卡西尼号航天器首次飞掠土卫六泰坦时的影像，拍摄于2004年10月26日。

　　泰坦的大气层稠密且二氧化碳含量很高，数十年来，它一直是科学家们感兴趣的课题。随着2004年卡西尼-惠更斯任务 （Cassini-Huygens mission）成功开启对土星及其卫星系统的探索，许多提案被摆上议程，以进一步探索泰坦和其更深处的甲烷海。

　　新式的八叶无人机（又名“蜻蜓”）将成为未来数十年内探索土星卫星泰坦的理想之选。

　　许多新颖大胆的想法随着这次挑战应运而生，包括热气球、登陆车、浮式无人机和潜水艇。然而其中要数NASA约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室（JHUAPL）研究人员的提案最具挑战性——他们提议启用“蜻蜓”无人机。这种八叶的无人机可以垂直起降（VTOL），因此在未来的数十年内，可以由它来探索泰坦的大气和表面。

　　这一任务概念由任职于NASA的约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHUAPL）的行星科学家Elizabeth Turtle领导的科学小组提出。早在今年二月，这一概念就在美国宇航局华盛顿本部举行的“行星科学视界2050工作室”活动中被提出。在三月末， 这一概念又在德克萨斯州Woodlands举行的第48届月球与行星科学大会上被再次介绍。

　　NASA的卡西尼飞船的镜头对准了土星最大卫星的暗面，并观察到太阳光透过泰坦大气边缘时散射形成的有色环。

　　来源：NASA/喷气推进实验室Caltech-加州理工学院 /空间科学研究所

　　据Turtle发给Universe Today的邮件中所述，这一任务适时且必要。它不仅建立在近期机器人探测器的发展上（比如好奇号火星车和卡西尼号航天器），而且在泰坦上科研的机遇无处不在。

　　她如是说：“泰坦是个独特的海洋世界，在它的大气中和表面进行着丰富又复杂的有机化学反应。这两个条件让泰坦成为极好的研究行星适居性的目标。生命演化的一大问题就是化学作用是如何导致（推进）生物进程的。泰坦已经进行了几百万年的前生命期化学实验(Prebiotic Chemistry)，这一时间尺度是无法在实验室中还原的。同时这些实验的成果正等着我们去收集。”

　　这一提议部分基于之前的"十年研究"，比如竞争策略工作组（CSWG）对于外太阳系的前生命期化学进程的研究。研究强调一个移动的飞行器（例如：飞船或热气球）较为适合探索泰坦，因为泰坦是目前所知的除地球外的唯一一个有稠密、富含氮气的大气的天体，而且它的重力仅为地球的 1 /7。

　　使用热气球和飞船无法研究泰坦的甲烷湖，而这恰是研究前生命期化学进程的重要一环。此外，移动的飞行器无法像火星车（精神号、机遇号、好奇号）那样在天体表面就地进行化学分析。

　　艺术概念图：泰坦上的“子机”直升机和其“母机”热气球。

　　因此Turtle和她的同事开始寻找在空中和表面均可开展工作的方案。这便是“蜻蜓”概念的起源。

　　“我们考虑了几种不同的进行泰坦空中探索的方案（直升机、各种热气球、飞机），”Turtle说，“近年来，多旋翼飞行器的发展使“蜻蜓”可以搭载多个旋翼，因此着陆器可以获得足够的空中机动性。由于“蜻蜓”将要进行每次数十公里、整个任务中长达数百公里的长距离飞行，它将在数个地质历史迥异的地点开展测量。”

　　这次任务也与许多其他的概念一致。这些概念是由Turtle和她的同事们，包括 Ralph Lorenz（同样来自JHUAPL）、来自戈达德航天飞行中心 的 Melissa Trainer和来自爱达荷大学的Jason Barnes经过几年的研究后提出的。他们过去曾提出过一个结合了热气球和探路者型着陆器的任务方案。其中气球用于探测泰坦的低海拔区域，而着陆器则用于近距离探测其表面。

　　在第四十八届月球与行星科学大会前，他们就已经正式提出了“蜻蜓” 这一概念，即用一个四轴飞行器同时在空中和表面进行研究。他们认为这种四翼飞行器可以适应泰坦的浓厚大气和低引力，从而获得样本并在各种地质环境下探测表面的地质组成。

　　艺术概念图：蜻蜓在泰坦上执行任务。

　　来源：APL/Michael Carroll

　　在最近一次试验中，“蜻蜓”装配了八个旋翼（四个角上每个都装有两个）以保持飞行状态。与“好奇号”和即将发射的2020火星车一样，“蜻蜓”将通过一个多任务放射性同位素热电发生器（MMRTG）发电。这一系统利用钚－238衰变时产生的热量来发电，其能量足够使一个探测器工作数年。

　　据Turtle说，这一设计将为科学家们研究泰坦环境提供一个理想的现场平台：“‘蜻蜓’可以分析不同表面物质的组成，继而揭示在不同环境下有机化学将演变到何种程度。如果泰坦上有生命迹象，测量数据还将有助于寻找水基生命（类似于地球上的生命）或碳基生命的化学特征。“蜻蜓”还会研究泰坦的大气、表面及以下部分来帮助我们理解其目前的地质活动、物质输运和表面与内部海洋交换有机物质的可能性。”

　　这一概念融合了多项技术进步，包括新的电子控制技术和商用无人机（UAV）设计的进化。此外，“蜻蜓”放弃了化学动力制动火箭，并可以在飞行期间充电，因此其寿命可能更长。

　　艺术概念图：在泰坦表面，眺望甲烷海。

　　来源：NASA

　　现在时机已经成熟，”Turtle说， “因为我们吸取了Cassini-Huygens（卡西尼-惠更斯） 任务中的经验，它将指导我们开展泰坦探索。”

　　目前，NASA的喷气推进实验室正在开发一个相似的机械。被称为火星直升机“侦察兵”的无人机预计将于2020年发射并登陆火星。届时它将采用同轴反转螺旋桨的设计，以在火星稀薄的大气中提供最佳的推力重量比。

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