问题描述

冰巨星作为研究太阳系和系外行星的蓝本，科学价值高，一直是国际深空探测领域的热点，但对太阳系最远距离冰巨星实施就位（环绕、进入等）探测的技术难度极大，始终是一块空白地，目前也仅有美国对冰巨星开展过飞越探测。实现对冰巨星及其卫星就位探测，不仅可以填补国际深空探测的领域空白，突破科学探测的前沿技术，还将有助于解决包括太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等在内的重大基础科学问题，彰显国家综合国力和科学发展水平。

问题背景

太阳系八大行星分为两类，其中水星、金星、火星都和地球类似，拥有岩石构成的固态表面，称为类地行星或内行星；而木星、土星、天王星和海王星体积巨大，主要由H2、He等气体组成，与太阳的组分类似，称为气巨星。在四颗气巨星中，天王星、海王星由于其内部结构中有大量“冰”（由原始行星盘中低折射率物质如H2O、CH4、NH3等冷凝而成），而被称为冰巨星。冰巨星引力势能大，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，对研究太阳系、系外行星系统、以及行星的形成与演化起到非常重要的作用。

人类对冰巨星的认识主要来自上世纪九十年代美国旅行者二号的一次短暂飞掠探测，发现了天王星的10颗新卫星以及海王星的5颗新卫星和4个新光环，但由于任务约束，旅行者二号无法实现对冰巨星的环绕探测。考虑到冰巨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，其结构和来源一直有很多未解之谜，亟需近距离开展就位探测；此外，海卫一（Triton）的状态也十分特殊，这个质量稍小于冥王星的巨大逆行公转卫星，其体积及表面成分都和冥王星相似，自转轴与黄道面夹角几乎平行，所以来源很可能同属于在海王星轨道外物体的矮行星。海卫一因为具有冰下海洋，而被认为可能存在地外生命线索，同时也是太阳系内具有冰火山现象的4个天体之一，具有极高的探测价值。实施冰巨星环绕及大气进入探测，近距离测量冰巨星内部大气结构与成分、磁层与电离层、冰巨星卫星地下海洋等，将首次获得大气剖面上成分、同位素变化特征、大气运动过程等信息，为研究冰巨星的成因、冰巨星大气过程、行星宜居性等提供科学依据，有望实现太阳系起源和演化、生命起源等科学问题的重大原创性发现。

最新进展（截止问题发布年度）

冰巨星探测具有特殊且重要的科学意义，围绕冰巨星探测国际上持续地提出了多种探测任务设想，因能源与测控通信的制约，到目前为止国内外仅美国发射过一颗与冰巨星有关的探测器，即旅行者二号。该任务取得圆满成功，并获得了太阳系冰巨星唯一的一批近距离探测数据。2021年6月，ESA发布面向2035-2050年空间科学中长期发展规划《远航2050》，将“冰态巨行星/类海行星探测”遴选为中型（M级）任务，规划在2030年左右采用国际合作的方式对冰巨星开展就位探测；2022年4月，美国国家科学院发布《2023-2032年行星科学和天体生物学十年调查报告》，建议NASA将“天王星轨道器和探测器”列为最高优先级的新旗舰任务，计划在2030年左右向天王星发射价值42亿美元的探测器，并已开展顶层任务设计和关键技术研究，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。

我国行星探测工程的探测目标并未覆盖木星以远的天体。随着探月工程和行星探测工程的组织实施，我国构建了独立完整、自主可控的深空探测工程体系和科学研究体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，在深空航天器研制、大推力运载火箭、行星际轨道设计、深空测控网、科学数据接收与研究等方面具备了很强的实力；以及当前空间核电源取得重要进展，已具备实施冰巨星环绕、进入探测的能力。

冰巨星距离地球约20AU-30AU，其公转轨道上太阳辐照强度极弱，对探测器的能源、通信、推进、自主运行、抗空间环境能力提出了极高的要求。同时，受限于天体运行规律，如何缩短飞行时间、实现冰巨星环绕、兼顾多天体探测等，对探测任务的顶层方案设计、轨道设计、大系统方案等提出了众多严苛的技术难题。

（1）空间核电源应用技术

由于距离太阳遥远，传统的太阳能发电在冰巨星探测时已无法使用，只能选用核电源；美俄两国具备核电源探测器研制的成熟技术基础，我国尚无真正意义上的核电源探测器，尤其是适用于深空探测的大功率、长寿命、轻小型化的空间核电源尚不成熟，需要开展大量的工程应用研究。

（2）多任务轨道优化技术

由于探测对象距离地球远，且任务目标定位于环绕探测，需要在发射C3和到达速度之间寻找最优点，为了降低探测器的系统规模，需要通过地球、木星等天体借力，获取更快的逃逸速度，导致任务轨道复杂，探测器工作模式多，给探测器设计和飞行控制提出了新的约束。

（3）远距离测控通信技术

冰巨星探测器需要通过环绕实现对天王星或海王星的精细探测，尤其是光学成像探测，将会产生大量的科学探测数据，对数据传输能力要求高；低码率长时间的通信模式仅适用于突发式科学探测，无法满足持续性精细探测需求，必须提高测控数传通信能力，及时将数据传回地球。

重要意义

（1）冰巨星及其卫星就位探测将对目标天体的形貌、大气结构和组成、大气流动、磁层、电离层、冰卫星等要素进行长期持续探测，在沿途借力天体进行近距离顺访飞越探测，研究特洛伊天体与半人马族小天体的关系，不仅可以填补空间物理、空间天文和行星科学等方面的诸多研究空白，而且有助于解决包括太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等在内的重大基础科学问题，从而加深人类对生存环境的认知，有助于人类更好保护自身生存环境，为人类社会可持续发展服务。

（2）冰巨星及其卫星就位探测需要解决极远距离下的通信问题、极暗条件下的供电问题，涉及大量新需求、新思路、新设计和新工艺，对航天技术和相关高技术发展具有显著的牵引和带动作用。开展冰巨星探测将促进材料、控制、制造等领域的进步，包括先进指标载荷技术、高转换低衰减核电源技术、极远距离高速通信技术、超长寿命空间产品保证设计与实现等技术，推动航天和经济发展。同时，冰巨星探测将为人类拓展活动疆域奠定基础，是人类长远发展的重要活动。

（3）冰巨星及其卫星就位探测是当前空间探测的尖端领域，目前也仅有美国开展过飞越探测，实施环绕探测任务可以填补国际上深空探测技术领域空白，彰显国家综合国力和科学发展水平，同时具有履行大国推动科学发展义务的重要意义。特别是冰巨星探测具有科学探索性强、民众兴趣高、影响力大等特点，开展此类任务可以极大提高民众对于航天的关注，激励青少年用于探索和创新的科学精神，激发中国人民爱国热情，为科技事业召唤源源不断的后备力量，服务于科教兴国和人才强国的国家战略。