1 NASA海洋世界路線圖
根據《美國國家航空航天局海洋世界路線圖》，NASA已經確定了六個“海洋世界”，即：地球、木衛二、木衛三、木衛四、土衛二和土衛六。除這一組外，還有許多已確定的潛在“海洋世界”，例如海衛一、谷神星、冥王星、天衛一和天衛五等。
為了進入天體地表之下的冰層和海洋開展探測任務，空間探測器需要克服電源和極端環境條件(包括高壓和低溫)等方面的挑戰。目前，眾多的空間飛行任務概念都采用了RPS，它們為探測器的作業、生存、融冰和移動等任務提供了動力和熱量。另外一些空間飛行任務概念則考慮了一種新的任務架構：在這種新的設計架構中，探測器和RPS被插入到壓力容器內部，以隔離和保護系統免受極端環境的影響，例如冰殼內和冰殼下海洋內部巨大的外部壓力。
RPS項目飛行任務分析團隊和噴氣推進實驗室(JPL)的A團隊聯合開展了一項“海洋世界”運行概念研究，重點是確定整個飛行任務期間每個任務階段壓力容器內置型RPS在設計和運行等方面需要考慮的關鍵因素。
2 海洋世界探測任務的運行概念研究
為了確定運行概念研究的科學要求，研究小組的科學家集思廣益，提出了針對“海洋世界”探測任務的科學目標、考察任務和探測設備。運行概念研究考慮的五個科學目標分別是：①尋找和描述冰殼和海洋中的生命;②考察冰殼和海洋的可居住性;③描述冰殼和海洋的物理特性;④描述冰殼和海洋中的化學狀態和化學過程;⑤考察冰-洋界面，包括化學和物理過程以及物質交換。
運行概念研究以火星“好奇號”飛行任務的有效載荷質量和功率分配作為類比對象和研究起點，其中有效載荷的總質量和功率分別按75±25 kg和64±16 W考慮。研究選擇木衛二和土衛二作為壓力容器內置型RPS開展冰殼和海洋探索的基準案例，并討論了其他“海洋世界”目的地探測需要考慮的因素。
3 壓力容器內置型RPS的設計考慮
壓力容器內置型RPS的設計受許多因素的影響，例如儀器的功率、質量和體積等。在穿越海洋或在海洋中漂浮時，RPS可以幫助融化冰殼，提供熱量保持冰殼的溫度，因此需要的熱量也會影響RPS和壓力容器的大小。同樣，“海洋世界”的環境和運行概念將直接影響飛行任務的架構和壓力容器內置型RPS的設計。
3.1 壓力容器的考慮因素
融冰探測器由一個壓力容器組成，壓力容器可以保護和容納RPS、有效載荷和子系統。為了實現對“海洋世界”的探索，這種新穎的布置需要開展專門的開發工作，必須針對飛行任務的各個階段和目標環境來定制和優化壓力容器的設計。
“海洋世界”的表面附近可能含有會造成腐蝕問題的硫酸(<40%摩爾)和高濃度鹽類(<冰殼中<25%、海洋中<2%)。在冰-洋界面，木衛二的壓力可達約50 MPa，土衛二的壓力可達約1MPa。在這種情況下，壓力容器如果設計不當會很容易失效，其中最有可能的失效模式是屈曲。因此，材料的強度、重量和熱性能選擇非常重要。電線、樣本采集和窗口等位置的所有穿通裝置都需要保證壓力安全和流體安全。從無論從質量還是體積來看，采用端帽的方案都很昂貴。另外，密封表面需要配備額外的固定面和安裝面。
小型RPS雖然可以降低壓力容器的體積和質量，但是可能需要采用低功率子系統和儀器，因此可能無法為冰塊的熔化或組件的加熱提供足夠的余熱。
3.2 RPS的考慮因素
在運行概念研究中，RPS的質量為75 kg，可以產生約50～300 We的電力和1 500～4 000 Wt的熱功率。RPS中未轉化為電能的多余熱量被用于對部件進行加熱，或通過壓力容器壁排出以進行融冰。
將RPS裝入壓力容器在設計上是個挑戰，緊湊的設計可以將輻射源放置在儀器附近，但是這樣會影響儀器的性能和壽命，需要通過設置儀器間隔或屏蔽措施來緩解。這兩種緩解措施都會增加總體質量，而且設置儀器間隔還會增加體積，這對配置來說極其不利。安裝在壓力容器的RPS的直徑為20～35 cm(無翼直徑)，長度為90～110 cm。由于壓力容器的一些幾何限制，現有的RPS可能不適合安裝在壓力容器內部。
目前，RPS的設計壽命為17年，裝料時壽命開始(BOL)，退役時壽命終止(EOL)，RPS一般在壽命開始后3年內發射。對于巡航時間較長(10年及以上)的“海洋世界”飛行任務和多年期原位表面下作業任務，可能需要重新評估壓力容器內置型RPS的設計壽命。
RPS可以設計成在真空中運行(真空壓力容器)，也可以設計成在充氣的“大氣”(加壓壓力容器)中運行。RPS還需要具備承受過載的能力，以應對發射和著陸過程中的載荷。此外，RPS的設計還需要考慮裝配、試驗和發射操作(ATLO)、空間環境(例如金星重力輔助和機動期間的空間環境)、天體表面狀況和天體保護等問題。
4 壓力容器內置型RPS的運行考慮
“海洋世界”運行概念主要包括兩個部分：①運輸部分，包括裝配、試驗和發射操作階段、巡航到目的地階段、入軌階段、下降和著陸階段;②勘探部分，包括天體表面作業階段、穿越冰層表面作業階段、海洋作業階段和飛行任務結束后的退役階段。
(1)裝配、試驗和發射操作階段的考慮因素。在發射前兩三年里，愛達荷國家實驗室(INL)將開始對系統進行裝料、試驗、運輸和儲存工作。裝料過程包括將Pu-238裝入通用熱源(GPHS)模塊、對RPS進行驗收試驗、開展沖擊和振動試驗以及環境試驗。在發射前12個月，RPS將被裝入加壓或真空壓力容器并密封。這些活動都將在INL進行。如果要對壓力容器加壓，那么填充氣體需要對設備無腐蝕性。如果與其他航天器部件共用壓力容器，那么這些部件也需要在INL進行組裝。使用燃料的系統從儲存到發射全過程可能都需要主動冷卻，冷卻方法取決于RPS的尺寸和熱輸出。系統必須通過驗收，并滿足壓力容器完好的標準。大約在發射前六個月，壓力容器內置型RPS將通過RTG 9904 B型容器運輸到發射場，其中這個特殊的運輸容器對壓力容器內置RPS的尺寸有一定的限制。完成交付后，壓力容器內置型RPS將與其他飛行硬件進行組裝，以便進行整體功能檢查。系統集成到運載火箭整流罩之后，仍需持續冷卻，這就要求開辟通過整流罩進入RPS的通道。每個RPS不僅要承受發射沖擊和振動載荷(20 g以內)，而且要減輕發射失敗的風險。
(2)巡航和入軌期間的考慮因素。如果巡航過程要飛越金星(VGA)，那么熱設計就需要考慮航天器表面將受到來自太陽的更高熱量輸入。將RPS的余熱排向空間會降低散熱器的效率;相比之下，在標稱巡航到外行星期間，將余熱排向4千米深空則不會降低散熱器的效率。深空巡航階段可能需要10年甚至更長的時間。飛越地球是RPS飛行任務的一個關鍵階段，該階段涉及到安全問題，在發生故障時應評估系統撞擊地球的概率。壓力容器還需要進行分解和解體分析，以驗證在發射或再入階段出現故障時，放射性物質不會釋放到環境中。目標行星系周圍的輻射環境將決定要選擇的軌道和抵達地點，而入軌振動和沖擊載荷預計將低于發射載荷。
(3)下降和著陸時的考慮因素。在脫離運載火箭后，RPS可能需要在1小時的下降和著陸過程中自行進行熱調節。實施自主危險規避和軟著陸，可以將過載降到低于發射時的水平。下降推進器應該避免污染目標表面，因為這可能會影響著陸后的樣本分析。
(4)表面作業期間的考慮因素。在天體表面可以停留的時間取決于輻射環境(木衛二的停留時間最長)，鹽氨沉積物可能會在天體表面形成酸性層，因此系統需要采用耐腐蝕的材料。在初始融冰過程中，大部分RPS的熱量將集中在頭部(即飛行方向的前端)，而壓力容器探測器則需要調整到垂直方向，以最大限度降低壓力容器與冰層之間的交界面，并將重量集中在系統的頭部)。融冰探測器需要承受構造力、壓力和潮汐力，并可以在探測的各個階段實現錨固，其中錨固方法取決于天體表面的硬度。融冰技術包括鉆孔、融化和(或)噴水。由于低重力環境，如果融水沒有升華形成液體坑，探測器可能會遭遇浮力，阻止其進一步下降。這可能會成為探測土衛二或其他較小的衛星的一個挑戰，因此探測過程中可能需要采用機械方法。
(5)表面下作業期間的考慮因素。探測器的幾何形狀——包括前壁和側壁熱設計——與環境條件密切相關，會影響探測器的行進速度，并最終影響到達“海洋”的時間。例如，較暖的純冰比受污染的冷冰更軟，更適合用緊湊的探測器。例如，一個直徑20cm、長數米的壓力容器內置型RPS可以有效地穿越冰層。有效載荷和子系統的小型化可以降低能量需求，而且可以讓壓力容器的設計更緊湊。探測器長度增加一倍會讓其體積更大，但會使電力需求增加一倍以上，同時會增加重量，從而影響著陸結構和熱分配的設計。探測器可能需要專用的散熱系統，而不是直接系在壓力容器壁上。對于分段式的壓力容器設計，容納RPS的部分需要向其他部分提供電力和熱能。對于所有類型的RPS，熱控和電源安全都是重要的考慮因素。在冰-水界面進行科學研究時，探測器壁的可變熱功率將控制融化速度和樣本采集。探測系統也可以使用合適的錨固系統，其中錨固系統的設計不能干擾探測器的移動，而且還要減輕融化冰坑中的浮力。
(6)“海洋”作業期間的考慮因素。探測器可以在“海洋”中自由移動，也可以固定在入水點，這會影響飛行任務結束時的處置。帶系繩的無浮力設計與漂浮型設計不同，后者需要有浮力，而且要有專用的推進系統。未知的洋流會讓設計更加復雜，而壓力容器的質量將取決于冰殼的深度。飛行任務的持續時間以及海洋成分會影響防腐蝕緩解方案、材料的選擇、探測器質量和飛行器的整體設計。
(7)飛行器退役之后的考慮因素。時間長了，RPS會在冰面上融出液體坑，形成積水環境。雖然經過幾十年的衰變，Pu-238會自然地將熱量輸出降低到安全水平，但壓力容器在海洋或冰殼中的腐蝕可能會將熱量、放射性物質或未經消毒的部件暴露在海洋中。因此還需要進一步研究，以確定出符合天體保護指南的處置時間跨度。
(8)天體保護的考慮因素。天體保護方面的考慮因素將影響儀器的設計和放置，決定它們是放置在壓力容器外部直接與環境接觸，還是放置在RPS內部。發射操作期間需要分析污染控制情況，入軌、下降和著陸過程中要評估重力輔助機動對準目的地或撞擊潛在天體生物學目標的可能性。在冰面和地表下的海洋中穿行時，天體保護會受到壓力容器中水取樣方式及移動方式的影響。飛行任務結束時，如果儀器在飛行前沒有消毒，則需要在處置前進行消毒。
這項研究的一個目標是讓科學、技術和飛行任務開發界了解這幾類原位勘探飛行任務的設計和運行考慮因素。未來，這些考慮因素可以形成RPS的設計指南，并成為RPS系統的必備要求。
