蜻蜓計劃向NASA提出新的「泰坦之旅」

驚奇 08-26

在上世紀70年代末和80年代初，科學家首次詳細研究了土星最大的衛星泰坦。多虧了先鋒11號探測器，然後是旅行者1號和2號任務，地球上的人們接受了這個神秘的月球的圖像和解讀。這些揭示的是一顆冰冷的衛星，但卻有稠密而富含氮的大氣層。

也多虧了「卡西尼-惠更斯號」(cassini - huygens)的任務，它在2004年7月到達了泰坦，並將於2017年9月15日結束它的使命，這個月球的奧秘只會不斷加深。因此NASA希望在不久的將來派遣更多的探測器，就像蜻蜓概念。這是約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(JHUAPL)的工作，他們剛剛提交了一份官方提案。

「蜻蜓」的概念圖，將被部署到泰坦上並開始了它的探索任務。蜻蜓將降落在土星的衛星泰坦表面，然後從一個點飛到月球表面，然後定居下來進行調查和充電。圖片版權：APL/Michael Carroll

從本質上講蜻蜓將是一個新的前沿任務，它將使用一個雙象限的設置來四處走動。這將使垂直起飛和降落(VTOL)，確保車輛能夠探測泰坦的大氣層，並在表面進行科學研究。當然它也會調查泰坦的甲烷湖，看看它們內部發生了什麼化學反應。

卡西尼號宇宙飛船拍攝的泰坦大氣的圖像。圖片版權：NASA/JPL/Space Science Institute

更重要的是之前的研究表明，月球上覆蓋著豐富的有機物質，它們正在經歷化學過程，這些物質可能與數十億年前地球上發生的類似。正因為如此科學家們已經把泰坦看作是一個行星實驗室，在那裡可能導致地球上生命的化學反應可以被研究。

泰坦在水冰主導的海洋世界表面提供了豐富的複雜有機物，使其成為研究生物化學的理想目的地，並記錄地外環境的可居性。由於泰坦的大氣層在許多波長上遮蔽了表面，所以我們對構成表面的材料和它們如何處理的信息有限。通過在多個地點進行詳細的表面成分測量，蜻蜓將揭示出表面是由什麼構成的，以及在提供已知生命關鍵成分的環境中，生物化學的進展有多遠，識別出可用的化學物質，並在工作過程中產生與生物相關的化合物。

此外蜻蜓也會使用遙感觀測來描述著陸地點的地質特徵。除了為樣本提供環境外，它還將允許進行地震研究，以確定土衛六的結構和地下活動的存在。最後但並非最不重要的是，蜻蜓將使用氣象感測器和遙感儀器來收集地球大氣和表面狀況的信息。

空中飛行器的原位和空中的泰坦偵察(AVIATR)是泰坦的另一個概念。圖片版權：Mike Malaska

雖然已經提出了許多關於泰坦機器人探索者任務的建議，但其中大部分都是以空中平台或組合氣球和著陸器的形式出現的。由賈森·巴恩斯(Jason Barnes)和來自愛達荷大學(University of Idaho)的一組研究人員在過去提出的一項建議，即原位和機載泰坦偵察(AVIATR)的空中交通工具是前者的一個例子。

在後一類有像泰坦土星系統任務(TSSM)這樣的概念，這個概念是由歐洲航天局(ESA)和NASA共同開發的。作為一個外行星的旗艦任務概念，TSSM的設計由三個要素組成——美國宇航局的軌道飛行器，一個由esa設計的著陸器，探索泰坦的湖泊以及一個esa設計的Montgolfiere氣球來探索它的大氣層。

蜻蜓和其他概念的區別在於它能以單一平台進行空中和地面研究。「蜻蜓」將是一個實地任務，對泰坦表面的組成和條件進行詳細的測量，以了解這個獨特的有機海洋世界的可居住性。我們提出利用泰坦的密集的旋翼飛機平靜的大氣和低重力(這使飛行更容易在泰坦上比在地球上)來傳達一個能幹的套件工具從一個地方到另一個地方。

與其他被認為是泰坦探索的空中概念(其中有好幾種)不同，蜻蜓將大部分時間都在表面進行測量，然後再飛到另一個地方。蜻蜓系列的儀器將包括質譜儀來研究表面和大氣的組成;伽瑪射線分光計，用來測量表面的成分(即尋找內海的證據);氣象學和地球物理感測器，可以測量風、大氣壓力、溫度和地震活動;還有一個相機套件，可以拍下表面的照片。

泰坦航空的四軸飛行器和它的「母艦」氣球的概念圖。圖片版權：NASA/STMD

考慮到泰坦的密集大氣層，太陽能電池將不是一個機器人任務的有效選擇。因此，蜻蜓將依靠一個多任務的放射性同位素熱電發生器(MMRTG)來發電，類似於好奇號探測車所使用的。雖然依靠核能的機器人任務並不便宜，但它們確實能讓任務持續數年，並進行無價的研究(正如好奇心所顯示的那樣)。

正如JHUAPL空間部門的項目經理和蜻蜓項目經理Peter Bedini解釋的那樣，這將使一個長期的任務獲得可觀的回報：我們可以帶上一個著陸器，把它放在泰坦上，在一個地方測量這四個測量值，大大增加我們對泰坦和類似衛星的了解。然而如果我們增加空中機動，我們就可以將任務的價值倍增，這將使我們能夠進入各種地質環境，通過繞過或繞過障礙來達到科學返回和降低任務風險的目的。

最後像蜻蜓這樣的任務將能夠研究生物化學在泰坦上的進展。這些類型的實驗，有機建築塊被組合在一起暴露在能量中，以觀察生命是否出現不能在實驗室里進行(主要是因為涉及的時間尺度)。因此科學家們希望看到在泰坦表面上的進展有多遠，在那裡生物的生存條件已經存在。