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未来探索土卫六泰坦最有效的方式


2017/5/16 16:47:38 编辑:admin 来源:本站整理 
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  • 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。

    把一架直升机放到火星上会怎样?这不是天方夜谭, NASA的工程师们正在认真考虑这个问题。 但真的要这样做将会面临哪些困难和挑战?这样做又会带来哪些优势?请看JPL的工程师为您讲述。 (这段视频由中文天文视频精彩翻译)

    在未来的数十年中, 这种VTOL平台将成为长期探索有大气的天体的中流砥柱。 在火星与泰坦之间, 无人机能够在不同区域间穿梭, 以获取样本并就地进行分析。 结合地表的研究和不同海拔大气数据, 它将帮助我们更了解行星。

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