引言 海王星等冰巨星引力势能大，对太阳系形成起到重要作用。星球保留大量太阳系形成初期的气体，包含原恒星云的状态条件和行星形成的位置信息；海卫一被认为是海王星捕获的柯依伯带天体，并最终会形成光环或撞向海王星。 对遥远、寒冷的海王星实施环绕、大气进入、穿透等探测，有望在太阳系和行星起源与演化、生命起源等方面获得重大科学发现，是当前国际空间科学研究的前沿热点领域。 受深空能源供应、30AU以远深空测控通信等技术原因的严重制约，以及发射窗口的原因，国际上仅1977年美国发射的旅行者2号于1989年实现对海王星短暂的飞掠探测，因专门针对海王星的科学载荷携带少，获得的科学探测成果相对有限。 近年来，随着航天技术的发展，开展较为深入细致的海王星就位探测已具备工程可行性。2017年，NASA将冰巨星探测列为旗舰类候选项目，围绕2030年左右发射窗口开展冰巨星探测的顶层设计与论证工作，预计2025年进入工程实施阶段。 空间太阳常数随距离的平方反比关系衰减，木星附近光照强度约为地球的4，更加遥远的深空只能使用核动力。基于钚238等衰变能的同位素电源，具有结构小、质量轻、技术成熟等优点，但制造困难且价格高昂，较难满足数公斤甚至十公斤级的应用需求。 海王星探测的科学目标 人类对海王星的认识主要来自1989年旅行者2号的一次短暂飞掠，考虑到海王星保留了大量太阳系形成初期的星云成分，包含原恒星云的状态条件和行星形成的位置信息，且目前认为此类冰巨星在银河系极为普遍，实施海王星环绕及大气穿透探测，近距离测量海王星内部大气结构与成分、磁层与电离层等，以及释放穿透器对海卫一和半人马天体进行就位探测，有望获得太阳系起源和演化、生命起源等科学问题的重大原创性发现。 海王星的内部大气结构与物质成分 虽然海王星比土星要小得多，自身重力压缩效应也要小得多，然而有意思的是，海王星的平均质量密度初步估测为1。6gcm3，是土星平均质量密度的两倍多。 通过海王星全球遥感与大气穿透探测，测量海王星内部的大气结构、组成、性质等，以及内部活动情况，确定对流区和稳定区的区域位置、动力学特征等。 测量海王星主要物质成分及分布等，研究原恒星云初始状态等，取得太阳系起源和演化的重大科学发现。海王星的内部热源（重力塌缩、潮汐力、同位素衰变热等）被认为是维持海王星表面温度的重要来源之一，目前24m红外探测计算结果57K与实际结果47K存在偏差，故更宽频段的红外辐射测量有助于理解海王星内部热量释放率运行机理。 海王星的磁层和电离层 海王星的等效磁轴偏离自转轴严重，角度多达47，而且等效磁轴偏离星体中心0。55个海王星半径，显示出不同寻常的磁场发电机效应。 测量海王星磁场特性，研究其行星流体幔层地壳中的层传导性物质特性及运动机理，探测太阳风海王星磁层磁场电离层相互作用机理，以及磁层内部等离子体传输过程。测量大气成分、重元素及其同位素分布，探测海王星2400kmh的飓风产生原因，以及海王星大暗斑形成过程及长期保存的原因。 大气的云层结构（比如甲烷云层）的转动所引起的海王星观测成像的日变化，据此可以推测海王星的自转周期。然而云层结构局限在特定的纬度和高度，所以无法代表真正的海王星内部的自转速度。 要想测量海王星内部的自转速度，需要在海王星的磁层环境中开展磁场和射电辐射的测量，从而获得海王星内部磁场发电机的自转速度并促进对海王星磁场产生机制的认识。海王星大气中除了甲烷的凝结云层之外，是否存在多层的凝结层，比如氩层、氨层等？要回答这个问题，需要开展海王星大气的穿透探测。海王星的卫星与行星环 重点针对海卫一自转及公转轨道均逆行的特点，研究其轨道的稳定区域及受海王星引力影响的动力学迁移过程，开展扰动作用受摄轨道的演化历程计算，预测不同轨道参数下的半人马族小行星最终归宿。 利用海卫一回归近日点受太阳光照强度上升重新产生火山喷发活动，研究其表面物质不同挥发与反射特性及太空风化程度对轨道演化及自旋状态的影响。利用观测数据建立与2014MU69等柯伊伯带小天体（美国新视野号）的关联，研究海卫一的来源。 建立行星环及其内牧羊卫星的完整列表，研究不同轨道类型的行星环形貌特点、形成机理、彼此间物质交换与气体传输，分析不同天体的起源历程，探测可能存在的有机物。 分析大天体摄动对多小天体系统轨道能量与角动量的影响，探讨多小天体系统的轨道与自旋稳定性，探索系统内天体的碰撞、分裂及逃逸机理。海王星的多个行星环不是经度均匀分布的环状结构，而是呈现出弧块状的离散结构。 这些弧块状结构为什么能存在，是否稳定存在而没有扩散开来，这都是有意思的动力学问题。 海王星特洛伊小天体与半人马族天体研究 海王星百公里级小天体的数量和质量远超小行星主带，而动力学研究显示它们的轨道稳定性好，这一类小天体的来源以及它们与柯伊伯带天体或半人马型小天体的关系尚不明确。 目前太阳系最外围发现的游离天体的轨道特征、理化特征包含着太阳系临近空间环境的信息。这类天体与柯伊伯带的关系、与假想中的第九行星的关系，都是待解决的问题。 半人马小行星是一类轨道在木星和海王星之间的小行星，半人马小行星的轨道离心率散布的范围广，且存在逆行轨道，小行星的起源和演化历程存在争议。 通常认为半人马小行星可能是从柯伊伯带天体转变成短周期木星族群彗星的中间天体状态，柯伊伯带天体的轨道受到摄动后被抛出成为半人马小行星。因此半人马小行星的动力学演化值得深入研究。 探测方式与借力天体选择 海王星探测方式有遥感、飞掠、环绕、软着陆等。遥感和飞掠无法有效测量稀有气体、深部物质组成、内部结构与活动等，科学成果有限；软着陆对探测器速度增量要求高，任务规模、技术难度和经费需求极大。基于科学目标、技术水平和经费规模，确定探测方式为极轨环绕探测。 海王星距离太阳30。1AU，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、行星借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。 图2为2040年前外太阳系主要天体位置示意图，可以看出2颗以上巨行星借力飞行机会是比较少的。木星质量约是其他7大行星质量总和2。5倍，故木星是借力飞行的首选天体。 木星公转周期为11。8年，故探测器不能像地球、火星等短公转周期天体进行多次借力，且每个大周期发射窗口之间的间隔约为10年。 任务轨道设计 考虑到探测器飞行速度应小于海王星逃逸速度才能实现海王星引力捕获，在任务前期努力提升飞行速度以缩短飞行时间，还应考虑抵达后为实现海王星引力捕获可能需要的减速要求。基于当前火箭的运载能力、探测器重量、飞行时间等设计约束，优选通过木星一次借力后直接飞向海王星。 采取直接奔木轨道设计的方案，基于木星、海王星空间相互位置及地球木星飞行距离，探测器应于2030年前后发射。星箭分离后，探测器从发射收拢状态解锁，展开空间堆电源飞行至800km轨道高度，利用铀235自发裂变产生的中子和宇宙线与铍反射层产生的中子实现反应堆无源启动，航天器进入日心椭圆轨道（即成为太阳卫星）。 探测器进入地木转移轨道，飞行约3年抵达木星并借力加速，进入木星海王星转移轨道，飞行约6年后抵达海王星，轨道末期通过调节电推进开机策略，进行减速和速度矢量调节以实现海王星捕获和极轨飞行。 整个飞行过程中，视主带小行星、半人马族天体等天体搜索及位置情况，择机实施轨道机动实现飞掠探测，释放微纳卫星开展穿透探测；海王星环绕后，择机释放海王星大气探测器和海卫一穿透探测器。 结束语 利用超大功率的空间堆电源实现对海王星的环绕与穿透探测，可实现人类空间精准探测能力迈向外太阳系空间的重大技术跨越。科学开展冰巨星构造、大气等探测，有望获得太阳系起源和演化、生命起源等科学问题的重大原创性发现。 工程上突破空间堆电源、超远距离深空测控等关键技术，构建太阳系内任意到达能力并初步具备恒星际空间探索能力，实现航天技术能力的重大跃升。实施过程中，加强科学目标论证、科学载荷、测控通信等方面的国际合作，积极构建全球深空探索新格局，为21世纪中叶全面建成航天强国提供有力支撑。参考文献 1。LiuJZ，HuCB，PangFC。Strategyofdeepspaceexploration（inChinese）。SciSinTech，2020，50：11261139（刘继忠胡朝斌庞涪川。深空探测发展战略研究。中国科学：技术科学。2020。50：112611391 2。WuWR，YuDY，HuangJC，etal。exploringtheSolarsystemboundary（inChinese）。SciSinnf，2019，49：116（吴伟仁，于登云黄江川。等。太阳系边际探测研究。中国科学：信息科学。2019。49：1161 3。NASATechnologyRoadmapslntroduction，CrosscuttingTechnologies。andindex。NASA2015 4。ChaikenM。Overviewofthekilopowersystemdvelopmentandtestingatthenevadanationalsecuritysite。GRC，NASA。2018N180005553 5。GibsonM。Kilopowerreactordevelopmentandtesting。GRC，NASA，2018。N180004937 6。McclurePR，PostonDl。kilopowerpoweringaNASAmissiontoMars。FrontiersinSciencePublicLectureSeries。LANL。D OE，LAUR1822754，2018 7。HubbardWB，PodolakM，StevensonDJ。TheinteriorofNeptune。NeptuneandTriton。109，1995。htps：solarsystem。nasa。oowresources222neptuneandtriton 8。NessNF，AcunaMH，BurlagaLF，etal。MagneticfieldsatNeptune。Science。1989。246：14731478 9。KrimigisSM，ArmstrongTP，AxfordWl，etal。HotplasmaandenergeticparticlesinNeptunesmagnetosphere。Science。1989。24614831489
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