新十年即将来临，随之而来的是一系列全新的 NASA 任务构想，有些近在咫尺——比如火星——有些则远在天边。非常遥远。事实上，一些人希望能够进行机器人探索，目标是距离我们数百万甚至数十亿英里的世界。这包括天王星和海王星（我们分别在1986年和1989年访问过的行星），以及更远处的、数以百计的冰质天体，它们位于一个被称为柯伊伯带的区域。
柯伊伯带是冥王星和其他数千个大小不一的世界的家园。那里的大部分天体是由太阳系形成时的基本构成物质组成的，这些物质早已被封存在遥远的冷藏库中。访问柯伊伯带或许能揭示我们的行星及其邻居是如何形成的、为什么这里的水如此丰富，以及其他未解之谜。
天王星和海王星本身也相当神秘。随着我们对其他行星系统了解的加深，我们发现大多数行星都不是像木星那样巨大，也不是像地球那样渺小——其中相当一部分倾向于天王星和海王星的大小，“冰巨星”之所以得名，是因为它们云层深处存在着奇特的固态水冰。探索天王星和海王星不仅有助于我们理解太阳系内的行星——还可能帮助我们理解围绕附近外星恒星运行的行星。
但其中许多任务都取决于时间。NASA 即将进行的十年规划——届时该机构将为2020年代和2030年代的太空探测设定基调——可能会让这些遥远探索计划的命运发生改变。
十年规划如何进行
从2020年开始，美国国家科学院的一个小组（将包括航天界的一些利益相关者）将召集会议，列出优先探测目标。科学家们通过撰写称为“白皮书”的建议书来参与其中。
在这些建议中，将就最高优先级的目标达成普遍共识。这些目标将作为中等规模“新视野”任务（“新视野号”和木星上的“朱诺号”探测器都属于此类）的提案指南。NASA 首先会发布任务提案征集，然后逐步将它们缩小到一到两个最终入围者。一旦入围者获得批准，其团队就可以开始规划和建造——这通常需要数年时间。
这可能会使任务难以在探索天王星或海王星的实际窗口期内完成，同时还要命中一个柯伊伯带天体。这就是为什么时机如此关键。
一次冰巨星之旅
有一个小组一直在为一项天王星/海王星双重任务进行论证。他们最新的 版本 包括一次飞越天王星和一次绕海王星的轨道探测。该项目由 Mark Hofstadter 和 Amy Simon 领导，目标是观察天王星与“旅行者2号”1986年看到的不同的侧面，并研究海王星及其最大的卫星海卫一。海卫一的轨道是逆行的，这可能是因为它曾经是最大的柯伊伯带天体——在海王星将其吸入引力范围并驱逐了许多该行星的原始卫星之前。
Simon 表示，这些任务需要在15年的寿命内完成，包括往返时间和探索时间。这是因为零部件在太空中的相对可靠寿命。虽然航天器有时会超出其预期寿命，但15年是确保任务能够以大约满负荷能力实现其科学目标的最短时间。但是，如何才能让旅途不至于占用过多的实际探索时间呢？加速航天器的一种方法是利用行星的引力来增加速度。
“通常情况下，你需要借助行星飞掠才能在12年内到达那里，而且我们通常会包含地球和金星的飞掠，”Simon 说。在这些情况下，你会进入行星的引力井，希望获得弹弓效应，在消耗最少燃料的情况下进一步加速你的航天器。“最好的情况还会利用木星，因为它质量最大，可以极大地加速航天器。”
例如，“新视野号”就利用了木星的加速飞到了冥王星。“卡西尼号”在从地球发射后，利用了**四次**独立的飞掠加速到达土星，两次从金星获得助力，再次掠过地球以获得更多速度，最后又从木星获得一次助推。
Simon 表示，要争取足够的时间到达天王星，你可以利用一次土星飞掠，这需要在2024年至2028年之间进行，以便在气态巨行星29年的轨道周期的正确位置捕获它。按照NASA的标准，这需要相当快的反应速度——任务通常需要十年规划才能发射，尽管有些任务（包括“新视野号”）从规划到建造再到发射只用了五年——所以我们可能会瞄准下一个窗口期，也就是2029年至2032年之间的木星飞掠，这将为一次海王星任务提供绝佳的弹弓效应。下一次机会要等到十年以后。
一次天王星任务可以使用常规燃料和运载工具来快速完成这些弹弓加速——无论是 Atlas V 火箭还是 Delta IV Heavy，Simon 说道。但由于海王星更遥远，而且精确的轨迹并非最理想，因此前往该行星的任务将更依赖于太空发射系统（Space Launch System），这是NASA下一代重型火箭（但尚未进行实际飞行）。如果它不能及时就绪，我们就必须依赖另一种下一代技术：太阳能电推进，它利用太阳能点燃电离气体来加速航天器。到目前为止，它仅在“黎明号”探测器访问灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）以及两次小型小行星任务中使用过。
“即使在使用太阳能电推进的情况下，你仍然需要化学发动机，以备太阳能不足时使用，也用于制动和进入轨道，”Simon 说。
所以时间确实有点紧。但如果我们执行得足够迅速，这两项任务可以服务于另一个目的：到达未探索的柯伊伯带世界。
巨大的未知
另一篇 论文，由“新视野号”团队的三名成员撰写，探讨了在成功访问冥王星后返回柯伊伯带的可能性。“我们看到了其中的趣味，并想知道外面还有什么，”西南研究所（SWRI）的首席工程师兼该论文的合著者 Tiffany Finley 说，该论文将发表在《航天器和火箭杂志》（Journal of Spacecraft and Rockets）上。
柯伊伯带包含太阳系形成的冰质遗迹，其中的天体由各种令人眼花缭乱的不同材料组成。例如，冥王星的直径比阋神星（Eris，它导致冥王星失去了行星地位）略大。但冥王星主要由冰组成，因此质量要小得多。阋神星含有大量岩石，密度更高。那里的一些世界似乎含有大量的甲烷，而另一些则含有大量的氨。这有点像一个矮行星的旧货市场，里面有我们早期历史的碎片和宝物，这些是理解我们的行星是如何形成的——以及其他行星系统可能与我们自己的行星相似或不相似的关键。
该团队设置了严格的限制：他们给予任务25年的寿命，并调查了45个最亮的柯伊伯带天体，并与各种行星飞掠方案进行了比较。不出所料，木星打开了列表中大部分的目标。但木星的窗口每12年才出现一次，这仍然使任务具有时间依赖性。简单的土星飞掠也能提供一个相当不错的柯伊伯带目标列表。
但当你将这些世界与天王星或海王星结合起来时，你就有机会一次性发现我们神秘的最外层行星的一些新事物，以及一些相当理想的外部矮行星。
到达这些世界需要弹弓效应，首先从木星，然后从另一个行星。这些行星中的每一个都将在2030年代的一个狭窄窗口期内与木星对齐，并整齐地划分在该十年的特定部分。例如，要前往海王星轨道上的世界列表，你需要进入2030年代初的木星，而通过天王星前往柯伊伯带则需要2030年代中期的时机。木星和土星将在2030年代后期恰好排列，提供一个前往柯伊伯带的弹弓效应。
目标列表提供了诱人的机会。瓦鲁纳（Varuna），一个因快速旋转而导致扁长形状的世界，是木星-天王星飞掠的理想目的地。如前所述，海王星为阋神星提供了机会。一次木星-土星任务可以访问赛德娜（Sedna），这是一个遥远的矮行星，其轨道可能指向一颗尚未发现的第十颗行星。木星-土星任务可以顺道拜访最令人兴奋的矮行星之一：妊神星（Haumea）。
与瓦鲁纳一样，妊神星比大多数大型柯伊伯带矮行星更呈蛋形或椭圆形，而大多数大型柯伊伯带矮行星倾向于呈圆形。但妊神星之所以变成这样，很可能是由于一次古代碰撞，它产生了两个卫星、一个环系统以及一串拖在后面的碎片。当小行星具有相同的成分时，它们被称为“碰撞家族”。妊神星产生了柯伊伯带中唯一已知的碰撞家族。
“妊神星绝对是最酷的，”Zangari 说。“每个人都想去妊神星。”
然而，无论我们最终去哪里，时间可能都有限。所以，如果我们想看到妊神星的行星环，甚至赛德娜那种红色、陌生的色调，我们就必须尽快开始工作。那些世界，那些我们太阳系的构建模块，是如此微小，以至于只有一种方法可以深入了解它们：我们必须真正去那里。
