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在半个月前,我国的祝融号火星车刚刚着陆,展开对火星的探索。如今,我国科学家们竟然在考虑探测海王星了!不得不说,祖国航天技术的发展,让我们有了更宏伟的目标和更大胆的想法。那么,为何在金星、木星探测计划还没开始的情况下,我们就已经开始考虑探测海王星了呢?

(图片说明:旅行者2号,唯一近距离探测过海王星的探测器)

原来,这是来自于一篇名为《基于10 kWe核反应堆电源的海王星探测任务研究》的论文,第一作者是中国月球和空间探测工程中心副主任于国斌。在论文中,他主要讨论了新型核反应堆的设计以及整体任务的规划。那么,我国到底有没有真正探测海王星的计划呢?

阔别已久的冰巨星

要知道,人类上一次近距离探测海王星,还是1989年时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,就匆匆离开了。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……(海王星探测窗口期在2030年左右,后面我们会详细介绍)

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:望远镜里的海王星)

现在都科学家,只能苦苦地从三十多年前的数据中不断分析,试图了解海王星。时至今日,这些数据已经远远不够了。重返海王星的计划,势在必行。

在2017年的时候,美国就已经在考虑重新近距离探测冰巨星了。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。

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。最终的结果,或许要等到2022年的《行星科学十年调查》才会揭晓。

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:美国宇航局还需要在天王星和海王星中二选一)

但另一方面,海王星的探测,实在是过于诱人。这不仅仅在于我们对它的了解确实还比较少,也在于它的特殊环境,真的非常独一无二。

太阳系最远行星

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,也就是45亿公里。它的直径是49244公里,是地球的4倍,质量是地球的17倍。

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

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!

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:海王星上可能下钻石雨)

尽管有这么多的惊人景象,科学家们却始终没有发射探测器专门去探测海王星。没有办法,它实在太远了。这给我们带来了两大挑战,其一是需要花费更多的能源才能抵达,其二是距离太远过远,根本无法使用太阳能。归根结底,能源成为了探测海王星的最关键难题。

正因如此,于国斌等人才提出了核动力电源的想法。那么,这个核动力电源,到底是什么呢?

核反应堆电源

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:海王星探测设想)

考虑到海王星路途遥远,光是飞到那里就需要10年左右的时间。再加上中途可能会有顺访天体(后面介绍),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,所以整个任务至少要能够持续15年的时间。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10 kWe满功率运行8年、2 kWe低功率运行7年的要求。

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,所以一旦发生意外,也不会造成太大的破坏。

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:热管冷却快堆+温差发电电源系统示意图)

这里还有一个问题,那就是根据联合国的那条原则,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。

于国斌等人的设计,是反应堆的无源启动模式。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。

因此,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。

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:反应堆堆芯布局示意图)

真的要去海王星了吗?

虽然规划这么详细,我们也确实非常期待。但不得不说,这不意味着我国正在准备海王星探测任务,反正到现在我是没有看到官方的消息。

另一方面,要说这篇论文不代表我国真的要探测海王星,似乎也说不通。在题目中,看似重点是研究新型的核反应堆,其实于国斌等人对整个海王星探测任务进行了规划和设想,包括海王星的探测目的以及可行性的论述。

我国要探测海王星了吗?发射窗口期在2030年,来得及吗?

(图片说明:海王星)

那么,科学家对于海王星,到底有什么想要了解的呢?那里到底隐藏着什么秘密呢?篇幅所限,我们下一期再给大家分享,记得关注我哦~

原文链接:http://www.toutiao.com/a6968025070610547204

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