美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）网站6月20日报道，NASA近期组织完成了天王星和海王星未来任务概念研究，发布《十年调查预研报告：冰巨星任务》（以下简称报告）[1]。这份长达529页的报告确定了冰巨星探测任务的科学问题，探讨了任务可采用的各类仪器、航天器、飞行路径和相关技术，并估算了任务成本。该项研究工作是为筹备下一版行星科学十年调查报告所开展的系列任务研究中的第一项，系列任务研究结果将用于确定NASA在2022-2032年间的行星科学优先任务[2]。

冰巨星是一种主要由比氢和氦重的元素（如氧、碳、氮和硫）组成的巨行星，太阳系中已知存在两颗冰巨星，即天王星和海王星。天王星探测是美国国家研究理事会（NRC）于2011年发布的行星科学10年调查报告中提出的三大旗舰计划之一。此次发布的报告强调冰巨星探测任务的重要性体现在3个方面。①与气态巨行星（木星和土星）和类地行星截然不同，人们目前对冰巨星仍知之甚少。冰巨星被认为存在巨大的超临界流体海洋，其内部结构尚属未知。②冰巨星在银河系中普遍存在。迄今发现的系外行星中，冰巨星占大多数，探索太阳系中的两颗冰巨星将有助于更好了解系外行星。③冰巨星探测将改变人类对行星形成、演化及其物理学的理解。例如，模型显示冰巨星形成的时间窗口较窄，但如果其形成需要特殊的时机，为何还能普遍存在呢？此外，冰巨星大气的能量平衡和复杂的磁场都值得深入探究。因此，冰巨星探测应成为未来短期的优先任务。

报告提出冰巨星探测的12个优先科学目标，其中最高优先级科学目标是冰巨星的形成、结构和演化（科学目标①和②）；系统科学目标涉及冰巨星系统的各个方面（科学目标③-⑫，重要性相当）。报告还认为天王星和海王星探测的科学价值相当。①约束（constrain）行星内部结构和特征，包括分层、对流和稳定区域的位置以及内部动力学；②确定行星的总体成分，包括重元素、氦及更重的稀有气体的丰度和同位素；③更好地了解行星发电机；④确定行星的大气热平衡；⑤测量行星对流层的三维流动（纬向、经向、垂直），包括风、海浪、风暴及其生命周期以及深对流活动；⑥研究行星环的结构及其随时间的变化情况；⑦探测行星周围的全部小天体；⑧确定行星环和卫星的表面成分（包括有机物），搜索卫星之间的差异、过去和当前的变化以及长期物质交换/挥发物输运的证据；⑨测绘卫星的外形和表面地质；⑩确定卫星的密度、质量分布和内部结构；⑪确定海卫一大气层的组成、密度、结构、来源、时空变化以及动力学；⑫研究太阳风-磁层-电离层之间的相互作用，约束（constrain）磁层中等离子体的输运。

报告对4个重点任务概念进行了全面分析，由JPL和宇航公司（The Aerospace Corporation）分别估算了任务总成本（见表1）。报告强调任务开发应以现有技术为主。此外，在冰巨星探测任务中有两项能起到使能或显著强化作用的新技术：用于航天器的增强型多任务放射性同位素热电发电机（eMMRTG），以及用于大气进入探测器的极端进入环境挡热板技术（HEEET）。

报告提出9项建议：①向一颗冰巨星发射一个轨道器和探测器；②轨道器携带90-150千克的载荷；③探测器至少要搭载质谱仪和大气气压、温度和密度传感器；④按计划完成eMMRTG和HEEET开发；⑤进一步研究双行星、双航天器任务概念；⑥支持地基理论和观测研究，更好地约束（constrain）穿越行星环的风险和高层大气条件；⑦进一步发展大气地震学的理论和技术；⑧加强国际合作，从而提高科学回报并降低成本；⑨NASA和欧洲空间局开展联合研究，更好地满足两家机构实施合作任务的方案需求。

表1  冰巨星探测重点任务概念及其成本分析

^*3项仪器是：窄角相机、多普勒成像仪、磁强计

^**15项仪器是：窄角相机、多普勒成像仪、磁强计、可见光-近红外测绘光谱仪、中红外光谱仪、紫外成像光谱仪、无线电波、低能等离子体、高能等离子体、热红外、高能中性原子、尘埃探测器、朗缪尔探针、微波探测仪、宽角相机

^***不包括发射火箭成本

报告认为，NASA能够以不超过20亿美元（2015财年）的成本实施一项具有较高科学价值的冰巨星探测任务，有望以不超过30亿美元的成本实现全部优先科学目标。与其他航天局开展合作可显著提高科学回报，同时降低双方成本。考虑到外太阳系任务的开发时长、最佳发射时间，以及如果是天王星任务还要考虑在最佳季节到达，建议即刻开始酝酿冰巨星任务。                                       （韩淋）