冥王星探測

冥王星探測是指人類向冥王星發射太空探測器，以研究其物理特性、表面結構與周邊環境。對冥王星的首次近距離探測發生於2015年7月，當時新視野號探測器完成飛掠任務；儘管如此，相關任務構想早在數十年前即已提出並進行研究。

截至目前，尚無確定的後續冥王星探測任務獲得核准，但已有多項軌道器與登陸器等任務概念完成初步研究。

## 早期任務提案

冥王星於1930年由克萊德·湯博發現，長期以來被視為行星科學中極具吸引力的研究目標；然而，由於其質量較小且與地球距離極為遙遠，使得相關探測任務在技術與資源配置上面臨重大挑戰。

1964年，噴氣推進實驗室工程師蓋瑞·弗蘭德羅提出名為大巡航計畫的任務構想，利用1970年代末外太陽系行星排列的有利條件，使單一太空船得以透過重力輔助依序造訪多顆外行星，包括冥王星。

由於預估成本過高，該計畫最終未獲得資助；不過，此一行星排列條件後來仍被1977年發射的航海家計畫兩艘探測器所利用。

1980年完成對土星的行星飛越後，航海家一號曾被評估是否可利用土星進行重力助推，於1986年3月前後飛掠冥王星。

然而，科學團隊最終認為在探測土星期間對土衛六進行近距離飛掠具有更高的科學價值；由於此操作將使探測器軌道偏離黃道，後續飛掠冥王星遂變得不可行。在此之後，由於未有任何太空機構正式規劃冥王星探測任務，該天體在往後多年中仍未受到行星際探測器的造訪。

隨著航海家計畫的成功，行星科學界逐漸將冥王星視為下一個潛在的探測目標。1980年代，羅伯特·W·法奎爾提出將冥王星任務納入當時規劃中的派克太陽探測器計畫，構想中太空船將在前往近太陽觀測途中飛掠木星，並藉此調整軌道前往冥王星，該構想被暱稱為「Fire and Ice」。然而，此提案最終未獲得採納。

### 冥王星地下組織、Pluto 350 與Mariner Mark II

1989年5月，包括阿蘭·斯特恩與 Fran Bagenal 在內的一群科學家與工程師組成名為「冥王星地下組織」（Pluto Underground）的聯盟。其名稱源自對「火星地下組織」的致敬；後者曾成功遊說重啟在維京計畫之後一度中斷的火星探測任務。冥王星地下組織透過發起寫信倡議行動，試圖提升外界對冥王星作為行星探測目標之可行性的關注。

1990年，在包含冥王星地下組織成員在內的科學界壓力下，NASA 工程師開始研究多項冥王星探測任務概念。當時普遍認為，冥王星大氣可能在冬季凍結並沉降至地表，因此探測器須在此現象發生前抵達冥王星。最早期的構想之一，是一艘質量約40公斤、可在五至六年內抵達冥王星的輕量化太空船；然而，由於科學儀器難以微型化至可行尺寸，該構想很快被放棄。

另一項重要任務構想為「Pluto 350」，由戈達德太空飛行中心的羅伯特·W·法奎爾與冥王星地下組織成員艾倫·史坦及 Fran Bagenal 共同提出，後兩者亦擔任該研究計畫的科學顧問。Pluto 350的目標是向冥王星發射一艘質量約350公斤的太空船。

該計畫採取極簡化設計，以提升飛行速度並降低整體成本，與NASA當時多數高預算任務（如伽利略號與卡西尼－惠更斯號）形成對比。然而，Pluto 350 在 NASA 任務規劃人員之間引發爭議，部分人士認為其規模過小且風險過高。法奎爾團隊亦對其成本效益表示保留，指出由於冥王星已通過近日點，在發射時程尚未確定的情況下，完成任務所需的飛行時間將大幅增加。此外，冥王星自轉軸約118度的傾角，意味著其南半球將於冬季進入長達數十年的黑暗期，屆時將不利於成像觀測。

除Pluto 350外，另一項曾被評估的替代方案，是發射一組馬里納 Mark II太空船，其質量約2,000公斤，估計成本高達32億美元，與Pluto 350約5.43億美元的預估成本形成鮮明對比。在兩項計畫競逐核准期間，Pluto 350 因符合 NASA 當時逐步轉向的小型、低成本任務模式（如火星探路者與會合-舒梅克號）。

### 冥王星郵票

多年來，人們一直揮舞著那枚郵票，彷彿把它當成一種號召行動的象徵性圖像：「尚未探索」。那枚郵票當時已出現在無數簡報中，我知道若能讓它與任務一同實現，將會讓許多人感到欣慰。

1991年10月，美國郵政署發行一套紀念NASA太陽系探測成就的郵票。該系列為太陽系各行星分別設計郵票，呈現行星影像並標示曾造訪該天體的太空探測器；其中冥王星郵票僅描繪一顆無明顯表面特徵的球體，並以「尚未探索」（not yet explored）字樣取代探測器名稱。該套郵票於噴氣推進實驗室舉行的儀式中正式發表。

出席該活動的兩位科學家世界太空基金會主席羅伯特·史塔赫爾（Robert Staehle）與噴氣推進實驗室科學家史泰西·溫斯坦（Stacy Weinstein）受到郵票上冥王星「尚未探索」狀態的啟發，開始探討向冥王星發射探測器的可行性。隨後，噴氣推進實驗室的工程師亦受到影響，開始提出多項冥王星探測任務構想。

1992年8月，史塔赫爾致電冥王星發現者克萊德·湯博，表達對造訪該天體的構想。湯博其後回憶道，他回應稱冥王星「歡迎來訪」，但也幽默地補充，這將是一趟「漫長而寒冷的旅程」。

### 冥王星-古柏帶特快車

同年，史塔赫爾在噴氣推進實驗室工程師與加州理工學院學生的協助下，成立冥王星-古柏帶特快車。該任務延續Pluto 350概念的核心理念，即透過小型、低成本的太空船設計，使探測器能更快速抵達冥王星，並降低研發與發射成本。此一被形容為「激進」的構想，計畫向冥王星發射兩艘太空船，每艘質量約35至50公斤（其中約7公斤為科學儀器），整體開發成本（不含發射費用）低於5億美元。史塔赫爾將該方案描述為相較於Pluto 350與馬里納 Mark II計畫「更快、更好且更便宜」的替代方案；此構想引起時任NASA局長丹尼爾·戈爾丁的注意，他隨後下令終止Pluto 350與Mariner Mark II的相關工作，並將資源轉移至冥王星-古柏帶特快車。

然而，在冥王星-古柏帶特快車的研發過程中，NASA、戈丁局長及任務團隊陸續提出多項疑慮。隨著研究持續推進，任務規模、範疇與預算逐步擴大。1993年8月火星觀察者號太空船失事，亦對行星際任務相關人員的士氣造成影響。艾倫·史坦事後指出，該事件是冥王星-古柏帶特快車缺乏支持動能的重要因素之一。

該任務原規劃使用泰坦 IV 型運載火箭發射，每枚火箭成本約為4億美元，使整體預算上升至超過10億美元。在預算壓力持續增加的情況下，雙太空船方案被取消，改為僅發射一艘太空船；然而，在戈丁局長眼中，該計畫仍被認為成本過高。作為折衷方案，艾倫·史坦與莫斯科俄羅斯太空研究所的科學家達成協議，提議以Proton發射冥王星快速飛掠任務，藉此為 NASA 節省超過4億美元的發射成本。依協議內容，俄方將加入一具大氣探測器，在利用質譜儀分析冥王星大氣後撞擊其表面。該提案隨後提交予戈丁局長，但遭否決；他建議噴射推進實驗室改為評估使用較小型運載火箭（如德爾塔II型運載火箭）執行任務的可行性。

### 柯伊伯帶、Pluto Kuiper Express 與任務取消

1990年代後期，天文學家發現多顆海王星外天體，證實柯伊伯帶的存在，並引發對相關探測任務的高度關注。NASA隨後指示噴射推進實驗室調整任務目標，使其除冥王星飛掠外，亦納入對一顆柯伊伯帶的飛掠觀測。該任務在短暫以「Pluto Express」為名後，正式更名為Pluto Kuiper Express。隨著任務擴充，太空船質量提高至約175公斤，NASA 亦放寬了對該計畫的預算限制。

其後，戈丁局長認定 Pluto Kuiper Express 的任務優先順序偏低，並大幅削減相關經費。最終，儘管科學儀器已完成選定，且多位研究主持人亦已獲任命，時任科學任務理事會負責人愛德華·J·韋勒仍於2000年下令取消整體冥王星與柯伊伯帶探測計畫，理由為自1992年立項以來持續升高的預算壓力。任務取消時，其預估成本已超過10億美元。

Pluto Kuiper Express 的取消引發部分行星科學界的不滿，促使行星學會等團體向 NASA 施壓，要求重啟該計畫或重新規劃冥王星探測任務。NASA 內部亦出現支持冥王星任務的聲音，包括其科學顧問委員會在內。為回應相關反彈，NASA 決定設立一個新的任務級別，介於高預算的旗艦計畫與低預算的發現計畫之間，為如 Pluto Kuiper Express 這類因成本過高而不適用於發現計畫的任務提供替代方案。隨後舉行任務競賽，由 NASA 選定一項構想，作為新前沿計畫的首個任務並予以資助。

### 擬議的探測任務（2003 年）

2003年，一項冥王星軌道器／登陸器／樣本返回任務構想被提出。該計畫包含自地球至冥王星為期12年的飛行、軌道測繪、多次登陸作業、一具溫水探測器，以及可能的原位推進劑生產，以支援再歷時12年的樣本返回地球任務。其動力與推進系統規劃採用雙模式 MITEE 核反應爐。

## 新視野號

在歷經激烈的政治角力後，修訂後的冥王星探測任務「新視野號」於 2003 年獲得美國政府撥款支持。「新視野號」於2006年1月19日成功發射。任務首席科學家S·艾倫·史坦證實，部分於1997年逝世的冥王星發現者克萊德·湯博的骨灰被安置於該太空船之上。

新視野號於2006年9月下旬進行長程偵察成像儀測試時，首次拍攝到遠距離的冥王星影像。這些影像攝於距離約 42 億公里之外，證實探測器具備追蹤極遠天體的能力，對於後續飛往冥王星及其他柯伊伯帶天體的導航作業至關重要。2007 年初，探測器透過重力輔助，在飛掠木星時獲得額外速度。

2015年2月4日，NASA 公布了由逐步接近冥王星的探測器所拍攝的新影像。當時，新視野號 與冥王星的距離仍超過203,000,000km，所取得的影像已可辨識冥王星本體及其最大衛星冥衛一。2015年3月20日，NASA邀請大眾為即將在冥王星與冥衛一上辨識出的地表特徵提供命名建議。2015su064月15日，進一步取得的影像顯示冥王星可能存在極冠。自 2015年4月至6月期間，新視野號回傳的冥王星影像解析度已超越哈伯太空望遠鏡。

冥王星的多顆小型衛星於探測器發射前後不久被發現，並被認為可能對任務構成潛在風險。這些衛星與其他柯伊伯帶天體發生碰撞後，可能形成稀薄的塵埃環；若探測器穿越此類環系統，將增加遭微流星體撞擊而導致關鍵設備受損的風險。

新視野號於2015年7月14日在歷經 3,462 天橫越太陽系的航行後，完成對冥王星的最近接近。科學觀測自最近接近前約五個月開始，並在飛掠後至少持續一個月。探測器搭載一組遙測儀器，包括成像設備、無線電科學實驗工具，以及多種光譜儀與其他實驗裝置，用以描繪冥王星及其衛星冥衛一的整體地質與形態特徵、分析表面成分分布，並研究冥王星的中性大氣結構及其逸散速率，同時取得高解析度的表面影像。

2015年7月14日，於最近接近後約15分鐘、距離冥王星約18,000公里時拍攝的影像，於2015年9月13日傳回地球，呈現冥王星接近日落時的景象，清楚顯示其地表細節與高層大氣霧霾。

## 未來任務構想

目前尚未正式規劃任何新視野號的後續任務，但至少已有兩項任務構想完成初步研究。2017年4月，一場研討會於休士頓召開，討論後續探測任務的可能方向。與會者提出的潛在目標包括：以每像素約30英尺的解析度繪製冥王星地表、觀測其較小的衛星、研究冥王星因自轉所產生的變化，以及對因自轉軸傾角而長期處於黑暗中的區域進行地形測繪。其中，最後一項目標可透過紅外線雷射脈衝技術達成。根據新視野號首席研究員阿蘭·斯特恩的說法：「若能發射一艘軌道器，便可繪製整顆行星 100% 的地圖，甚至涵蓋完全處於陰影中的地形。」史坦與大衛·格林斯彭亦指出，軌道器任務可進一步搜尋新視野號數據所暗示的冥王星地下海洋證據。

在新視野號完成飛掠任務後不久，史坦曾提出以冥衛一登陸器作為後續任務，藉由自冥衛一表面觀測冥王星。然而，由於冥王星與冥衛一處於潮汐鎖定狀態，此類登陸器僅能觀測面向冥衛一的一側半球。自休士頓研討會後，史坦轉而主張採用類似卡西尼號的軌道器構想，利用冥衛一的重力協助調整軌道，同時對冥王星及其衛星進行研究。該探測器可採用類似NASA曙光號任務的電推進系統，並在完成冥王星相關科學目標後，藉助冥衛一的重力離開冥王星系統，進一步探測冥王星之外的柯伊伯帶天體。史坦構想該探測器可於2030年發射，以紀念冥王星發現100週年，並於約7至8年後抵達冥王星系統。

### 融合動力冥王星軌道器與登陸器

「融合動力冥王星軌道器與登陸器」為一項於2017年完成第一階段研究的任務概念，由NASA創新先進概念計畫資助。該研究由普林斯頓衛星系統公司（Princeton Satellite Systems, Inc.）首席研究員 Stephanie Thomas 撰寫，提出一項利用直接融合推進（DFD）的冥王星探測任務構想。此構想主張以融合反應爐作為推進來源，在約四年內（速度為新視野號的兩倍以上），將一艘質量約1,000公斤的軌道器與登陸器送達冥王星系統。

### Pluto Hop、Skip和Jump

全球航太公司於2017年在科羅拉多州丹佛舉行的NASA 創新先進概念計畫研討會中，提出一項名為「Pluto Hop、Skip和Jump」的冥王星登陸器構想。

該構想描述一種進入器（entrycraft），在進入冥王星時，利用其稀薄但高度延展的大氣所產生的阻力進行減速。登陸冥王星表面後，該載具將利用冥王星極低的重力，透過推進系統在不同地點之間「跳躍」移動。此概念與 NASA 為探索海王星最大衛星海衛一所提出的特里同跳躍者構想相似。

### Persephone

2020年，另一項提交予 NASA 的任務提案為一艘冥王星—冥衛一系統的軌道探測器，命名為「Persephone」。

該探測器將由5具放射性同位素熱電產生器供電，搭載多部高解析度相機，並於冥王星—冥衛一系統中執行為期約3年的環繞任務。其主要科學目標之一為確認冥王星是否存在地下海洋，任務預估成本約為30億美元。