蜻蜓号

蜻蜓号（Dragonfly）是美国宇航局（NASA）规划的未来土星系统探测任务，旨在向土卫六（泰坦）表面运送一架无人多轴飞行器。该任务计划于2028年7月发射，并于2034年抵达土卫六，届时它将成为首个在土卫六上运行的航空器。该任务旨在研究在土卫六的前生物化学和行星宜居性，并实现人类在卫星天体上的首次有动力且完全受控的大气飞行。随后，它将利用自身的垂直起降（VTOL）能力，在不同探索地点之间移动。

作为土星最大的卫星，土卫六是太阳系中唯一具有丰富、复杂且多样化富碳化学环境的地外天体，其表面主要由水冰构成，并拥有地下水海洋，因此成为天体生物学和生命起源研究的高度优先目标。该任务由约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）于2017年4月向NASA的新疆界计划提出，并于2017年12月从12项提案中入选为两项最终候选任务之一，以进一步完善任务概念。2019年6月27日，蜻蜓号被选定为第四项新疆界任务。2024年4月，该任务获得确认，并进入最终开发阶段。

## 概述

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蜻蜓号是一项前往土卫六的天体生物学任务，旨在评估土卫六环境支持微生物生存的宜居性，并在多个地点研究其前生物化学。蜻蜓号被设计为能够在不同地点之间进行受控飞行以及垂直起飞和着陆。该任务计划在土卫六表面的多个地点进行飞行，从而能够采集具有不同区域特征和地质环境的样本。

土卫六是一个极具吸引力的天体生物学研究目标，因为其表面存在丰富而复杂的富碳化学物质，同时表面可能同时存在液态水（短暂存在）和液态碳氢化合物，并可能形成生命起源前的原始汤环境。

如果蜻蜓号成功飞行，它将成为第二个在地球以外天体上飞行的旋翼飞行器。第一个是机智号，这是一架无人直升机，于2021年2月18日随毅力号火星车一同登陆火星，作为火星2020任务的一部分，并于2021年4月19日首次实现有动力飞行。

## 历史

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蜻蜓号最初的概念源于科学家Jason W. Barnes与的一次晚餐讨论。Barnes来自爱达荷大学物理系，此前曾提出土卫六原位和空中侦测飞行器（AVIATR）——一项土卫六飞机任务概念。Lorenz则来自约翰斯·霍普金斯大学的应用物理实验室。经过15个月的研究，该概念被发展成为一份详细的任务提案。该任务的首席研究员是，她是约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家。

蜻蜓号任务建立在此前多个土卫六移动式空中探测研究的基础之上，其中包括2007年的土卫六探测旗舰任务研究，该研究提出使用蒙戈尔菲耶气球进行区域探测，以及为发现计划考虑的飞机概念AVIATR。2000年，Lorenz提出了一种旋翼飞行器着陆器概念，该飞行器使用电池供电，并在持续约8个地球日的土卫六夜晚期间由放射性同位素能源进行充电。之后的研究还包括2014年由喷气推进实验室Larry Matthies开展的土卫六旋翼飞行器研究，该方案提出由着陆器或气球释放一架小型旋翼飞行器。此前的热气球方案则计划利用放射性同位素热电发电机（RTG）的热量提供能源。

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蜻蜓号计划利用其多旋翼进行飞行，将仪器套件运送至多个地点，以测量表面组成、大气环境以及地质过程。

蜻蜓号和彗星天体生物学探索取样返回任务（CAESAR）（针对丘留莫夫-格拉西缅科彗星的样本返回任务）是新疆界计划4号任务的两项最终候选方案。2019年6月27日，NASA选择蜻蜓号进入开发阶段，原计划于2027年6月发射。

2023年3月3日，蜻蜓号通过初步设计审查（PDR）。2023年11月，由于NASA因资金不确定性决定推迟任务正式确认，发射时间推迟一年，新的发射日期设定为2028年7月。2024年11月25日，NASA宣布授予蜻蜓号任务发射服务合同。蜻蜓号将搭载SpaceX的猎鹰重型运载火箭火箭发射，目标发射窗口为2028年7月5日至7月25日。

2025年4月25日，蜻蜓号通过关键设计审查阶段，标志着探测器全面实体制造和测试工作的开始。

在2025年美国联邦政府停摆事件期间，NASA戈达德太空飞行中心开始关闭多座建筑并整合设备。NASA称这一行动属于预先规划的“战略整合”，预计不会影响任务执行。NASA发言人告诉CNN，南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜和蜻蜓号任务在停摆期间仍将作为例外项目继续开展工作。

据报道，该中心部分员工担忧建筑关闭的方式和时间可能会影响这些项目的工作进度；CNN则报道称，戈达德工作人员编制的一份内部文件指出，部分专业测试实验室可能受到影响。

探测器的制造工作于2026年3月10日开始。

2026年6月1日，蜻蜓号设计与测试团队宣布，进入探测器隔热罩的热结构测试已经完成。测试地点位于新墨西哥州沙漠中的桑迪亚太阳塔，该设施利用数百套经过校准的镜面系统，将太阳能量集中到隔热罩测试组件上。测试隔热罩成功承受了极端高温，即使测试人员故意在组件上制造缺陷。团队同时宣布，他们近期还在用于模拟太空环境的APL测试舱中测量了蜻蜓号高增益天线（HGA）发出的信号模式。

2026年6月29日，蜻蜓号任务取得重要开发里程碑。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的任务团队提前完成了探测器近13英尺（4.0米）长机身结构的交付，为下一阶段系统集成做好准备。此次交付是在着陆器框架组件完成约一个月结构测试之后进行的，该框架包括着陆支架、探测器放射性同位素能源系统外罩，以及用于支撑蜻蜓号八组旋翼组件的支臂。

结构测试完成后，探测器机械、热控和电气系统的集成工作于7月1日开始。在这一阶段，工程师在机身内部安装了飞行用隔板、线束、电缆以及电气连接器。其他航空电子设备、电子子系统和科学仪器将在任务合作机构完成组装与测试后进行集成。

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在振动测试期间，工程团队使用质量模拟器替代正在其他设施进行组装和测试的飞行仪器及电子设备。在地面振动测试中，旋翼飞行器结构通过长弹力绳悬挂在距离地面数英寸的位置，使工程师能够测量旋翼连接点产生的振动如何通过机体结构传播至关键传感器。任务团队表示，这种悬挂方式提供了与蜻蜓号首次飞行时预期状态相近的结构配置。振动测试还包括“坐地”配置，即将着陆器降低至保护垫上，并让其停靠在着陆支架上，同时测量其在土卫六表面运行期间预期出现的结构响应。

### 经费

截至2018年底，彗星天体生物学探索取样返回任务（CAESAR）和蜻蜓号任务均获得了400万美元经费，用于进一步发展和完善任务概念。NASA于2019年6月27日宣布选择蜻蜓号任务，并预计其将在2028年7月前完成建造并发射。蜻蜓号是NASA新疆界计划任务体系中的第四项任务。该计划是一系列由首席研究员主导的行星科学研究任务，研制成本上限约为8.5亿美元；包括发射服务在内，蜻蜓号的总成本预计约为10亿美元。2024年4月，NASA公布了修订后的成本预测，由于供应链成本增加以及2019冠状病毒病疫情造成的延误，蜻蜓号的全生命周期成本预计已升至33.5亿美元。

## 科学目标

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土卫六与非常早期的地球具有相似之处，可以为生命可能如何在地球上出现提供线索。2005年，欧洲空间局的惠更斯号着陆器在土卫六获取了一些大气和表面测量数据，探测到了托林。托林是由多种碳氢化合物（有机化合物）组成的混合物，存在于土卫六的大气和表面环境中。由于土卫六的大气层会在多个波长范围内遮挡其表面，因此土卫六表面固态碳氢化合物物质的具体组成目前基本未知。通过测量不同地质环境中物质的组成，可以揭示前生物化学在具备已知生命起源关键成分的环境中发展到了何种程度，例如嘧啶（用于在DNA中编码信息的碱基）以及构成蛋白质的基本单元——氨基酸。

特别受关注的区域包括：撞击熔融物中的地外液态水，或潜在的冰火山流，可能与丰富的有机化合物发生相互作用的位置。蜻蜓号将具备探索多个不同地点的能力，用于描述土卫六环境的宜居性，研究生命起源，并寻找可能表明生命存在的生命印迹，包括以水作为溶剂的生命形式，甚至基于假定型生物化学的生命形式。

土卫六的大气中含有丰富的氮气和甲烷，并有强有力证据表明其表面存在液态甲烷。相关证据还表明，土卫六地下存在液态水和氨，这些物质可能通过冰火山活动被输送至表面。

## 设计与制造

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蜻蜓号是一个特殊的着陆器，作为首个单独执行任务的外星球航空器，它被设计为四轴-八旋翼飞行器，每个轴上下两端各有一个旋翼，因此其结构类似于四轴无人机。这种旋翼配置提供了冗余能力，使其能够承受至少一个旋翼或电机失效的情况。该飞行器的八个旋翼每个直径为1.35m。飞行器预计飞行速度约为10m/s，最大爬升高度可达4km。该飞行器被设计为能够在太空辐射环境以及平均温度约为94K的环境中运行。

在土卫六上飞行具有良好的空气动力学条件。土卫六较低的重力以及浓厚大气中较少的风，使旋翼能够不受阻碍地高效运行。对于相同质量的飞行器，实现飞行所需的功率约为地球环境下的四十分之一。土卫六大气压力约为地球的1.45倍，密度约为地球的4倍，结合其当地重力仅为地球的13.8%，飞行维持难度降低了一个数量级。尽管具有这些优势，土卫六的低温、较弱的光照条件以及更高的大气阻力仍将带来挑战。

蜻蜓号预计能够飞行数千米，其由锂离子电池提供动力，并计划在土卫六夜晚期间由多任务放射性同位素热电发生器（MMRTG）为电池充电。MMRTG通过放射性同位素的自然衰变产生热量，并将其转换为电能。此外，该任务还预留了24个放射性同位素加热器（RHU）。该飞行器预计每次电池充电后能够飞行10mi，并可持续在空中停留半小时。飞行器将配备传感器，用于侦察新的科学目标，并在任务控制人员批准新的着陆地点前返回原始地点。

蜻蜓号旋翼飞行器的质量约为875kg，并将被封装在直径3.7m的隔热罩内。风化层样本将通过两个样本采集钻具和输送软管获取，每个着陆支架上安装一个，用于将样本送入质谱仪进行分析。

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蜻蜓号将在土卫六夜晚期间停留于地面，土卫六夜晚持续时间约为8个地球日，即192小时。夜间活动可能包括样本采集与分析、地震学研究（例如分析北部碳氢化合物海洋中的波动活动）、气象监测，以及利用LED照明器进行局部显微成像。这类照明设备曾搭载于凤凰号着陆器和好奇号火星车。该飞行器设计为通过高增益天线直接与地球通信。

宾夕法尼亚州立大学工程学院的垂直升力研究卓越中心负责旋翼设计与分析、旋翼飞行器飞行控制系统开发、缩比旋翼飞行器测试平台开发、地面测试支持以及飞行性能评估。

### 科学载荷

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- DraMS（Dragonfly Mass Spectrometer，蜻蜓号质谱仪）是一台质谱仪，用于识别地表和大气样本中的化学成分，尤其关注与生物过程相关的成分。
- DrACO（Drill for Acquisition of Complex Organics，复杂有机物采集钻具）是一种旋转冲击式钻具，用于采集地表物质，并通过气动方式输送样本。
- DraGNS（Dragonfly Gamma-Ray and Neutron Spectrometer，蜻蜓号伽马射线与中子能谱仪）由一个氘氚脉冲中子发生器以及一组伽马射线能谱仪和中子能谱仪组成，用于确定着陆器下方地表的组成。
- DraGMet（Dragonfly 地球物理学和气象学）是一套气象传感器系统，其中包括一台地震仪。
- DragonCam（Dragonfly Camera Suite，蜻蜓号相机系统）由一组显微和全景相机组成，用于拍摄土卫六地形，并寻找具有科学研究价值的着陆地点。

### 高增益天线

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蜻蜓号探测器的高增益天线（HGA）是一种直径为34.4inch的径向馈电盘状缝隙天线，通过大量小型缝隙产生窄波束、定向集中的无线电传输信号。HGA将作为蜻蜓号传输科学数据的主要天线，并安装在着陆器顶部的万向支架上，使其能够从土卫六表面的不同位置追踪地球。该天线由一层Kapton隔热材料保护，被设计用于土卫六极端寒冷的环境，其工作环境平均温度约为−179 °C（−290 °F）。

HGA是蜻蜓号搭载的三套天线之一。该航天器还将配备一套中增益天线，作为备用通信系统。以及一套低增益天线，用于飞行期间发送状态信号并支持紧急通信。

### 隔热罩

蜻蜓号将在穿越土卫六浓厚大气层进入时利用隔热罩保护自身免受高温影响。该隔热罩的热防护材料由碳纤维和轻质树脂组成（截至2026年6月，具体树脂类型尚未公布）。研究人员利用桑迪亚太阳塔中的数百套经过精确校准的镜面系统，将太阳能集中照射到测试组件上。该测试装置使蜻蜓号隔热罩材料部分区域达到约2500°C（4500°F）的温度。测试评估了该材料承受强烈热辐射的能力，以及其承受任务期间预期快速温度变化的能力。隔热罩在新墨西哥州炎热沙漠环境中进行的综合机械与热测试中表现符合预期，即使测试人员故意在组件上制造缺陷，其性能仍然满足要求。

## 任务时间线

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### 轨迹

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蜻蜓号预计于2028年7月搭载猎鹰重型运载火箭发射，并经过约6年飞行，于2034年抵达土卫六。航天器将在前往土卫六的途中进行一次地球引力助推飞掠，以获得额外速度。由于传统的利用木星进行引力助推的飞行方式无法在预计前往土星的飞行路径附近有效实施，蜻蜓号将成为首个专门执行外太阳系任务但不访问木星的航天任务。

### 进入与下降

巡航级将在进入土卫六大气层前10分钟与进入舱分离。随后，着陆器将利用气动外壳和一系列两个降落伞下降至土卫六表面，而已经完成任务的巡航级将在不受控再入过程中烧毁。下降阶段预计持续105分钟。气动外壳源自创世纪号样本返回舱，其PICA隔热罩与MSL和Mars 2020任务所采用的设计类似，应能够保护航天器完成下降阶段的前6分钟。尽管土卫六大气层与地球类似，富含氮气，但探测器可能会遭遇比预期更极端的进入环境，从而导致隔热罩烧蚀程度增加。

当速度降低至约马赫1.5时，减速伞将展开，使进入舱速度降低至亚音速。由于土卫六具有相对浓厚的大气层和较低重力，减速伞阶段预计持续80分钟。当下降速度足够低后，更大的主降落伞将取代减速伞。在主降落伞展开后的20分钟内，着陆器将准备与降落伞系统分离。隔热罩将被抛弃，着陆支架将展开，雷达和激光雷达等传感器将启动。当高度下降至1.2km时，着陆器将脱离降落伞，并进行动力飞行降落至表面。由于下降过程中高增益天线尚未展开，并且地球与土卫六之间的通信单程延迟为70至90分钟，因此具体着陆地点和飞行操作必须由航天器自主完成。

### 着陆地点

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蜻蜓号旋翼飞行器预计最初将在被称为香格里拉的暗色区域边缘、塞尔克撞击结构东南方向的沙丘区域着陆。任务计划通过一系列飞行探索该区域，每次飞行距离最长可达8km，并从具有不同地理特征的重要区域采集样本。着陆后，蜻蜓号计划前往塞尔克撞击坑，在那里除了存在托林等有机化合物外，还有过去存在液态水的证据。

塞尔克撞击坑是一个地质年龄较年轻的撞击坑，直径约90km，位于惠更斯号着陆点以北偏西约800km处。（7.0°N 199.0°W）红外测量以及卡西尼号轨道器获取的其他光谱数据表明，附近地形具有不同的亮度特征，暗示其热结构或组成存在差异，这可能由撞击产生的冰火山活动造成，例如流动化的喷射物毯以及现已冻结为水冰的流体流动。这种同时包含有机化合物和水冰的区域，是评估土卫六表面生命起源发展程度的重要目标。

## 参见

- 土卫六大气层
- 土卫六探测 – 土卫六探测任务的概述
- 土卫六原位和空中侦测飞行器（AVIATR） – 一项土卫六飞机任务概念。
- 机智号 – 作为火星2020任务的一部分，于2021年4月在火星上飞行的旋翼飞行器。
- 彗星天体生物学探索取样返回任务（CAESAR） – 另一项新疆界4号任务候选方案。
- 惠更斯号– 第一个在土卫六降落的着陆器
- 土卫六—土星系统任务 – 已取消的NASA/ESA土星任务
- 俄刻阿诺斯号 – 一项土卫六轨道器概念，也曾作为新疆界4号任务候选方案提出。
- 火星空中和地面全球智能探测器 – 一项火星太阳能飞机概念。

## 外部链接

- APL Dragonfly Web site
- Final Study Report on Titan Aerial Daughtercraft (PDF), 2017
- NASA Is Sending a Life-Hunting Drone to Saturn's Huge Moon Titan

## 基本资料

- 日语原文：蜻蜓号、Dragonfly
- names_list：新疆界4号任务
- 说明：艺术家绘制的“蜻蜓号”任务概念图
- 任务类型：土卫六旋翼机
- 运营单位：NASA/APL
- 任务时长：计划：10年、科学阶段：3.3年
- 航天器类型：旋翼着陆器
- 制造商：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室
- landing_mass：≈450kg
- 功耗：约70 W
- power_source：放射性同位素热电机
- 推出时间：2028年7月5日至25日（计划）
- launch_rocket：猎鹰重型运载火箭
- 发射地点：肯尼迪航天中心LC-39A发射台
- launch_contractor：SpaceX
- 域：蜻蜓号任务标识
- 分类：新疆界计划
- previous_mission：OSIRIS-REx
- next_mission：新疆界5号任务
- 类型：aircraft
- object：土卫六
- arrival_date：2034年
- 地点：香格里拉 (土卫六)
- 距离：计划：每次飞行8km
- 缩写：DraMS
- 气缸盖：蜻蜓号质谱仪
- 缩写：DrACO
- 名称：复杂有机物采集钻探器
- 缩写：DraGNS
- 名称：蜻蜓号伽马射线与中子能谱仪
- 缩写：DraGMet
- 名称：蜻蜓号地球物理学与气象学仪器套件
- 缩写：DragonCam
- 名称：蜻蜓号相机套件