IAA宇航研究小組——星際科學先導任務
星際先導任務是指在太陽系邊界以外，但尚未到達其它恆星的範圍的深空探測任務。太陽系的邊界可設定在終端激波（termination shock）、太陽風頂層（heliopause）、弓形激波（bow shock）位置。
根據星際先導任務追求的目標的不同，大致可分為技術驅動型和科學驅動型。
1、技術驅動型
技術驅動型任務主要測試和驗證相關技術，以便在未來能夠開展真正的星際任務，其主要技術是推進技術。根據星際飛行的速度，星際探測可以劃分為以下四類：
慢速恆星際飛行：速度約為光速的1%，達到距離太陽最近的恆星約需500年。
快速恆星際飛行：速度約為光速的10%。
相對論星際飛行：已接近光速的速度飛行（至少達到光速的99%，出現相對論效應）。相對論效應使飛船時間相對地球時間大大減慢。
超光速星際飛行：該類飛行幾乎不可能，需要理論物理有所突破。
目前，上述四種恆星際飛行方式幾乎都是不可實現的，技術差距還非常大。即使最慢速的星際飛行方式，需要能量密度達到4.5×1012J/Kg（m2/s2），化學推進和核裂變熱推進（NTR）都無法達到這一要求。核-電推進還需要全系統所有部件的整體的巨大提升，包括太陽帆技術也需要大幅提高才能達到需要的性能。如果沒有技術突破，目前的推進技術的難以完成慢速星際飛行的驗證任務。同時，星際飛行對飛船的通信、導航、發電、人工智慧等技術也有很高要求。
另外，星際飛行任務的周期也是一個重要的問題，周期越長成本越高。一般情況下，這類任務周期最長不能超過30~40年，理想周期為20年。在20年的時間內完成500個天文單位（AU）的星際飛行，需要120km/s的飛行速度（目前只有採用聚變加補加燃料技術的離子發動機能達到這個速度）或者複雜的天體動力學機動。
2、科學驅動型
在20世紀末，人們開始認識到太陽系是被奧爾特星雲包圍，星雲的最大半徑大約有2萬AU。星際先導任務的重要科學目標是研究星際介質本身，第一個目標是研究太陽系邊界——終端激波（termination shock）、太陽風頂層（heliopause）、弓形激波（bow shock），以及星際介質的成分、結構和物理特性。在2004年與2007年，旅行者1號、2號歷時30年已先後到達激波界限。這說明通過相對較小的技術改進，有望執行20年飛達星際介質的探測任務。
圖1 太陽繫到半人馬座的介質構成
星際先導任務的第二個科學目標是太陽引力透鏡作用的焦點，返回觀測數據，驗證相對論，還要通過引力透鏡觀測更遙遠的天體。完成該目標，至少要達到距離太陽550AU的地方。事實上，可能要到更遠的距離，這個距離足以避免太陽質量分布不規則的影響，能夠更清晰的探測引力透鏡場效應，避免日冕的影響。
海王星軌道至太陽系邊界的空間稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。柯伊伯帶的外層區域是黃道離散盤，這個區域天體擁有瘦長的橢圓軌道，遠日點可達到150AU，軌道穿過太陽風頂層，且大部分時間位於星際介質。星際先導任務的第三個目標是著陸一個此類天體，分析太陽系邊界與星際介質之間的具體情況。其主要技術難題是：著陸器必須從較高巡航速度減速進入捕獲軌道。該研究將帶來巨大科學價值。
3、星際先導任務的目標
恆星際旅行任務需要很長的時間周期。例如，使用化學火箭，航天器需要27萬年才能到達離太陽系最近的半人馬座鄰星，使用帶有液氧和液氫燃料的高能上面級火箭，或採用巨行星引力輔助技術，可縮短至6萬年。因此，開展真正星際飛行之前，首先必須研發更高效率的深空推進技術，此外有必要先探索距太陽系較近的星際目標。
向距離太陽30~90AU的柯伊伯帶天體發射交會-著陸飛行器，研究這類天體的組成和物質。
測量太陽風頂層的電磁場、帶電和中性粒子密度及宇宙射線通量的原位測量結果。
向太陽風頂層發射一個探測器並順利進入內太陽引力焦點，通過光學設備來驗證廣義相對論。
研究奧爾特星雲的某些特點。比如，通過數據檢驗太陽是否有一個較小、亞發光的星體或褐矮伴星。
向比鄰星和α半人馬座星相反方向發射成像探測器，並在太陽引力焦點的輔助下拍攝高解析度圖像，獲得關於該星的更多詳細信息。
4、太陽帆技術
太陽帆是利用太陽光壓（光子動量）產生推力的推進技術，太陽光壓大小隨著與太陽距離的縮小而增加，其關係為（1/R2），R為到太陽的距離，目前能夠設想的最遠距離R≈1500AU。利用太陽光壓的策略主要有2種：1）採用密封帆結構並靠近太陽（距離遠小於1AU），然後在近日點展開太陽帆（日潛機動）；2）根據太陽帆飛行器軌道角動量反向理論連續機動（或H-反向模式）。
太陽帆的推進效率取決于飛行器與帆的單位面積質量比（太陽帆明度σ）。如果採用多層碳納米管覆層或石墨烯片來製造或強化太陽帆，則飛行器可以達到每年30~80AU的速度。隨著納米技術快速發展，太陽帆明度可以在未來較短時間達到1.0~0.1g/m2，預計在21世紀第3個10年內有望看到此類產品。
在太陽帆能夠到達的最遠距離（1500AU）內，從柯伊伯帶雲體到太陽風鞘，直到遠離太陽風頂層的太陽引力透鏡。設定任務周期30年，飛行速度每年50AU，在太陽帆明度0.25g/m2的情況下，可以達到上述天體。
另外，太陽帆的展開、發射振動對太陽帆結構的損壞、太陽帆的控制等問題，也是太陽帆應用於空間推進中必須解決的技術難點。
5、核電推進
二戰期間，德國科學家施圖林格提出利用核電為電推進系統提供動力，可以獲得比化學火箭大得多的Isp（比沖）。核裂變推進系統的能量密度可以達到1014J/kg，而化學推進（CP）系統只有107J/kg。在電推進系統中，柵格離子發動機通過離子化推進劑，以庫侖力的形式實現加速。核反應堆是唯一能夠滿足電推進系統高Isp要求的能量源。
藉助近期核熱推進系統，可以實現飛向約100AU距離的核電推進任務，且運送的科學儀器有效載荷比目前任何化學推進航天器都要大得多。要實現連續推力、超Isp要求，需要對柵格離子發動機技術大力投資，而針對功率的要求不是那麼關鍵，核反應堆推進的實際問題與耐久性相關：推進器的使用壽命、核反應堆經過多年操作後的完好，以及任務過程中給反應堆補充燃料，都是非常棘手的工程難題。對於時間更長的任務來說，在計算質量預算時，還應考慮核燃料質量。
研究認為：核反應堆推進有可能成為可用於探測器和航天器的推進系統，能夠幫助我們探索太陽系最遠處，甚至到達太陽系之外的太空。
6、可行的恆星際先導任務
利用太陽帆、太陽能電推進和核電推進的近中期快速太陽系飛離任務。為了實現未來的快速深空任務，先進的空間推進是一項關鍵技術。太陽帆和電推進是最有希望的候選方案之一。
近日空間的太陽帆飛行探測任務。通過超輕薄太陽帆可以利用太陽光或定向激光實現深空（超過1000AU）推進。使用太陽帆推進系統探索外太陽系，可以通過降低航天器總質量，或者通過非常靠近近日空間區域來加速太陽帆推進航天器這兩種方式來實現。
太陽帆飛行器日潛機動任務。日潛（sundriver）機動表示一種太陽帆飛行器策略，旨在加速飛離太陽系。這種概念實際上是基於太陽的引力輔助，基本過程包括：1）飛行器首先距離太陽足夠近；2）啟動推進系統；3）使太陽帆驅動的航天器不斷沿修正路徑前進，獲得更高的軌道能量。
混合推進型任務。同時利用太陽能電推進和太陽帆的一種混合星際先導任務，可以在地球發射後和在近距離經過太陽之前採用太陽能電推進，並在此過程中展開太陽帆。包括以下類型：1）太陽能電力+太陽帆；2）太陽帆+放射性同位素髮電器。
千天文單位探測任務——太陽引力焦點。飛向太陽引力焦點是一種典型的先導任務，因為目標（太陽內引力焦點）距離約550AU。數百到一千天文單位的空間已經在太陽風頂層之外，這類探測任務的目的是推動相關技術的發展，同時通過抵達星系際空間證明相關的科學理論。
7、發展展望
對未來星際先導任務，自主星際探測器與推進技術是兩個關鍵問題。
實現星際探索任務中自動化技術主要包括下列步驟：1）制定基本的控制系統計劃，其中包括合適的感測器和信息處理器；2）擬定自主全局控制系統的基本方案；3）通過環境模擬應用的形式檢測期望系統；4）分析侵入遞歸/超侵入遞歸數學模型在探測器的感測器/信息處理設備中的可能應用；5）選擇硬體設備；6）規劃對硬體和軟體的近期可能改良。
關於推進技術，目前主要有熱核聚變、聚變衝壓噴氣發動機、反物質推進、定向能推進等概念方案。雖然熱核聚變被視為最有可能成功的技術方案，但是其它方案仍然具有實踐上的可能性。
8、研究結論與建議
推進、遠程通信、自主機器人、感測器、制導等技術是實現近期任務的關鍵；
柯伊伯帶天體、奧爾特雲、太陽引力內焦點是近期恆星際先導任務的主要目標；
推進技術是星際先導任務的技術瓶頸，近期新型推進技術可在星際先導任務進行試驗；
核電推進、太陽帆是最有希望的技術；
近期1~2MWe功率核反應堆的和電推進系統有可能實現飛往太陽風頂層和柯伊伯帶天體的單向先導任務；
太陽帆是初始經濟和技術資源投資量較小的方案；
太陽帆所需的關鍵技術包括自動組裝的輕型結構、輕型帆體，以及能夠承受長達20年300攝氏度高溫的帆材料；
核電系統的反應堆能量密度應為1~1.5MW/m3，功率為30MW或更高；
長期來看（20~30年），核聚變是最有希望的推進方案。
*以上內容摘自國際宇航科學院研究小組報告，若您對報告內容感興趣，請聯繫國際宇航科學院研究中心
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