堆运行，这意味着，我们不能够在地面直接启动它。那我们怎么把这个大铁疙瘩送入太空呢？
　　很简单，无源启动。
　　我们知道核裂变是链式反应，需要裂变时释放的中子轰击其他放射性元素，从而持续反应，如何控制反应堆里的中子就是关键，我们可以在探测器入轨之前，让中子吸收材料朝向铀燃料，吸收掉中子，阻止裂变反应的持续运行，当探测器入轨之后，我们就可以让它翻个面，将另一面的中子反射层对准铀燃料，将中子反射回反应堆，就可以持续进行链式反应了。
　　无源启动自然也有优缺点，优点在于具有无外同位素点火中子源，省去了中子源及相应屏蔽的重量，消除了中子源辐射影响等。
　　在卫星专项测试、总装测试、发射场测试等各环节，无需专门进行辐射防护与应对，缺点则是由于用于裂变点火的铀燃料自发中子和次级中子强度低，导致反应堆启动时间较长（一般在数小时左右） ，需携带大质量化学电池为反应堆启动和星上设备供电。
　　我国计划2030年前后，发射装载核动力装置的全电推进海王星探测器，预计2040年前后到达海王星附近，如此长时间的超远星际航行，还要计算和依托太阳系内主要行星的引力和借力飞控，技术难度不言而喻。
　　地海飞行距离十分遥远，考虑到探测器寿命等原因，应尽可能提高飞行速度以减少飞行时间，探测器速度来自运载火箭、行星引力和星上推进三部分，在运载火箭运载能力固定情况下，利用行星引力的甩摆实现探测器加速，是提升飞行速度的最有效手段。
　　要知道，人类上一次近距离探测海王星，还是1989年，美国宇航局的旅行者2号探测器，当时它也只是短暂逗留了几天就匆匆离开。此后32年的时间里，我们都只能通过望远镜来研究这颗冰巨星，考虑到探测器的发射窗口期和路程，这个时长基本可以达到差不多50年。
　　在2017年时，美国就已经在考虑重新近距离探测冰巨星，但是一方面，他们纠结于天王星和海王星的重要性抉择，另一方面，由于经费有限、任务又比较多，美国宇航局甚至也没有决定要进行冰巨星的探测。
　　在他们的＂旗舰任务＂中，除了对冰巨星的探测之外，还有两个金星探测任务和一个木卫二探测任务，他们的经费只够从中四选二的，目前我们还没有看到最终的结果，或许要等到2022年的《行星科学十年调查》，我们才能知道结果为何！
　　海王星是距离太阳最远的行星，平均距离大约是30个天文单位（AU，日地距离） ，也就是45亿公里左右，它的直径是49244公里，是地球的4倍，质量更是地球的17倍。
　　由于海王星被科学家们普遍认为，包含了太阳系原恒星云的状态条件，和行星形成的位置信息，对它的探测活动或将在宇宙起源、天体起源等方面获得重大的科学发现，而且海王星的卫星海卫一具有轨道逆行，自转轴垂直于公转轴和＂火山喷发＂等现象，也具有很高的探索价值，因此天文学家们对海王星探测极其关注。
　　从太空中看去，海王星是一颗蔚蓝色的行星，这也是它被命名为海王星的原因。
　　不过，它的蓝色不是和地球一样来自于海洋，而是它大气中的甲烷，在海王星的高层大气中，有80%的部分是氢，19%的部分是氦，其他气体占据了另外的1%。
　　海王星表面环境非常极端，它的大气中竟然下着钻石雨，大气层以下可能也有一片钻石的海洋，在它的大气中，还有太阳系三大风暴之一的大暗斑，这个风暴的跨幅超过了12000公里，可以放下一整个地球。
　　海王星的风速也是太阳系所以天体中最惊人的，甚至可以达到每秒300米，地球上的超强台风风速也不过才每秒61.2米罢了，而这，或许也会成为我国未来探索海王星计划中的一大难点。