在我们考虑飞往恒星之前，我们必须知道在我们行星之外如何飞行；恒星任务仍然是幻想，但是恒星际先遣任务即将成为现实。
以往二十年空间探索日益取得成就，使得人类对恒星的研究接近于现实。因为我们现在正处于探索我们太阳系外行星的途中，研究恒星及其行星任务的科学前景和工程问题，看来正是个时候。
简单计算提出了一个首要问题：如果宇宙飞船具有每秒102公里（每年3×109公里）逃逸太阳系的双曲线速度，飞到距离4.3光年（约4×1013公里）的最近恒星（比邻星）则要10,000年。建立这样的宇宙飞船寿命或者更大一些速度，到2000年看来不可能。暂时得把恒星任务搁置起来，但在二十一世纪后期，当推进技术有了改善，就可能以大为缩短的时间作此飞行；到那时，飞向恒星任务便成为可行的了。
在此期间能够做些什么呢？在Louis D. Friedman筹备的1976年8月于喷气推进实验室举行的“太阳系外任务”讨论会上，提出了一种想法：把行星外但非靠近另一恒星的先遣任务作为提出和解决与恒星任务有关工程问题的手段。会议期间，认识到这种先遣任务同样有着重要的科学目标。于是组成一个小组来研究恒星先遣任务的科学收益和技术要求。
实际上，空间科学显然会从这一任务中得到益处。通过就地测量可以确定太阳鞘层（太阳风在此处顶住迎面而来的恒星际介质而终止）和恒星际介质的特性。利用地球——宇宙飞船基准线，通过造父变星附近的视差测量，可以更精确地确定恒星以及银河系和距离。贯穿日光层甚低能级的宇宙线可以被检测和被描绘出来。太阳系作为整体，例如它的全部质量和它的内部（行星际）气体分布，其范围可以从vantage点向外延伸至整个系统。如果有第二个科学目标的话，那就是最后确定冥王星及其环和卫星的特性。
决定把精力集中到至400 ～ 1000天文单位距离的先遣任务（冥王星是我们最外层的行星，在2000年距太阳约30天文单位；比邻星则为270,000天文单位）。按照设想，把任务持续时间计划为，二十年到达约400天文单位距离。然后，把任务扩展成，约五十年到达1000天文单位距离以上。
这个先遣任务的工程将遇到不可轻视的问题。在技术方面，尤其在推进和远距通讯以及可靠性方面的重大进展，都要加以尝试和证实。
轨道和推进选择：轨道和推进选择是朝着迎面恒星际气体和可能掠过冥王星向外飞出400 ～ 1000天文单位的先遣任务设计的主要驾驭者。假定把航天飞机，或者更好的话，把能够运送更多载荷的航天飞机变种，作为发射飞行器。研究了低推力和木星或金星——地球引力辅助的轨道，以及这些轨道的组合。所研究的低推力方案，包括太阳帆、激光帆（用地球轨道上的激光源照射帆）以及以离子或磁等离子体动力学驱动的阳光 - 电、激光 - 电和核（裂变或聚变） - 电推进。甚至考虑使用反物质产物作为推进能源。还研究了二元系统，例如在任务前段使用阳光 - 电推进，在任务后段使用核 - 电推进。
选定的任务要求超日心速度（v∞）大于每秒50公里，反物质能源将提供最大的性能。这终究是可行的，但不是在2000年发射。那时候能够产生所需要的方案将是太阳帆或激光帆以及核 - 电推进。
帆的技术是一种利用光压作用在宇宙飞船十分大而薄的“帆”上而产生推进的技术，它需要庞大的技术发展。2000年发射时，经过必要的努力，有可能得到质量对面积比为0.3克/平方米的帆。这种帆可能是用100 nm厚的铝膜制成，也许要在轨道上制造。轨道近日点距离至少在0.25天文单位，避免使帆过热。帆产生的v∞可达每秒120公里。
把近日点距离减至0.1天文单位，提高了光压，同时也提高了温度。假定反射率为0.9，总的发射率（两侧总和）为1.0，帆的温度将达400°C。这就要求使用高温材料。发射率本身提出了另一个问题。薄膜质量在1克/平方米以下，鉴于发射波长/厚度比值，发射率决不会达到1.0。0.3克/平方米薄膜的发射率不大于0.5；这将使帆的温度大于600℃。碳膜能经受住这样高温，但是难以使碳膜具有高反射表面，并且其质量不大可能在1克/平方米以下（按喷气推进实验室W. Carroll的看法）。这种帆和轨道产生的v∞小于每秒110公里，比近日点距离为0.25天文单位使用低温材料时的性能稍微差些。
使用激光帆时，作用在帆上的光子来自激光器并不是来自太阳。研究的设想情况是，假定在1天文单位处的入射光子通量相当于1700个“太阳”。由于激光能是单色的并且可以有效利用薄膜上的干扰层，帆的反射率亦许高达0.99。使用这种敷层，并且假定入射能量高达700个太阳能量，帆的温度和有关问题便跟近日点距离为0.1天文单位的太阳帆情况大致相同。然而，如果能够建成足够高功率（平均20兆瓦）的激光源并把它置于轨道上，那么宇宙飞船的v∞便可达到每秒200公里以上。
聚变式或裂变式反应堆均可用作核 - 电推进。根据今天的有限知识，对聚变系统进行的粗略计算表明，v∞比裂变系统改善30%，但是宇宙飞船要消耗更多质量（亦许是较高的量级），可能要付出难以接受的成本。而且，可控聚变至今尚不能产出干净的能量。研制一个可操纵的聚变推进系统在2000年发射是不可能的。收集沿途中的氢给聚变式反应堆补充燃料那是将来进一步考虑的事，有可能是根本行不通的。
裂变式核 - 电推进系统已被列为重点研究和进一步发展的课题。设计师日益相信核 - 电推进系统比所研究的其它方案更能满足性能要求。初步计算表明，单级核 - 电推进产生的v∞大于每秒100公里。
权衡这几种推进方案利弊之后，我们选择裂变式核 - 电推进用于基本型行星外宇宙飞船及其任务。
任务设计：科学目标和宇宙飞船性能是行星外任务的两方面特征。
大多数科学家考虑了一种有利的轨道使宇宙飞船尽快飞出太阳系，这将提供较早机会去测定太阳鞘层和恒星际介质。它还将把宇宙飞船置于距太阳足够远处以便在发射后适当时间内利用光学确定恒星视差。对冥王星观测，深信也是有希望的。
宇宙飞船主要指标包括：20年设计寿命和50年延寿，超日心速度每秒100公里左右，适当的科学仪器定向设备，以及适合于1000天文单位距离的传送数据和接收指令的远程通讯系统。
在总的任务设计中，将用航天飞机在略微下降情况下把宇宙飞船（带或不带第二级核 - 电推进）置于低地轨道上（另有一种方案是利用两次或多次航天飞机发射并在空间装配成飞行器）。然后，核 - 电推进系统驱动宇宙飞船经过逃逸地球的螺旋形航线。当宇宙飞船沿着日心轨道飞行时推进是连续的。经过长时间“燃烧”达到所需要的v∞：使用单级核 - 电推进时约需八年；使用双级时差不多要十二年 · 在掠过冥王星和当排气与科学仪器有干扰的其它一些时间内，关闭发动机，经历主要推进阶段后，仍有足够推进剂，以便使用推进器控制宇宙飞船的姿态（对反作用旋轮卸载）。为此目的，同时也为了在整个任务期间保持宇宙飞船非推进子系统运转，反应堆要保持在低功率状态下工作。
宇宙飞船朝着迎面的恒星际气体前进。若两者方向重合，冥王星在2000 ～ 2005年期间将非常接近于所选定的轨道，这就使得在途中与冥王星相遇成为可能。这种相遇有可能是恰好从旁掠过；或者，要是能够获得更多关于冥王星的资料，主宇宙飞船（行星外宇宙飞船）就可以携带冥王星轨道器，并在任务前段分离。冥王星轨道器也是一艘完整的宇宙飞船，具有足够的化学推进来处置中途修正、进场和入轨。它带有全套科学仪器（包括照相），由放射性同位素热电式电机供电，并且直接跟地球通讯。它到冥王星的飞行时间大约是十二年，在冥王星上空的进场速度约为每秒八公里。因此，行星外宇宙飞船掠过冥王星时间比冥王星轨道器到达冥王星时间早八年左右，掠过时得到的数据可用于使冥王星轨道器的轨道最佳化。
有关的一些科学家提出的某些想法也列入附加任务，在此任务中，使类似于基本型飞行器的宇宙飞船（不带冥王星轨道器）平行于太阳轴线向外飞行，其轨道基本上垂直于基本任务的日心轨道 · 要达到同样的这种任务需要更多的推进能量。因此，在附近游荡的木星对此任务有所帮助。使用第二级核 - 电推进对此种任务比对基本任务更为有益。
质量和推进系统：表1列出估算的宇宙飞船的质量和性能。分配给宇宙飞船非推进、非电力部分的质量为1200公斤；这包括了全部通用的子系统和结构，例如框架、电子设备舱、轨道器支架以及核 - 电推进系统间壁。科学仪器、扫描平台和远距通讯设备比喷气推进实验室研究的典型外行星任务要重得多。其中考虑了辐射防护屏容差。远距通讯需要1千瓦电力；因此，宇宙飞船非推进部分的电力要1.5千瓦左右。
冥王星轨道器质量1500公斤，其中包括有1000公斤化学推进剂，它提供的速度增量?v为每秒3500米（允许在冥王星上空有良好的捕获轨道）。
核 - 电推进系统（具有20%变换效率500千瓦电力的系统）由核反应堆，反应堆控制，冷却剂系统，辐射防护屏，热离子变换器，散热器，功率转换和调节，以及离子推进器组成。这种系统在排气速度每秒100 ～ 140公里时的干燥质量为每千瓦电力重17公斤。我们选择汞作推进剂，因为它的液态密度大（13,600公斤/平方米），能十分有效屏蔽伽马射线。一台核 - 电推进式助推器使用两个这种500千瓦电力的推进装置。
反应堆燃料燃尽时间设计为，在全功率状态下，相当于200,000小时，其中70,000小时（八年）处于全功率状态，余下170,000小时用于1/3功率状态（按线性比例放大，在此低功率状态下，相当于390,000小时，即44年）。要使反应堆在上述状况下工作，需要在反应堆控制和功率与推进功能自适应控制方面作出重大改进。
在低地轨道上初始全部质量（不带第二级核 - 电推进时为32,000公斤）比目前规定的航天飞机的载荷极限（29,000公斤）还要大。不过，到了九十年代应当会有能够发射更大载荷的飞行器。因此，我们假定基本型宇宙飞船只需要单级发射。空间装配亦许需要增加第二级核 - 电推进。
数据处理和远程通讯：为远至1000天文单位的行星外任务建立一条可靠的远距通讯线路，理应建立在今后二十年期间估计可能取得技术进展的
基础上。我们相信，随着技术发展，将能确保具有40瓦发射功率的X频带系统，直径15米的宇宙飞船天线，以及作为参考系的地球上的接收天线（在1000天文单位处提供每秒100频带）。国家航空与宇航局深空跟踪网将提供直径100米天线。
对于持续20 ～ 50年的任务说来，大部分时间里很少使用，要求深空跟踪网连续工作是不合理的。长期巡航时，有1%工作时间（每月八小时），大概就够了。这就要求在飞船上加工（压缩）和存储数据，能在短时间内以相当快速度读出和发射。在触及太阳鞘层期间，工作时间可能要增加到每天八小时。掠过冥王星时，亦许需要连续工作。对于冥王星轨道器，每天工作时间不是八小时就是二十四小时，至少在执行轨道器某种任务时是如此。
船上自适应的数据获得、数据加工和数据压缩技术将使宇宙飞船的数据发射率减至最小程度。即使具有这些特点，数据速率平均仍在每秒20 ～ 40频带。在1%工作时间情况下这就相当于数据发射率为每秒2000—4000频带。有几种途径可以_供这种数据发射率：
——增大宇宙飞船发射机功率（600 ～ 1000瓦）。
——在深空轨道中继站安装直径300米接收天线。
——经K频带而不是经X频带发射到深空轨道中继站。
表2示出这些方案可能得到的改进。
宇宙飞船构造：最初设想的行星外宇宙飞船的构造。直径15米的天线采用可折叠的“弯曲肋条”设计。环状天线馈电环绕着功率处理机和散热器。这种馈电设计允许沿着推力矢量并围绕着来自离子推进器的高能粒子流向后发射。
在天线后面整个宇宙飞船包含有核 - 电推进系统（包括功率处理机）。可以把宇宙飞船若干设备安置在功率处理机与散热器和天线中枢之间的过渡结构之中。
宇宙飞船电子运载舱装有电子设备（包括姿态控制参考用的天体传感器）。反作用旋轮和离子推进器用来控制姿态。为此，两组同心的推力器中最外一组使用万向支架。
冥王星轨道器支架和两个可展开的科学框架均安装在宇宙飞船设备舱。轨道器从其支架前端分离（接着支架从设备舱分离并抛放）。
可伸长的磁力计框架（置于它的储存箱中）固定在框架的支架上。矢量磁力计的传感元件，用于测量磁场，安装在靠近框架端部，因此当框架被伸长时，它由于宇宙飞船感应磁场作用而骑一段距离。其余科学设备（包括在可能有的科学仪器的“稻草人”目录上）不是骑在框架上就是骑在两个扫描平台之一。框架上安装的仪器均用于测量等离子体特性和电场，恒星际尘埃和气体的特性（使用质谱仪），以及低能宇宙线。
望远镜扫描平台装有一个简单仪器，即远程聚焦电视摄影机，它有一个直径1米物镜，长3.5米。另有一个短程聚焦摄影机，亦有一个直径1米物镜，它骑在多用途仪器扫描平台。两个平台均可绕着两轴旋转。
在多用途仪器平台上摄影机的夹紧装置中还装有另外五个仪器（根据“稻草人”目录）：微波辐射计（感受辐射温度），伽马射线瞬时检测计，紫外光/可见光分光计，以及主要在掠过冥王星期间使用的两个仪表——红外辐射计和红外分光计。这个平台还装有辅助天线；它只是在任务前段当主天线不指向地球时使用。射电天文学/等离子体波接收机的天线是从宇宙飞船设备舱伸出来。
冥王星轨道器的结构是建立在喷气推进实验室目前研制的伽利略宇宙飞船（木星轨道器与探测器）的基础上。它的仪器包括：电视摄影机，伽马射线分光计，以及安装在行星外宇宙飞船上的许多仪器。
必要的发展：要使恒星际先遣任务在2000年发射成为可能，若干技术领域要有重大发展。这些包括：能为宇宙飞船子系统和部件（包括齿轮那样的运动零件）提供20 ～ 50年寿命的主要设计和制造技术，及用比延寿短得多的时间去判断质量保证和可靠性的方法。必须把目前在核 - 电推进系统方面的低水平发展加以扩大以便提供在全功率状态下长期工作和在低功率状态下更长期工作的寿命。对于这种任务所考虑的太阳帆或激光帆，需要研制其适用的材料和系统。与环状馈电有关的天线方向图亦需要加以研究；取代射频通讯的光学（激光）通讯应当被看成是候选方案。若干科学仪器的研制也是必要的，仪器与核 - 电推进的协调性一定要加以研究。
我们的动机在于：人类飞往恒星。约在2000年发射的行星外任务可以为以后恒星任务提供有价值的科学资料并且试验若干技术。最关键的是：可以得到50年宇宙飞船寿命和长寿核 - 电推进系统的技术。
[Astronautics & Aeronautics，1980年1月]