太阳系边际探测任务设计与关键技术

深空探测指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动。自1957年人类进入航天时代以来，已经发射了多颗深空探测器，如“先驱者10/11号”（Pioneer 10/11）、“旅行者1/2号”（Voyager 1/2）以及“新视野号”（New Horizon），在各自完成了对太阳系内不同区域的科学探测后，飞离太阳系中心，向太阳系边际以及更深远位置的恒星级空间飞行。 

太阳系边际是指位于日球层顶和终止激波构成的日球层边缘，距太阳约70～150 AU的区域。该区域代表了太阳风与星际介质相互作用的前沿地带，也是人类尚未系统探索的“无人区”，具有极远、极暗、极寒的特点，对太阳系边际进行探测具有重要的科学意义和工程挑战。科学上，太阳系边际探测能够揭示行星际空间环境、太阳系物质起源与演化、太阳风与星际介质的相互作用机理等重大科学问题；工程上，能够牵引带动深远空间能源供应、通信传输和探测器长寿命设计等尖端技术的跨越式发展。

人类对太阳系边际的现有认知通过就位探测和遥感探测两种方式建立。就位探测方面，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）分别于1972年3月和1973年4月发射了“先驱者10号”和“先驱者11号”，开展第一次日球层空间探测任务，主要致力于木星和土星的探测，拓展任务计划开展外层空间太阳系边际探测。由于能源限制，分别于2003年1月（约80 AU）和1995年9月（约43 AU）与地面无线电通信中断。“先驱者号”虽未曾直接穿越日球层顶，但其传回的科学数据揭示了太阳系边际的动态性和非均匀性，为后续任务建立了基准模型。“旅行者1号”和“旅行者2号”分别于1977年9月、1977年8月发射，实现对木星、土星、天王星和海王星的飞跃探测，在80～95 AU附近穿越日球层终止激波，在120 AU附近穿越日球层顶后进入星际空间，截至2025年6月，“旅行者1号”和“旅行者2号”距太阳分别约165 AU和140 AU。“旅行者号”极大推动了对太阳系和星际空间相互作用的理解，但由于任务设计并非针对太阳系边际探测，受限于任务末期能源供给不足、载荷配置不全（缺乏中性成分、拾起离子检测）、载荷老化精度下降、数传能力有限等问题，留下了许多悬而未决的科学问题。“新视野号”于2006年1月发射，其主要任务为首次对冥王星、冥卫一卡戎及柯伊伯带天体进行探测。截至2025年6月，“新视野号”距离太阳约60 AU，位于柯伊伯带边缘，正在以每年2.96 AU的速度向外太空飞行，预计2040年左右抵达日球层顶，由于“新视野号”未搭载磁场、宇宙线等探测载荷，预计对太阳系边际探测的科学产出有限。 

遥感探测方面，“星际边界探测器”（Interstellar Boundary EXplorer，IBEX）于2008年10月发射，该天文探测器位于地球−太阳拉格朗日点L1附近的轨道，旨在研究太阳系与星际空间交界区域的物理特性。IBEX绘制了太阳系边际的完整影像，并发现了一条位于太阳系边际的中性原子辐射带（Ribbon），如图2所示。Ribbon位于两颗“旅行者号”穿越终端激波的位置之间，“旅行者号”在穿越日球层的轨迹上并未对其进行采样。Ribbon的发现颠覆了之前的理论，对该区域来源的解释有待通过就位探测进一步深入验证。

总体而言，已有任务对太阳系边际的探测还存在以下不足：一是空间覆盖不全面，未对日球层尾部区域进行就位探测，缺乏对日球层整体结构的认知；二是关键区域缺失，“旅行者1号”和“旅行者2号”未进入中性原子彩带区，这是太阳风与星际介质相互作用的关键区域；三是载荷配置不全、数传能力有限，无法满足太阳系边际环境的探测需求。 

鉴于国际任务的不足，近年来，中国启动了太阳系边际探测任务工程论证工作，对太阳系边际探测的科学背景、关键科学问题和探测科学目标进行深入分析，旨在揭示日球层物理、太阳系演化、恒星际物理等重大科学问题。论证形成了两次发射任务，即通过一颗“鼻尖”方向探测器和一颗“尾部”方向探测器实施联合探测，以实现对太阳系边际的全面就位探测。 

本文基于前期论证成果，结合中国航天技术发展水平，于2030—2040年间搜索任务发射窗口，并完成任务规划和探测器方案设计，为太阳系边际探测工程实施方案提供设计思路。

太阳系边际基本概念

1.分析了太阳系边际探测任务的科学目标，确定通过“鼻尖”和“尾部”两次任务实现对太阳系边际的全面就位探测。

2.对任务需求作出分析并完成了轨道设计和总体任务规划。

3.出了基于1kWe级空间热管堆的深空探测器总体方案。

4.分析了太阳系边际探测亟需攻关的关键技术。

面向太阳系边际探测任务，围绕太阳系形成与演化、日球层物理、恒星际介质特性等多方面科学问题，制定了太阳系边际探测任务的科学目标；并根据任务目标，开展需求分析，提出太阳系边际探测任务初步方案设想，形成了“鼻尖”“尾部”两次探测任务总体方案。其中，两次任务均采用“长征五号”火箭发射，“鼻尖”任务飞行序列为地球-地球-木星；“尾部”任务飞行序列为地球-木星。在此基础上，围绕任务难点，重点阐述了探测器平台设计、空间核电源系统设计和科学载荷配置等关键内容，形成基于1 kWe级空间核电源的探测器设计方案，可为中国太阳系边际探测工程实施提供参考。

In this paper, targeting the solar system boundary exploration mission, the scientific objectives of the mission were formulated by addressing multiple scientific issues such as the formation and evolution of the solar system, heliospheric physics, and interstellar medium properties. Based on these objectives, a requirement analysis was conducted, a preliminary mission concept was proposed, and an overall plan for two exploration missions—the “Nose” (nose-first approach) and “Tail” (trailing approach) missions—was developed. Both missions will be launched using the Long March 5 rocket, with the “Nose” mission following a flight sequence of Earth-Earth-Jupiter and the “Tail” mission following Earth-Jupiter. Based on this framework, focusing on mission challenges, key technical aspects—including detector platform design, nuclear power system design, and scientific payload configuration—were elaborated and a detector design scheme based on a 1 kWe-class space reactor power source was proposed. This study can provide reference for the implementation of China’s solar system boundary exploration projects.

引用格式：吴伟仁, 唐玉华, 苏俊辰, 等. 太阳系边际探测任务设计与关键技术[J]. 深空探测学报(中英文）, 2025, 12(5): 453-462.

WU W R, TANG Y H, SU J C, et al. Research on the schemea and key technology of solar system boundary exploration mission[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2025, 12(5): 453-462.