未來探索土衛六泰坦最有效的方式

　　撰文：老獵人

　　來源：NASA中文，經授權轉載

　　

　　卡西尼號航天器首次飛掠土衛六泰坦時的影像，拍攝於2004年10月26日。

　　泰坦的大氣層稠密且二氧化碳含量很高，數十年來，它一直是科學家們感興趣的課題。隨著2004年卡西尼-惠更斯任務 （Cassini-Huygens mission）成功開啟對土星及其衛星系統的探索，許多提案被擺上議程，以進一步探索泰坦和其更深處的甲烷海。

　　

　　新式的八葉無人機（又名「蜻蜓」）將成為未來數十年內探索土星衛星泰坦的理想之選。

　　許多新穎大膽的想法隨著這次挑戰應運而生，包括熱氣球、登陸車、浮式無人機和潛水艇。然而其中要數NASA約翰斯霍普金斯大學應用物理實驗室（JHUAPL）研究人員的提案最具挑戰性——他們提議啟用「蜻蜓」無人機。這種八葉的無人機可以垂直起降（VTOL），因此在未來的數十年內，可以由它來探索泰坦的大氣和表面。

　　這一任務概念由任職於NASA的約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（JHUAPL）的行星科學家Elizabeth Turtle領導的科學小組提出。早在今年二月，這一概念就在美國宇航局華盛頓本部舉行的「行星科學視界2050工作室」活動中被提出。在三月末， 這一概念又在德克薩斯州Woodlands舉行的第48屆月球與行星科學大會上被再次介紹。

　　

　　NASA的卡西尼飛船的鏡頭對準了土星最大衛星的暗面，並觀察到太陽光透過泰坦大氣邊緣時散射形成的有色環。（來源：NASA/噴氣推進實驗室Caltech-加州理工學院 /空間科學研究所）

　　據Turtle發給Universe Today的郵件中所述，這一任務適時且必要。它不僅建立在近期機器人探測器的發展上（比如好奇號火星車和卡西尼號航天器），而且在泰坦上科研的機遇無處不在。

　　她如是說：「泰坦是個獨特的海洋世界，在它的大氣中和表面進行著豐富又複雜的有機化學反應。這兩個條件讓泰坦成為極好的研究行星適居性的目標。生命演化的一大問題就是化學作用是如何導致（推進）生物進程的。泰坦已經進行了幾百萬年的前生命期化學實驗(Prebiotic Chemistry)，這一時間尺度是無法在實驗室中還原的。同時這些實驗的成果正等著我們去收集。」

　　這一提議部分基於之前的"十年研究"，比如競爭策略工作組（CSWG）對於外太陽系的前生命期化學進程的研究。研究強調一個移動的飛行器（例如：飛船或熱氣球）較為適合探索泰坦，因為泰坦是目前所知的除地球外的唯一一個有稠密、富含氮氣的大氣的天體，而且它的重力僅為地球的 1 /7。

　　使用熱氣球和飛船無法研究泰坦的甲烷湖，而這恰是研究前生命期化學進程的重要一環。此外，移動的飛行器無法像火星車（精神號、機遇號、好奇號）那樣在天體表面就地進行化學分析。

　　

　　藝術概念圖：泰坦上的「子機」直升機和其「母機」熱氣球。

　　因此Turtle和她的同事開始尋找在空中和表面均可開展工作的方案。這便是「蜻蜓」概念的起源。

　　「我們考慮了幾種不同的進行泰坦空中探索的方案（直升機、各種熱氣球、飛機），」Turtle說，「近年來，多旋翼飛行器的發展使「蜻蜓」可以搭載多個旋翼，因此著陸器可以獲得足夠的空中機動性。由於「蜻蜓」將要進行每次數十公里、整個任務中長達數百公里的長距離飛行，它將在數個地質歷史迥異的地點開展測量。」

　　這次任務也與許多其他的概念一致。這些概念是由Turtle和她的同事們，包括 Ralph Lorenz（同樣來自JHUAPL）、來自戈達德航天飛行中心 的 Melissa Trainer和來自愛達荷大學的Jason Barnes經過幾年的研究后提出的。他們過去曾提出過一個結合了熱氣球和探路者型著陸器的任務方案。其中氣球用於探測泰坦的低海拔區域，而著陸器則用於近距離探測其表面。

　　在第四十八屆月球與行星科學大會前，他們就已經正式提出了「蜻蜓」 這一概念，即用一個四軸飛行器同時在空中和表面進行研究。他們認為這種四翼飛行器可以適應泰坦的濃厚大氣和低引力，從而獲得樣本並在各種地質環境下探測表面的地質組成。

　　

　　藝術概念圖：蜻蜓在泰坦上執行任務。（來源：APL/Michael Carroll）

　　在最近一次試驗中，「蜻蜓」裝配了八個旋翼（四個角上每個都裝有兩個）以保持飛行狀態。與「好奇號」和即將發射的2020火星車一樣，「蜻蜓」將通過一個多任務放射性同位素熱電發生器（MMRTG）發電。這一系統利用鈈－238衰變時產生的熱量來發電，其能量足夠使一個探測器工作數年。

　　據Turtle說，這一設計將為科學家們研究泰坦環境提供一個理想的現場平台：「『蜻蜓』可以分析不同表面物質的組成，繼而揭示在不同環境下有機化學將演變到何種程度。如果泰坦上有生命跡象，測量數據還將有助於尋找水基生命（類似於地球上的生命）或碳基生命的化學特徵。「蜻蜓」還會研究泰坦的大氣、表面及以下部分來幫助我們理解其目前的地質活動、物質輸運和表面與內部海洋交換有機物質的可能性。」

　　這一概念融合了多項技術進步，包括新的電子控制技術和商用無人機（UAV）設計的進化。此外，「蜻蜓」放棄了化學動力制動火箭，並可以在飛行期間充電，因此其壽命可能更長。

　　

　　藝術概念圖：在泰坦表面，眺望甲烷海。（來源：NASA）

　　現在時機已經成熟，」Turtle說， 「因為我們吸取了Cassini-Huygens（卡西尼-惠更斯） 任務中的經驗，它將指導我們開展泰坦探索。」

　　目前，NASA的噴氣推進實驗室正在開發一個相似的機械。被稱為火星直升機「偵察兵」的無人機預計將於2020年發射並登陸火星。屆時它將採用同軸反轉螺旋槳的設計，以在火星稀薄的大氣中提供最佳的推力重量比。

　　在未來的數十年中，這種VTOL平台將成為長期探索有大氣的天體的中流砥柱。在火星與泰坦之間，無人機能夠在不同區域間穿梭，以獲取樣本並就地進行分析。結合地表的研究和不同海拔大氣數據，它將幫助我們更了解行星。