蜻蜓號

蜻蜓號（Dragonfly）是美國宇航局（NASA）規劃的未來土星系統探測任務，旨在向土衛六（泰坦）表面運送一架無人多軸飛行器。該任務計劃於2028年7月發射，並於2034年抵達土衛六，屆時它將成為首個在土衛六上運行的航空器。該任務旨在研究在土衛六的前生物化學和行星宜居性，並實現人類在衛星天體上的首次有動力且完全受控的大氣飛行。隨後，它將利用自身的垂直起降（VTOL）能力，在不同探索地點之間移動。

作為土星最大的衛星，土衛六是太陽系中唯一具有豐富、複雜且多樣化富碳化學環境的地外天體，其表面主要由水冰構成，並擁有地下水海洋，因此成為天體生物學和生命起源研究的高度優先目標。該任務由約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）於2017年4月向NASA的新疆界計劃提出，並於2017年12月從12項提案中入選為兩項最終候選任務之一，以進一步完善任務概念。2019年6月27日，蜻蜓號被選定為第四項新疆界任務。2024年4月，該任務獲得確認，並進入最終開發階段。

## 概述

蜻蜓號是一項前往土衛六的天體生物學任務，旨在評估土衛六環境支持微生物生存的宜居性，並在多個地點研究其前生物化學。蜻蜓號被設計為能夠在不同地點之間進行受控飛行以及垂直起飛和著陸。該任務計劃在土衛六表面的多個地點進行飛行，從而能夠採集具有不同區域特徵和地質環境的樣本。

土衛六是一個極具吸引力的天體生物學研究目標，因為其表面存在豐富而複雜的富碳化學物質，同時表面可能同時存在液態水（短暫存在）和液態碳氫化合物，並可能形成生命起源前的原始湯環境。

如果蜻蜓號成功飛行，它將成為第二個在地球以外天體上飛行的旋翼飛行器。第一個是機智號，這是一架無人直升機，於2021年2月18日隨毅力號火星車一同登陸火星，作為火星2020任務的一部分，並於2021年4月19日首次實現有動力飛行。

## 歷史

蜻蜓號最初的概念源於科學家Jason W. Barnes與的一次晚餐討論。Barnes來自愛達荷大學物理系，此前曾提出土衛六原位和空中偵測飛行器（AVIATR）——一項土衛六飛機任務概念。Lorenz則來自約翰斯·霍普金斯大學的應用物理實驗室。經過15個月的研究，該概念被發展成為一份詳細的任務提案。該任務的首席研究員是，她是約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家。

蜻蜓號任務建立在此前多個土衛六移動式空中探測研究的基礎之上，其中包括2007年的土衛六探測旗艦任務研究，該研究提出使用蒙戈爾菲耶氣球進行區域探測，以及為發現計劃考慮的飛機概念AVIATR。2000年，Lorenz提出了一種旋翼飛行器著陸器概念，該飛行器使用電池供電，並在持續約8個地球日的土衛六夜晚期間由放射性同位素能源進行充電。之後的研究還包括2014年由噴氣推進實驗室Larry Matthies開展的土衛六旋翼飛行器研究，該方案提出由著陸器或氣球釋放一架小型旋翼飛行器。此前的熱氣球方案則計劃利用放射性同位素熱電發電機（RTG）的熱量提供能源。

蜻蜓號計劃利用其多旋翼進行飛行，將儀器套件運送至多個地點，以測量表面組成、大氣環境以及地質過程。

蜻蜓號和彗星天體生物學探索取樣返回任務（CAESAR）（針對丘留莫夫-格拉西緬科彗星的樣本返回任務）是新疆界計劃4號任務的兩項最終候選方案。2019年6月27日，NASA選擇蜻蜓號進入開發階段，原計劃於2027年6月發射。

2023年3月3日，蜻蜓號通過初步設計審查（PDR）。2023年11月，由於NASA因資金不確定性決定推遲任務正式確認，發射時間推遲一年，新的發射日期設定為2028年7月。2024年11月25日，NASA宣布授予蜻蜓號任務發射服務合同。蜻蜓號將搭載SpaceX的獵鷹重型運載火箭火箭發射，目標發射窗口為2028年7月5日至7月25日。

2025年4月25日，蜻蜓號通過關鍵設計審查階段，標誌著探測器全面實體製造和測試工作的開始。

在2025年美國聯邦政府停擺事件期間，NASA戈達德太空飛行中心開始關閉多座建築並整合設備。NASA稱這一行動屬於預先規劃的「戰略整合」，預計不會影響任務執行。NASA發言人告訴CNN，南希·格蕾絲·羅曼太空望遠鏡和蜻蜓號任務在停擺期間仍將作為例外項目繼續開展工作。

據報導，該中心部分員工擔憂建築關閉的方式和時間可能會影響這些項目的工作進度；CNN則報導稱，戈達德工作人員編制的一份內部文件指出，部分專業測試實驗室可能受到影響。

探測器的製造工作於2026年3月10日開始。

2026年6月1日，蜻蜓號設計與測試團隊宣布，進入探測器隔熱罩的熱結構測試已經完成。測試地點位於新墨西哥州沙漠中的桑迪亞太陽塔，該設施利用數百套經過校準的鏡面系統，將太陽能量集中到隔熱罩測試組件上。測試隔熱罩成功承受了極端高溫，即使測試人員故意在組件上製造缺陷。團隊同時宣布，他們近期還在用於模擬太空環境的APL測試艙中測量了蜻蜓號高增益天線（HGA）發出的信號模式。

2026年6月29日，蜻蜓號任務取得重要開發里程碑。約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的任務團隊提前完成了探測器近13英尺（4.0米）長機身結構的交付，為下一階段系統集成做好準備。此次交付是在著陸器框架組件完成約一個月結構測試之後進行的，該框架包括著陸支架、探測器放射性同位素能源系統外罩，以及用於支撐蜻蜓號八組旋翼組件的支臂。

結構測試完成後，探測器機械、熱控和電氣系統的集成工作於7月1日開始。在這一階段，工程師在機身內部安裝了飛行用隔板、線束、電纜以及電氣連接器。其他航空電子設備、電子子系統和科學儀器將在任務合作機構完成組裝與測試後進行集成。

在振動測試期間，工程團隊使用質量模擬器替代正在其他設施進行組裝和測試的飛行儀器及電子設備。在地面振動測試中，旋翼飛行器結構通過長彈力繩懸掛在距離地面數英寸的位置，使工程師能夠測量旋翼連接點產生的振動如何通過機體結構傳播至關鍵傳感器。任務團隊表示，這種懸掛方式提供了與蜻蜓號首次飛行時預期狀態相近的結構配置。振動測試還包括「坐地」配置，即將著陸器降低至保護墊上，並讓其停靠在著陸支架上，同時測量其在土衛六表面運行期間預期出現的結構響應。

### 經費

截至2018年底，彗星天體生物學探索取樣返回任務（CAESAR）和蜻蜓號任務均獲得了400萬美元經費，用於進一步發展和完善任務概念。NASA於2019年6月27日宣布選擇蜻蜓號任務，並預計其將在2028年7月前完成建造並發射。蜻蜓號是NASA新疆界計劃任務體系中的第四項任務。該計劃是一系列由首席研究員主導的行星科學研究任務，研製成本上限約為8.5億美元；包括發射服務在內，蜻蜓號的總成本預計約為10億美元。2024年4月，NASA公布了修訂後的成本預測，由於供應鏈成本增加以及2019冠狀病毒病疫情造成的延誤，蜻蜓號的全生命周期成本預計已升至33.5億美元。

## 科學目標

土衛六與非常早期的地球具有相似之處，可以為生命可能如何在地球上出現提供線索。2005年，歐洲空間局的惠更斯號著陸器在土衛六獲取了一些大氣和表面測量數據，探測到了托林。托林是由多種碳氫化合物（有機化合物）組成的混合物，存在於土衛六的大氣和表面環境中。由於土衛六的大氣層會在多個波長範圍內遮擋其表面，因此土衛六表面固態碳氫化合物物質的具體組成目前基本未知。通過測量不同地質環境中物質的組成，可以揭示前生物化學在具備已知生命起源關鍵成分的環境中發展到了何種程度，例如嘧啶（用於在DNA中編碼資訊的鹼基）以及構成蛋白質的基本單元——胺基酸。

特別受關注的區域包括：撞擊熔融物中的地外液態水，或潛在的冰火山流，可能與豐富的有機化合物發生相互作用的位置。蜻蜓號將具備探索多個不同地點的能力，用於描述土衛六環境的宜居性，研究生命起源，並尋找可能表明生命存在的生命印跡，包括以水作為溶劑的生命形式，甚至基於假定型生物化學的生命形式。

土衛六的大氣中含有豐富的氮氣和甲烷，並有強有力證據表明其表面存在液態甲烷。相關證據還表明，土衛六地下存在液態水和氨，這些物質可能通過冰火山活動被輸送至表面。

## 設計與製造

蜻蜓號是一個特殊的著陸器，作為首個單獨執行任務的外星球航空器，它被設計為四軸-八旋翼飛行器，每個軸上下兩端各有一個旋翼，因此其結構類似於四軸無人機。這種旋翼配置提供了冗餘能力，使其能夠承受至少一個旋翼或電機失效的情況。該飛行器的八個旋翼每個直徑為1.35m。飛行器預計飛行速度約為10m/s，最大爬升高度可達4km。該飛行器被設計為能夠在太空輻射環境以及平均溫度約為94K的環境中運行。

在土衛六上飛行具有良好的空氣動力學條件。土衛六較低的重力以及濃厚大氣中較少的風，使旋翼能夠不受阻礙地高效運行。對於相同質量的飛行器，實現飛行所需的功率約為地球環境下的四十分之一。土衛六大氣壓力約為地球的1.45倍，密度約為地球的4倍，結合其當地重力僅為地球的13.8%，飛行維持難度降低了一個數量級。儘管具有這些優勢，土衛六的低溫、較弱的光照條件以及更高的大氣阻力仍將帶來挑戰。

蜻蜓號預計能夠飛行數千米，其由鋰離子電池提供動力，並計劃在土衛六夜晚期間由多任務放射性同位素熱電發生器（MMRTG）為電池充電。MMRTG通過放射性同位素的自然衰變產生熱量，並將其轉換為電能。此外，該任務還預留了24個放射性同位素加熱器（RHU）。該飛行器預計每次電池充電後能夠飛行10mi，並可持續在空中停留半小時。飛行器將配備傳感器，用於偵察新的科學目標，並在任務控制人員批准新的著陸地點前返回原始地點。

蜻蜓號旋翼飛行器的質量約為875kg，並將被封裝在直徑3.7m的隔熱罩內。風化層樣本將通過兩個樣本採集鑽具和輸送軟管獲取，每個著陸支架上安裝一個，用於將樣本送入質譜儀進行分析。

蜻蜓號將在土衛六夜晚期間停留於地面，土衛六夜晚持續時間約為8個地球日，即192小時。夜間活動可能包括樣本採集與分析、地震學研究（例如分析北部碳氫化合物海洋中的波動活動）、氣象監測，以及利用LED照明器進行局部顯微成像。這類照明設備曾搭載於鳳凰號著陸器和好奇號火星車。該飛行器設計為通過高增益天線直接與地球通信。

賓夕法尼亞州立大學工程學院的垂直升力研究卓越中心負責旋翼設計與分析、旋翼飛行器飛行控制系統開發、縮比旋翼飛行器測試平台開發、地面測試支持以及飛行性能評估。

### 科學載荷

- DraMS（Dragonfly Mass Spectrometer，蜻蜓號質譜儀）是一台質譜儀，用於識別地表和大氣樣本中的化學成分，尤其關注與生物過程相關的成分。
- DrACO（Drill for Acquisition of Complex Organics，複雜有機物採集鑽具）是一種旋轉衝擊式鑽具，用於採集地表物質，並通過氣動方式輸送樣本。
- DraGNS（Dragonfly Gamma-Ray and Neutron Spectrometer，蜻蜓號伽馬射線與中子能譜儀）由一個氘氚脈衝中子發生器以及一組伽馬射線能譜儀和中子能譜儀組成，用於確定著陸器下方地表的組成。
- DraGMet（Dragonfly 地球物理學和氣象學）是一套氣象傳感器系統，其中包括一台地震儀。
- DragonCam（Dragonfly Camera Suite，蜻蜓號相機系統）由一組顯微和全景相機組成，用於拍攝土衛六地形，並尋找具有科學研究價值的著陸地點。

### 高增益天線

蜻蜓號探測器的高增益天線（HGA）是一種直徑為34.4inch的徑向饋電盤狀縫隙天線，通過大量小型縫隙產生窄波束、定向集中的無線電傳輸信號。HGA將作為蜻蜓號傳輸科學數據的主要天線，並安裝在著陸器頂部的萬向支架上，使其能夠從土衛六表面的不同位置追蹤地球。該天線由一層Kapton隔熱材料保護，被設計用於土衛六極端寒冷的環境，其工作環境平均溫度約為−179 °C（−290 °F）。

HGA是蜻蜓號搭載的三套天線之一。該太空飛行器還將配備一套中增益天線，作為備用通信系統。以及一套低增益天線，用於飛行期間發送狀態信號並支持緊急通信。

### 隔熱罩

蜻蜓號將在穿越土衛六濃厚大氣層進入時利用隔熱罩保護自身免受高溫影響。該隔熱罩的熱防護材料由碳纖維和輕質樹脂組成（截至2026年6月，具體樹脂類型尚未公布）。研究人員利用桑迪亞太陽塔中的數百套經過精確校準的鏡面系統，將太陽能集中照射到測試組件上。該測試裝置使蜻蜓號隔熱罩材料部分區域達到約2500°C（4500°F）的溫度。測試評估了該材料承受強烈熱輻射的能力，以及其承受任務期間預期快速溫度變化的能力。隔熱罩在新墨西哥州炎熱沙漠環境中進行的綜合機械與熱測試中表現符合預期，即使測試人員故意在組件上製造缺陷，其性能仍然滿足要求。

## 任務時間線

### 軌跡

蜻蜓號預計於2028年7月搭載獵鷹重型運載火箭發射，並經過約6年飛行，於2034年抵達土衛六。太空飛行器將在前往土衛六的途中進行一次地球引力助推飛掠，以獲得額外速度。由於傳統的利用木星進行引力助推的飛行方式無法在預計前往土星的飛行路徑附近有效實施，蜻蜓號將成為首個專門執行外太陽系任務但不訪問木星的航太任務。

### 進入與下降

巡航級將在進入土衛六大氣層前10分鐘與進入艙分離。隨後，著陸器將利用氣動外殼和一系列兩個降落傘下降至土衛六表面，而已經完成任務的巡航級將在不受控再入過程中燒毀。下降階段預計持續105分鐘。氣動外殼源自創世紀號樣本返回艙，其PICA隔熱罩與MSL和Mars 2020任務所採用的設計類似，應能夠保護太空飛行器完成下降階段的前6分鐘。儘管土衛六大氣層與地球類似，富含氮氣，但探測器可能會遭遇比預期更極端的進入環境，從而導致隔熱罩燒蝕程度增加。

當速度降低至約馬赫1.5時，減速傘將展開，使進入艙速度降低至亞音速。由於土衛六具有相對濃厚的大氣層和較低重力，減速傘階段預計持續80分鐘。當下降速度足夠低後，更大的主降落傘將取代減速傘。在主降落傘展開後的20分鐘內，著陸器將準備與降落傘系統分離。隔熱罩將被拋棄，著陸支架將展開，雷達和雷射雷達等傳感器將啟動。當高度下降至1.2km時，著陸器將脫離降落傘，並進行動力飛行降落至表面。由於下降過程中高增益天線尚未展開，並且地球與土衛六之間的通信單程延遲為70至90分鐘，因此具體著陸地點和飛行操作必須由太空飛行器自主完成。

### 著陸地點

蜻蜓號旋翼飛行器預計最初將在被稱為香格里拉的暗色區域邊緣、塞爾克撞擊結構東南方向的沙丘區域著陸。任務計劃通過一系列飛行探索該區域，每次飛行距離最長可達8km，並從具有不同地理特徵的重要區域採集樣本。著陸後，蜻蜓號計劃前往塞爾克撞擊坑，在那裡除了存在托林等有機化合物外，還有過去存在液態水的證據。

塞爾克撞擊坑是一個地質年齡較年輕的撞擊坑，直徑約90km，位於惠更斯號著陸點以北偏西約800km處。（7.0°N 199.0°W）紅外測量以及卡西尼號軌道器獲取的其他光譜數據表明，附近地形具有不同的亮度特徵，暗示其熱結構或組成存在差異，這可能由撞擊產生的冰火山活動造成，例如流動化的噴射物毯以及現已凍結為水冰的流體流動。這種同時包含有機化合物和水冰的區域，是評估土衛六表面生命起源發展程度的重要目標。

## 參見

- 土衛六大氣層
- 土衛六探測 – 土衛六探測任務的概述
- 土衛六原位和空中偵測飛行器（AVIATR） – 一項土衛六飛機任務概念。
- 機智號 – 作為火星2020任務的一部分，於2021年4月在火星上飛行的旋翼飛行器。
- 彗星天體生物學探索取樣返回任務（CAESAR） – 另一項新疆界4號任務候選方案。
- 惠更斯號– 第一個在土衛六降落的著陸器
- 土衛六—土星系統任務 – 已取消的NASA/ESA土星任務
- 俄刻阿諾斯號 – 一項土衛六軌道器概念，也曾作為新疆界4號任務候選方案提出。
- 火星空中和地面全球智能探測器 – 一項火星太陽能飛機概念。

## 外部連結

- 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

## 基本資料

- 日語原文：蜻蜓號、Dragonfly
- names_list：新疆界4號任務
- 說明：藝術家繪製的「蜻蜓號」任務概念圖
- 任務類型：土衛六旋翼機
- 運營單位：NASA/APL
- 任務時長：計劃：10年、科學階段：3.3年
- 太空飛行器類型：旋翼著陸器
- 製造商：約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室
- landing_mass：≈450kg
- 功耗：約70 W
- power_source：放射性同位素熱電機
- 推出時間：2028年7月5日至25日（計劃）
- launch_rocket：獵鷹重型運載火箭
- 發射地點：甘迺迪航太中心LC-39A發射台
- launch_contractor：SpaceX
- 域：蜻蜓號任務標識
- 分類：新疆界計畫
- previous_mission：OSIRIS-REx
- next_mission：新疆界5號任務
- 類型：aircraft
- object：土衛六
- arrival_date：2034年
- 地點：香格里拉 (土衛六)
- 距離：計劃：每次飛行8km
- 縮寫：DraMS
- 氣缸蓋：蜻蜓號質譜儀
- 縮寫：DrACO
- 名稱：複雜有機物採集鑽探器
- 縮寫：DraGNS
- 名稱：蜻蜓號伽馬射線與中子能譜儀
- 縮寫：DraGMet
- 名稱：蜻蜓號地球物理學與氣象學儀器套件
- 縮寫：DragonCam
- 名稱：蜻蜓號相機套件