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泰坦海洋探測器

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泰坦海洋探測器
時間號湖泊着陸艙藝術想像圖
任務類型土衛六着陸器
運營方美國宇航局
任務時長7.5 年
巡航: 7 年;
表面探測: 3–6 個月 [1]
航天器屬性
乾質量700 千克(着陸質量)[2]
功率140 瓦
任務開始
發射日期2016年(建議)[3][4][5]
未超出建議範圍
運載火箭大力神5號411型
發射場卡納維拉爾角41號航天發射台
承包方聯合發射聯盟

泰坦海洋探測器（英語：Titan Mare Explorer），簡稱時間號（TiME），是一艘用於探索土星的衛星-土衛六的着陸器[3]。「時間號」是一項成本相對較低的外行星探索任務，旨在測量土衛六上的有機成分，並對外星海洋進行首次航海探索，分析它的性質並觀察海岸線。作為發現級任務，時間號的設計成本上限為4.25億美元，不包含運載火箭費用[4]。該任務是2009年「普羅希米研究公司」(Proxemy Research)向美國宇航局提交的一項類似偵察兵的開拓性任務，最初被列入美國宇航局發現計劃中[6]。在發現級任務參選中，「時間號」任務設計一度進入決賽，但最終落選，2013年曾向美國參議院申請專款也未果[7]。

發現級決賽提案

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時間號是2011年5月獲得300萬美元用於實施詳細概念研究的三項發現任務入圍方案之一。另外兩項任務是「洞察號」和「彗星跳躍者」。經2012年年中審查，美國宇航局於2012年8月宣布，最終選擇為「洞察號」火星任務[8]。

具體來說，如只能在2025年底前發射，時間號將於2030年代中期抵達，屆時，北方正處於隆冬時節，這意味着土衛六北極附近的海洋尚籠罩在一片黑暗之中，無法直接與地球通信[9]。

太陽系十年調查報告也提及過降落土衛六湖泊或海洋的任務，此外，2009年提議於2020年發射的旗艦土衛六－土星系統任務，也包含一艘由電池供電的短期型湖泊着陸器[10]。發射機遇稍縱即逝，下一次窗口將在2023-2024年，也是這一代人的最後一次機會[11]。

歷史  

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2006年7月22日在土衛六北半球發現的湖泊和海洋證實了該星球上存在液體碳氫化合物的猜想[12]，此外，以前對南極風暴的觀測和對赤道區風暴的新觀測均提供了甲烷活動-生成過程的證據，可能是來自土衛六內部的冰火山特徵[10]。

土衛六大部分地區幾個世紀來都沒有過降雨，但兩極的降水估計可能更頻繁[1]。

據認為土衛六的甲烷循環類似於地球上的水循環，氣象運動的流體以雨、雲、河流和湖泊的形式存在[12]。時間號將直接觀察土衛六的甲烷循環，以幫助了解它與地球水循環的異同點[1][10]。如果美國宇航局選擇了時間號任務，卡西尼雷達小組成員暨現任美國宇航局首席科學家「埃倫·雷妮·斯托凡」(Ellen Renee Stofan)將作為該任務的首席研究員，任務管理則由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室負責[13]，洛克希德·馬丁公司承擔時間號航天艙建造，應用物理實驗室、戈達德太空飛行中心和馬林空間科學系統公司分別提供所需的科學探測儀器。

目標 

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麗姬亞湖(左)與地球上的蘇必利爾湖大小比較

時間號將在2016年由 大力神5號 411型火箭發射升空，2023年抵達土衛六，目標湖泊為麗姬亞海(北緯78°，西經250°)[1]。該湖泊是迄今為止發現的最大泰坦湖之一，表面積約為10萬公里2，備選目標是克拉肯海[3][10]。

科學目標

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泰坦海洋探測器將進行為期7年的星際直航，期間沒有飛越其它天體的任務。部分科學測量將在進入和下降過程開始進行，但只在探測器濺落後才進行數據傳輸。此任務的科學目標是：[3][10]

  1. 測定土衛六海洋的化學成分，儀器：質譜儀(MS)、氣象和物理特性包(MP3)。
  2. 測定土衛六海洋的深度，儀器：氣象和物理特性包(聲納)(MP3)。
  3. 土衛六海洋過程限制，儀器：氣象和物理特性包(MP3)、下降和地面相機。
  4. 測定白晝期間海上氣象變化，儀器：氣象和物理特性包(MP3)、攝像機。
  5. 描述海上大氣層特徵，儀器：氣象和物理特性包(MP3)、攝像機。

負責為航天器製造和操縱攝像系統的馬林太空科學系統公司，與美國航天局簽署了早期開發合同，以進行初步設計研究[14]，探測器將安裝兩台相機，一台在降落到麗姬海表面時拍照，另一台在降落後拍照[14]。

霍普金斯大學應用物理實驗室將製作一套氣象和物理特性探測組件(MP3)[15]，該裝置將測量風速和風向、甲烷濕度、「水線」以上的氣壓和溫度、濁度、海溫、聲速和地表下介電特性。聲納將測量水深，進行聲傳播模擬，並在液氮溫度下測試聲納換能器，以顯示在土衛六環境條件下的性能[16]。

電源 

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位於土星和土衛四狄俄涅前面的土衛六

土衛六厚厚的大氣層及遠離太陽的微弱陽光排除了使用太陽能電池板的可能性[17][18]，如果美國宇航局選定了該任務，時間號登陸器將試用先進斯特林放射性同位素發電機(ASRG)[6]，一種旨在為各種登陸系統和其他行星任務提供長期電源的原型機。就本任務來說，它將用於兩種環境：深空和非陸地大氣層。該發電機是一種使用斯特林功率轉換技術的放射性同位素發電系統，預計可產生140–160瓦的電力，其效率是目前使用的放射性同位素熱電機(RTG)的四倍。其質量只有28千克，標準使用壽命14年[3]。雖然它還在繼續研究[19]，此後，美國宇航局取消了與洛克希德公司的合同(該合同原為2016年發射做準備的)，並決定依靠現有的「多任務放射性同位素熱電發生器」(MMRTG) 進行遠程探測[20][21]。  

指標規格
  • ≥14 年壽命；
  • 額定功率: 140 瓦；
  • 質量 ~ 28 千克；
  • 系統效率: ~ 30%；
  • 二台GPHS鈈238模塊；
  • 使用0.8千克鈈-238。 

降落艙將不需要推進：風力和可能的潮流預計將推動這艘浮力艙在海上航行數月[5]。

通信 

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該飛行器將直接與地球通信，原則上在抵達後的數年內可保持間歇性聯繫，最終，地球將會在2026年從麗姬亞海地平線上消失[22]。在2035年前，它將無法向地球發送數據[23]。

表面狀況

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「惠更斯號」拍攝的土衛六表面視圖
同一圖像不同數據處理的結果

模型表明，在時間號任務預定的季節，麗姬亞海上的波浪通常不超過0.2米(0.66英尺)，在數月之中偶爾會達到略高於0.5米(1.6英尺)[24]。經過模擬評估了降落艙對海浪的反應以及可能在岸上擱淺的情況[25]。受海流和海風的推動，預計降落艙將以0.1米/秒的速度在海面漂移，常規速度為0.5米/秒，不超過1.3米/秒(4.2英尺/秒)[22]。探測器將不配備推進裝置，雖然它的運動無法控制，但對其連續位置的了解可以進一步優化探測內容，如湖深、溫度變化和海岸成像。一些曾建議的定位技術有多普勒頻移測量、太陽高度測量和甚長基線干涉測量等[22]。

潛在可居住性

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一些研究人員認為土衛六是尋找外星生命最重要的地方，有機會發現與地球不同生化類型的生命形式[26]。一些科學家推測，如果土衛六上的碳氫化合物越過了從無機質到某種生命形式的界限，就將很難被發現[26]。此外，由於土衛六非常寒冷，構建複雜生化結構所需的能量有限，任何水基生物在缺乏熱源的情況下都會被凍結[26]。然而，一些科學家提出，假設的生命形式有可能存在於甲烷基溶劑中[27][28]。時間號任務首席研究員埃倫·斯托凡認為，我們所知的生命不可能存在於土衛六海洋中，但她說，「海洋中的化學物質可能會讓我們深入了解有機系統是如何向生命進化的」[29]。

類似任務概念

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  • 雖然目前還沒有資助探測泰坦湖的登陸任務，但科學界的興趣正在提升[30]。 美國宇航局的一位研究人員提出，若時間號一旦被發射，合乎邏輯的後續任務將是一艘名為「泰坦潛艇」的湖泊潛水器[30][31]
  • 一台由電池供電的湖泊着陸器被認為是土衛六－土星系統任務(TSSM)旗艦研究的一部分，它將使用土星軌道飛行器作為中繼；在2010年美國宇航局行星科學十年調查報告中，也簡要考慮了一系列不同的湖泊着陸器[32]。
  • 2012年歐洲行星科學大會上，歐空局提出了一種「泰坦湖實地取樣推進探測器」的湖泊探測艙，簡稱「塔利塞號」(TALISE)[33][34]。主要區別在於推進系統部分，可能會使用一具在泥濘和液體環境中工作的阿基米德螺旋，然而，這一努力還只是一個簡單的概念研究。

延伸閱讀 

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  • 拉爾夫·洛倫茨. 美国宇航局/欧洲空间局/意大利航天局  卡西尼-惠更斯：1997年以后(卡西尼轨道器、惠更斯探测器和未来探索概念). 英國海恩斯手冊. 2018年. ISBN 978-1785211119. 

另請參閱

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參考文獻 

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