未来太空探索中，水下探测器或将取代“月球车”

在《海底两万里》中，有尼莫船长的“鹦鹉螺号”；《海底大冒险》中，有“海景号”；《奇幻航行》甚至让一艘潜水艇在比尔·欧文斯船长的巧妙操控下进入了人体。小说常常预示着现实，潜水艇似乎正成为行星探索的新宠，尽管它们无畏的船长将留在地球上。

太阳系中充满了海洋。与地球大部分海洋不同，这些普遍存在的盐水被锁在冰壳之下。但它们确实存在，潜伏在木卫三、木卫二、土卫二的表面之下，甚至可能还有土卫六、土卫四和冥王星等其他世界。这些海洋地点可能为地球之外的生命提供了最佳场所，但到达它们是棘手的部分。以木星的冰卫星木卫二为例，其深达60英里（100公里）的海洋在数英里厚的固体冰层下潮涨潮落，这阻碍了直接进入。

许多工程师现在相信，在这些深水中寻找生命的最佳方式是部署一艘现代版的“鹦鹉螺号”。但将探测器送往木星的卫星，并安全地降落到表面，穿过冰层，进入海洋，至少可以说是一个令人望而生畏的前景。

这正是激发工程师愿景的挑战，少数勇敢的人正在将这一愿景从想象变为现实。其中一位是威廉·斯通，Stone Aerospace公司的创始人，这是一家位于德克萨斯州的公司，致力于开发探索现代太空前沿所需的工具和系统。最近，斯通带领一支团队前往阿拉斯加的马塔努斯卡冰川顶部。在那里，工程师们测试了一种名为“极深自主激光动力千瓦级溜溜球式机器人冰探测器”（VALKYRIE）的低温机器人（一种能够穿透冰层的机器人）。VALKYRIE是工程师们正在研究的众多水下机器人探测器之一，他们希望有一天能用它来探索其他世界的海洋。

木卫二，出发！

作为任何类型探测器（包括潜水艇）的目标，木卫二都面临着一些巨大的障碍。木星的这颗冰卫星拥有太阳系中已知最广阔的海洋，但其位置给未来的探险者带来了问题。温度极度寒冷，与地球通信的距离也令人望而生畏。覆盖海洋的冰壳可能厚达11英里（18公里），一旦任何探测器到达冰海边界，它必须安全地部署其潜水艇。斯通说：“这是一个非常棘手的问题。在木卫二，你需要在100开尔文的极度真空下操作。大多数用钻头或融化探头进入冰层的方法都行不通。”

工程公司以多种方式解决了冰壳问题。钻头仅在特定深度有效，而且碎片经常堵塞机制或填满留下的隧道，阻碍探测器向地表发送信号。其他设计尝试使用加热元件融化冰层。但当水充满探测器后面的柱体时，它会结冰并再次阻碍无线电信号，而且融化所需的电力可能高得惊人。另一种方法是加热水并通过喷射泵送，以融化前方的冰层，尽管探测器后面重新结冰的水仍然是个问题。

斯通航空航天公司想出了一个不同的解决方案。它的VALKYRIE探测器既不通过钻探，也不通过热水运行。相反，激光利用了“某些频率能够通过液态水传输能量，但会被冰吸收”这一事实，斯通解释道。

去年，斯通航空航天公司制造了第一个激光动力冰层穿透器，安装在一个名为阿基米德的探测器上。阿基米德系统有效地将工业激光器在1070纳米波长下发出的光扩展成与探测器宽度相同的准直光束。斯通说：“飞行器需要又长又细。最终你会发现这东西开始看起来像个热狗。物理学迫使你将直径做得尽可能小。你最终会得到一个长长的串联。”随着科学家们仔细选择激光光学器件的焦距，探测器可以增加或减少其速度。

其他研究小组也绘制了行星潜艇的蓝图。瑞典乌普萨拉大学正在研究一个两罐苏打水大小的潜水器，而佐治亚理工学院的 Icefin 则采用细长设计。佐治亚理工学院地球与大气科学学院的助理教授布兰妮·施密特带领一个团队在南极洲罗斯冰架上钻了一个洞。Icefin 机器人进入水中并下降到海底，其飞行剖面与木卫二基线任务完全相同。路易斯安那州立大学正在进行几个项目，包括冰下极地冰导航、下降和湖泊探索 (SPINDLE)。这种自主低温机器人融化致密的冰层以探索下方的湖泊。计划要求 SPINDLE 部署一个名为悬停自主水下航行器 (HAUV) 的第二阶段探测器到水中。另一个路易斯安那州立大学的探测器设计，即环境无干扰冰下机器人南极探索者 (ENDURANCE)，可以在冰下自由航行并创建其水下环境的三维地图。该探测器可以获取微生物样本，并且已经在威斯康星州一个 80 英尺深（25 米）的冰冻湖中完成了这项任务。设计者计划很快将其送往下一站：南极洲一个永久冰封的湖泊。

为什么要用潜水艇？

在飞越和轨道任务之后，首批登陆木卫二的表面探测器可能将是固定式着陆器，或许会配备取芯装置以采集浅层冰样本。这是一个好的开始，但考虑到辐射环境，在木卫二表面，甚至在最初的10英尺（3米）范围内找到现存微生物生命的机会很渺茫。斯通说：“但如果你能进入海洋，那就是一个完全不同的故事了。”

斯通的宇宙热狗机器人——或任何其他类型的探测器——将在其海上旅程中遵循一个大致的四步行程：

第一阶段：进入冰层。这个问题已经用各种解决方案来解决，但都有局限性。

第二阶段：巡航。随着上方蒸汽压力的累积，下降探测器后面的入口钻孔关闭。

第三阶段：避障。陨石撞击碎片下沉到随机位置，或致密的卤水沉积物，都可能导致任务中止。

第四阶段：突破。探测器将潜水艇送入海中。当潜水艇进入海洋时，它如何部署？它如何通信？

在地球极地冰盖这样的地方，切割冰层最有效的方法之一是使用热水喷射。设计很简单：用柴油燃烧器加热水，通过软管泵入带配重的喷嘴，然后让水以接近沸点的温度喷出。斯通说：“它切冰如黄油。”这在南极洲已成功完成，但存在一个问题：部署一台热水钻需要1000吨设备。微型低温机器人如何才能拥有足够的动力？斯通建议使用5000瓦的工业激光作为动力源。工程师们设想在着陆器上安装一个激光器，为微型探测器供电，探测器本身则在身后缠绕光纤。其他设计，如VALKYRIE，将携带核动力系统。激光能量通过装甲光纤电缆传输。设计师们已经能够制造出一条20公里长的光纤卷轴，可以装在一个1夸脱的瓶子里。概念验证由Stone Aerospace公司的阿耳特弥斯探测器完成，该探测器使用了15公里长的光纤卷轴。

一旦冰层巡航开始，探测器必须避开轨道飞行器地面穿透雷达无法探测到的微小危害和埋藏障碍。VALKYRIE试验台携带有机载冰层穿透雷达，可以在大约330英尺（100米）的范围内探测到小至4英寸（10厘米）的物体。2015年在阿拉斯加进行的测试证明，探测器可以提前发出足够警告，以避免碰撞。

斯通表示，这对任务成功至关重要。“我们不想让一项价值40亿美元的任务，因为一块垃圾桶大小的石头而功亏一篑。”通过可调谐激光系统，探测器在冰层中的路径可以通过激光改变焦点来调整。

航行外星海域

一旦部署到海洋中，机器人将绘制海底地图、绘制洋流和化学流向，并寻找生命。低温机器人甚至可以被编程为寻找可能支持生物体的来源。

例如，硫含量较高的羽流可能表明存在热液喷口，因此探测器将尝试沿着硫迹返回其源头。下一步是机动到该地点，并寻找背景变化，这些变化可能表明存在微生物群落（例如垫状物或颜色变化）。然后，低温机器人将拍摄特写、高分辨率视频。最后，样本将被放入显微镜中进行确认和活体系统表征。

由于木星系统距离遥远，机器人必须自行思考。但我们如何训练它识别生命呢？一种可能性是将其地球微生物生命结构数字库加载到内存中进行比较。然后，视野内移动的任何物体都与各种微生物结构和模式进行比较。因为形态遵循功能，其他世界的微生物应该具有与地球动物界中发现的某些相似特征。

移动方式

除了研究螺旋桨之外，工程师们一直在根据地球海洋中的生命形式创造推进系统。这些仿生设计模仿了生物形式的敏捷性和移动性。

海洋生物展现出高耐力游泳能力，在隐蔽性、灵活性和速度方面超越了当前的水下推进系统。例如，玻璃刀鱼（或“玻璃鱼”）利用贯穿其全身长度的单个腹鳍来改变方向或原地悬停。爱丁堡大学的设计师正在研究 SquidROV，这是一种仿生潜艇推进系统，它利用玻璃鱼式鳍片进行机动。一些工程师认为，这种推进系统比同等推力的螺旋桨系统更高效。该设计产生的湍流也少得多，使其成为研究和观察各种海洋条件的理想选择。

苏黎世联邦理工学院的工程师们目前正在测试一种航海机器人，它整合了四片受乌贼鳍片启发的鳍。这款名为Sepios的远程操作水下航行器（ROV）长28英寸（70厘米），展现出高度的机动性，并能在狭窄空间内进行精确的多向移动。

加拿大达尔豪斯大学的研究人员与麦吉尔大学和约克大学合作，共同开发了AQUA机器人。这种水上交通工具是一种混合体，既能在海床上行走，也能用腿“游泳”。

喷气推进实验室正在研究的另一种方法是使用一种浮力机器人，它漂浮在冰层下方，倒着爬行或轮行。水下探索有许多可用的选择，但考虑到太阳系中各种水世界之间巨大的地质差异，没有单一的潜水器能够有效地探索所有潮湿环境。

土卫六的挑战

虽然木卫二的冰壳对其海洋构成屏障（就像土星周围的间歇泉喷射卫星土卫二的冰壳一样），但太阳系中有一颗卫星表面有海洋。

土星水星大小的卫星土卫六被橙色薄雾笼罩。自20世纪60年代以来，研究人员一直怀疑土卫六表面的条件处于甲烷的三相点：甲烷可以以气体、液体和固体（冰）的形式存在。

地球表面处于水的三相点，因此将土卫六视为地球沿海地区的低温版本，海浪拍打着外星海岸，这很有诱惑力。但那里的实际情况尚不清楚。着陆探测器的研究通常包括各种设计，以适应厚薄大气层，以及从岩石或冰到雪堆和液态池塘的表面。

随着卡西尼号轨道飞行器和欧洲惠更斯号探测器于2004年抵达，土卫六独特地貌的真实面貌变得清晰起来。北半球广阔的甲烷和乙烷湖泊，面积可与黑海媲美，而南部则有一个巨大的水体——安大略湖。土卫六最大的碳氢化合物海洋是克拉肯海，紧随其后的是利吉亚海。对于约翰霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·洛伦兹来说，这似乎是潜艇的完美场所：“土卫六的甲烷水体有些方面实际上对潜艇来说更容易（比地球海洋），因为碳氢化合物不导电，所以你不必太担心暴露的连接器。你有可能通过液体发送无线电信号，这在地球上很难做到。你可能会有更高的带宽。我们知道土卫六至少有一个海洋对无线电非常透明，因为我们用卡西尼号雷达反弹了它的底部。”

尽管有其优势，但土卫六对潜水器设计提出了一系列新的挑战。液体温度极低（94 K；–290 华氏度），因此仅仅保持温暖就会消耗探测器的大部分能量并决定其结构。另一个问题是土卫六的大气层与其甲烷海洋的反应方式。在地球上，潜水器可以使用空气填充其水箱并调节浮力。但构成土卫六大气层大部分的氮气可溶于液态甲烷，因此它使潜水器浮起来的能力较弱。如果设计者使用氮气进行浮力，气体将只在有限的深度有效。另一个选择是使用惰性气体，例如氖气。

洛伦兹解释说，溶解在甲烷中的氮气带来了另一个问题。“如果你的潜水器有一个地方漏热，你可能会使液体的温度升高到足以减少可溶解的氮气量。想想你在地球上能在水中溶解多少二氧化碳（想象一瓶苏打水），这就是那个场景。你的潜水器[外部]可能会出现气泡。这不会让它下沉，但会减少移动，它们可能会影响侧扫声纳对海底进行成像。这是一个在地球潜水器上根本不会发生的问题。”

正在考虑的另一个探测器更像是一艘小艇。这种机器人被称为无人水面载具 (USV)，它将漂浮在土卫六海的表面，而不是潜入水下。洛伦兹说：“拥有一个只漂浮而无需进行浮力控制的胶囊简化了事情。你可以想象一艘带有推进器的载具——一艘船——那会很有趣。”

但是，一艘船将失去对液柱进行剖面分析的能力，以查看甲烷和乙烷的混合物是否分层。Ligeia Mare 在底部100米深处是否存在富含乙烷的层，类似于黑海底部发现的缺氧层？研究人员在土卫六海岸线发现了蒸发岩——水体蒸发后留下的矿物——的证据，仿佛这些海洋在土卫六历史进程中多次干涸又重新注满。这个故事记录在沉积层中，不仅在海岸线上，也在海底。

尽管如此，先用船对海域进行一些表面探索，类似于1872年至1876年的挑战者号探险队，可能是谨慎的做法。作为世界上首次全球海洋考察的一部分，挑战者号船员通过放下带孔的简单重物，然后将其绞回，对海底进行了采样。土卫六的船只可以以类似的方式探索深海。但是，这些水下探测器是我们探索土卫六等其他世界海洋的最佳选择吗？

“如果你问我，‘潜水艇酷吗？’答案肯定是肯定的。”洛伦兹说，“这些海洋值得探索吗？肯定值得。潜水艇是泰坦探索的下一个合乎逻辑的步骤吗？我不太确定。这是一个全新的世界，有太多未知数。也许潜水艇还要再过一两步才能实现。”

土卫六是一个奇妙的外星世界，但谈到寻找生命，大多数天体生物学家都将目光投向了其他目标。斯通这样说：“木卫二和土卫二存在生命的可能性相当大；它并非零。生命就像一块电池。它需要电子供体，需要电子受体，需要水，还需要碳。这四个组成部分很可能存在于木卫二和土卫二上。两者都是很好的目标。外面还有其他海洋世界，但到目前为止，木卫二才是我们着手研究的。”

斯通指出，一项木卫二飞掠任务——美国宇航局的木卫二快船号——正在全面启动，计划于2022年至2025年间发射。此外，一项拟议的轻型伴随探测器，名为木卫二着陆器，目前正在接受仪器提案。因此，尽管研究人员很乐意探索土卫六的海洋，但木卫二很可能成为第一个被评估水资源的世界。

无论如何，前往外星海底的旅程似乎正在逐步实现。

《天文》杂志特约撰稿人迈克尔·卡罗尔在他的最新科幻小说《木卫二失落的远征》（施普林格出版社，2017年）中描绘了行星潜水器。本文最初以“外星海底之旅”为题刊登于印刷版。