冥王星探测

冥王星探测是指人类向冥王星发射太空探测器，以研究其物理特性、表面结构与周边环境。对冥王星的首次近距离探测发生于2015年7月，当时新视野号探测器完成飞掠任务；尽管如此，相关任务构想早在数十年前即已提出并进行研究。

截至目前，尚无确定的后续冥王星探测任务获得核准，但已有多项轨道器与登陆器等任务概念完成初步研究。

## 早期任务提案

冥王星于1930年由克莱德·汤博发现，长期以来被视为行星科学中极具吸引力的研究目标；然而，由于其质量较小且与地球距离极为遥远，使得相关探测任务在技术与资源配置上面临重大挑战。

1964年，喷气推进实验室工程师盖瑞·弗兰德罗提出名为大巡航计划的任务构想，利用1970年代末外太阳系行星排列的有利条件，使单一太空船得以透过重力辅助依序造访多颗外行星，包括冥王星。

由于预估成本过高，该计划最终未获得资助；不过，此一行星排列条件后来仍被1977年发射的航海家计划两艘探测器所利用。

1980年完成对土星的行星飞越后，航海家一号曾被评估是否可利用土星进行重力助推，于1986年3月前后飞掠冥王星。

然而，科学团队最终认为在探测土星期间对土卫六进行近距离飞掠具有更高的科学价值；由于此操作将使探测器轨道偏离黄道，后续飞掠冥王星遂变得不可行。在此之后，由于未有任何太空机构正式规划冥王星探测任务，该天体在往后多年中仍未受到行星际探测器的造访。

随着航海家计划的成功，行星科学界逐渐将冥王星视为下一个潜在的探测目标。1980年代，罗伯特·W·法奎尔提出将冥王星任务纳入当时规划中的派克太阳探测器计划，构想中太空船将在前往近太阳观测途中飞掠木星，并借此调整轨道前往冥王星，该构想被昵称为“Fire and Ice”。然而，此提案最终未获得采纳。

### 冥王星地下组织、Pluto 350 与Mariner Mark II

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1989年5月，包括阿兰·斯特恩与 Fran Bagenal 在内的一群科学家与工程师组成名为“冥王星地下组织”（Pluto Underground）的联盟。其名称源自对“火星地下组织”的致敬；后者曾成功游说重启在维京计划之后一度中断的火星探测任务。冥王星地下组织透过发起写信倡议行动，试图提升外界对冥王星作为行星探测目标之可行性的关注。

1990年，在包含冥王星地下组织成员在内的科学界压力下，NASA 工程师开始研究多项冥王星探测任务概念。当时普遍认为，冥王星大气可能在冬季冻结并沉降至地表，因此探测器须在此现象发生前抵达冥王星。最早期的构想之一，是一艘质量约40公斤、可在五至六年内抵达冥王星的轻量化太空船；然而，由于科学仪器难以微型化至可行尺寸，该构想很快被放弃。

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另一项重要任务构想为“Pluto 350”，由戈达德太空飞行中心的罗伯特·W·法奎尔与冥王星地下组织成员艾伦·史坦及 Fran Bagenal 共同提出，后两者亦担任该研究计划的科学顾问。Pluto 350的目标是向冥王星发射一艘质量约350公斤的太空船。

该计划采取极简化设计，以提升飞行速度并降低整体成本，与NASA当时多数高预算任务（如伽利略号与卡西尼－惠更斯号）形成对比。然而，Pluto 350 在 NASA 任务规划人员之间引发争议，部分人士认为其规模过小且风险过高。法奎尔团队亦对其成本效益表示保留，指出由于冥王星已通过近日点，在发射时程尚未确定的情况下，完成任务所需的飞行时间将大幅增加。此外，冥王星自转轴约118度的倾角，意味着其南半球将于冬季进入长达数十年的黑暗期，届时将不利于成像观测。

除Pluto 350外，另一项曾被评估的替代方案，是发射一组马里纳 Mark II太空船，其质量约2,000公斤，估计成本高达32亿美元，与Pluto 350约5.43亿美元的预估成本形成鲜明对比。在两项计划竞逐核准期间，Pluto 350 因符合 NASA 当时逐步转向的小型、低成本任务模式（如火星探路者与会合-舒梅克号）。

### 冥王星邮票

多年来，人们一直挥舞著那枚邮票，仿佛把它当成一种号召行动的象征性图像：“尚未探索”。那枚邮票当时已出现在无数简报中，我知道若能让它与任务一同实现，将会让许多人感到欣慰。

1991年10月，美国邮政署发行一套纪念NASA太阳系探测成就的邮票。该系列为太阳系各行星分别设计邮票，呈现行星影像并标示曾造访该天体的太空探测器；其中冥王星邮票仅描绘一颗无明显表面特征的球体，并以“尚未探索”（not yet explored）字样取代探测器名称。该套邮票于喷气推进实验室举行的仪式中正式发表。

出席该活动的两位科学家世界太空基金会主席罗伯特·史塔赫尔（Robert Staehle）与喷气推进实验室科学家史泰西·温斯坦（Stacy Weinstein）受到邮票上冥王星“尚未探索”状态的启发，开始探讨向冥王星发射探测器的可行性。随后，喷气推进实验室的工程师亦受到影响，开始提出多项冥王星探测任务构想。

1992年8月，史塔赫尔致电冥王星发现者克莱德·汤博，表达对造访该天体的构想。汤博其后回忆道，他回应称冥王星“欢迎来访”，但也幽默地补充，这将是一趟“漫长而寒冷的旅程”。

### 冥王星-古柏带特快车

同年，史塔赫尔在喷气推进实验室工程师与加州理工学院学生的协助下，成立冥王星-古柏带特快车。该任务延续Pluto 350概念的核心理念，即透过小型、低成本的太空船设计，使探测器能更快速抵达冥王星，并降低研发与发射成本。此一被形容为“激进”的构想，计划向冥王星发射两艘太空船，每艘质量约35至50公斤（其中约7公斤为科学仪器），整体开发成本（不含发射费用）低于5亿美元。史塔赫尔将该方案描述为相较于Pluto 350与马里纳 Mark II计划“更快、更好且更便宜”的替代方案；此构想引起时任NASA局长丹尼尔·戈尔丁的注意，他随后下令终止Pluto 350与Mariner Mark II的相关工作，并将资源转移至冥王星-古柏带特快车。

然而，在冥王星-古柏带特快车的研发过程中，NASA、戈丁局长及任务团队陆续提出多项疑虑。随着研究持续推进，任务规模、范畴与预算逐步扩大。1993年8月火星观察者号太空船失事，亦对行星际任务相关人员的士气造成影响。艾伦·史坦事后指出，该事件是冥王星-古柏带特快车缺乏支持动能的重要因素之一。

该任务原规划使用泰坦 IV 型运载火箭发射，每枚火箭成本约为4亿美元，使整体预算上升至超过10亿美元。在预算压力持续增加的情况下，双太空船方案被取消，改为仅发射一艘太空船；然而，在戈丁局长眼中，该计划仍被认为成本过高。作为折衷方案，艾伦·史坦与莫斯科俄罗斯太空研究所的科学家达成协议，提议以Proton发射冥王星快速飞掠任务，借此为 NASA 节省超过4亿美元的发射成本。依协议内容，俄方将加入一具大气探测器，在利用质谱仪分析冥王星大气后撞击其表面。该提案随后提交予戈丁局长，但遭否决；他建议喷射推进实验室改为评估使用较小型运载火箭（如德尔塔II型运载火箭）执行任务的可行性。

### 柯伊伯带、Pluto Kuiper Express 与任务取消

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1990年代后期，天文学家发现多颗海王星外天体，证实柯伊伯带的存在，并引发对相关探测任务的高度关注。NASA随后指示喷射推进实验室调整任务目标，使其除冥王星飞掠外，亦纳入对一颗柯伊伯带的飞掠观测。该任务在短暂以“Pluto Express”为名后，正式更名为Pluto Kuiper Express。随着任务扩充，太空船质量提高至约175公斤，NASA 亦放宽了对该计划的预算限制。

其后，戈丁局长认定 Pluto Kuiper Express 的任务优先级偏低，并大幅削减相关经费。最终，尽管科学仪器已完成选定，且多位研究主持人亦已获任命，时任科学任务理事会负责人爱德华·J·韦勒仍于2000年下令取消整体冥王星与柯伊伯带探测计划，理由为自1992年立项以来持续升高的预算压力。任务取消时，其预估成本已超过10亿美元。

Pluto Kuiper Express 的取消引发部分行星科学界的不满，促使行星学会等团体向 NASA 施压，要求重启该计划或重新规划冥王星探测任务。NASA 内部亦出现支持冥王星任务的声音，包括其科学顾问委员会在内。为回应相关反弹，NASA 决定设立一个新的任务级别，介于高预算的旗舰计划与低预算的发现计划之间，为如 Pluto Kuiper Express 这类因成本过高而不适用于发现计划的任务提供替代方案。随后举行任务竞赛，由 NASA 选定一项构想，作为新前沿计划的首个任务并予以资助。

### 拟议的探测任务（2003 年）

2003年，一项冥王星轨道器／登陆器／样本返回任务构想被提出。该计划包含自地球至冥王星为期12年的飞行、轨道测绘、多次登陆作业、一具温水探测器，以及可能的原位推进剂生产，以支援再历时12年的样本返回地球任务。其动力与推进系统规划采用双模式 MITEE 核反应炉。

## 新视野号

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在历经激烈的政治角力后，修订后的冥王星探测任务“新视野号”于 2003 年获得美国政府拨款支持。“新视野号”于2006年1月19日成功发射。任务首席科学家S·艾伦·史坦证实，部分于1997年逝世的冥王星发现者克莱德·汤博的骨灰被安置于该太空船之上。

新视野号于2006年9月下旬进行长程侦察成像仪测试时，首次拍摄到远距离的冥王星影像。这些影像摄于距离约 42 亿公里之外，证实探测器具备追踪极远天体的能力，对于后续飞往冥王星及其他柯伊伯带天体的导航作业至关重要。2007 年初，探测器透过重力辅助，在飞掠木星时获得额外速度。

2015年2月4日，NASA 公布了由逐步接近冥王星的探测器所拍摄的新影像。当时，新视野号 与冥王星的距离仍超过203,000,000km，所取得的影像已可辨识冥王星本体及其最大卫星冥卫一。2015年3月20日，NASA邀请大众为即将在冥王星与冥卫一上辨识出的地表特征提供命名建议。2015su064月15日，进一步取得的影像显示冥王星可能存在极冠。自 2015年4月至6月期间，新视野号回传的冥王星影像分辨率已超越哈伯太空望远镜。

冥王星的多颗小型卫星于探测器发射前后不久被发现，并被认为可能对任务构成潜在风险。这些卫星与其他柯伊伯带天体发生碰撞后，可能形成稀薄的尘埃环；若探测器穿越此类环系统，将增加遭微流星体撞击而导致关键设备受损的风险。

新视野号于2015年7月14日在历经 3,462 天横越太阳系的航行后，完成对冥王星的最近接近。科学观测自最近接近前约五个月开始，并在飞掠后至少持续一个月。探测器搭载一组遥测仪器，包括成像设备、无线电科学实验工具，以及多种光谱仪与其他实验装置，用以描绘冥王星及其卫星冥卫一的整体地质与形态特征、分析表面成分分布，并研究冥王星的中性大气结构及其逸散速率，同时取得高分辨率的表面影像。

2015年7月14日，于最近接近后约15分钟、距离冥王星约18,000公里时拍摄的影像，于2015年9月13日传回地球，呈现冥王星接近日落时的景象，清楚显示其地表细节与高层大气雾霾。

## 未来任务构想

目前尚未正式规划任何新视野号的后续任务，但至少已有两项任务构想完成初步研究。2017年4月，一场研讨会于休士顿召开，讨论后续探测任务的可能方向。与会者提出的潜在目标包括：以每像素约30英尺的分辨率绘制冥王星地表、观测其较小的卫星、研究冥王星因自转所产生的变化，以及对因自转轴倾角而长期处于黑暗中的区域进行地形测绘。其中，最后一项目标可透过红外线激光脉冲技术达成。根据新视野号首席研究员阿兰·斯特恩的说法：“若能发射一艘轨道器，便可绘制整颗行星 100% 的地图，甚至涵盖完全处于阴影中的地形。” 史坦与大卫·格林斯彭亦指出，轨道器任务可进一步搜寻新视野号数据所暗示的冥王星地下海洋证据。

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在新视野号完成飞掠任务后不久，史坦曾提出以冥卫一登陆器作为后续任务，借由自冥卫一表面观测冥王星。然而，由于冥王星与冥卫一处于潮汐锁定状态，此类登陆器仅能观测面向冥卫一的一侧半球。自休士顿研讨会后，史坦转而主张采用类似卡西尼号的轨道器构想，利用冥卫一的重力协助调整轨道，同时对冥王星及其卫星进行研究。该探测器可采用类似NASA曙光号任务的电推进系统，并在完成冥王星相关科学目标后，借助冥卫一的重力离开冥王星系统，进一步探测冥王星之外的柯伊伯带天体。史坦构想该探测器可于2030年发射，以纪念冥王星发现100周年，并于约7至8年后抵达冥王星系统。

### 融合动力冥王星轨道器与登陆器

“融合动力冥王星轨道器与登陆器”为一项于2017年完成第一阶段研究的任务概念，由NASA创新先进概念计划资助。该研究由普林斯顿卫星系统公司（Princeton Satellite Systems, Inc.）首席研究员 Stephanie Thomas 撰写，提出一项利用直接融合推进（DFD）的冥王星探测任务构想。此构想主张以融合反应炉作为推进来源，在约四年内（速度为新视野号的两倍以上），将一艘质量约1,000公斤的轨道器与登陆器送达冥王星系统。

### Pluto Hop、Skip和Jump

全球航太公司于2017年在科罗拉多州丹佛举行的NASA 创新先进概念计划研讨会中，提出一项名为“Pluto Hop、Skip和Jump”的冥王星登陆器构想。

该构想描述一种进入器（entrycraft），在进入冥王星时，利用其稀薄但高度延展的大气所产生的阻力进行减速。登陆冥王星表面后，该载具将利用冥王星极低的重力，透过推进系统在不同地点之间“跳跃”移动。此概念与 NASA 为探索海王星最大卫星海卫一所提出的特里同跳跃者构想相似。

### Persephone

2020年，另一项提交予 NASA 的任务提案为一艘冥王星—冥卫一系统的轨道探测器，命名为“Persephone”。

该探测器将由5具放射性同位素热电产生器供电，搭载多部高分辨率相机，并于冥王星—冥卫一系统中执行为期约3年的环绕任务。其主要科学目标之一为确认冥王星是否存在地下海洋，任务预估成本约为30亿美元。