美国宇航局设计潜艇探索土星的月亮泰坦的碳氢化合物海

这是NASA卡西尼号太空船发出的近红外彩色马赛克，照耀着泰坦的北海。NASA / JPL / Univ。亚利桑那/大学爱达荷州

当温度降至-300华氏度且海洋由甲烷和乙烷构成时，建造潜艇将变得棘手。

华盛顿州立大学的研究人员正在与美国宇航局合作，以确定潜艇如何在土星上工作，土星是土星众多卫星中最大的卫星，而太阳系中的第二大卫星。航天局计划在未来20年内向泰坦海域发射一艘真正的潜艇。

研究人员在实验室中重新创造了泰坦海洋。他们已在《流体平衡》杂志上发表了一篇有关其工作的论文。

泰坦是研究人员特别感兴趣的，因为它在一种重要的方式上与地球相似，它可以保持液态。与太阳系几乎其他任何地方不同，月球的表面包括海洋，河流和云层，就像地球上一样，它也会下雨。但是，水文循环不是以水为基础，而是以甲烷为基础。

由于有可能在地球上提供的经验教训，美国国家航空航天局（NASA）一直在研究从卡西尼号飞船上收集到的数据，对土星及其卫星进行了十多年的研究。

该机构正在设计的潜艇将必须自主运行。它将需要研究大气和海洋条件，在海床上四处移动，并徘徊在水面或下方。该工程学甚至更加棘手，因为与土质海洋中几乎均匀的水不同，泰坦海洋中乙烷和甲烷的浓度可能会发生巨大变化，并会改变液体的密度特性。

这是WSU甲烷乙烷泰坦泡腾图。华盛顿州立大学

美国宇航局邀请

机械和材料工程学院的前研究生伊恩·理查森（Ian Richardson）获得了解决NASA如何为极端条件建造潜艇的机会。在WSU的低温实验室中，该实验室研究的材料非常冷，理查森（Richardson）重新创造了泰坦的气氛，并测试了小型加热机器在这种条件下如何工作。

理查森（Richardson）拥有WSU的机械工程学士学位，对太空和太空探索技术有着长期的兴趣。他是WSU首次获得NASA太空技术研究奖学金，其中包括在俄亥俄州克利夫兰的NASA格伦研究中心实习。在作为实习生处理另一个问题时，NASA的一位科学家向他提出了为泰坦设计潜艇的问题。

理查森说：“我的研究刚刚转了一个正确的方向，然后我就接受了。”“这是一个疯狂的实验，我从没想过会有这个机会。这是一个非常有趣且具有挑战性的实验设计问题。”

模拟泰坦海

华盛顿州立大学的研究小组建立了一个测试室，在非常冷的温度下容纳液体混合物，以模拟泰坦的海洋。他们增加了一个两英寸的圆柱状筒形加热器，该加热器近似于潜艇将产生的热量。

研究人员面临的最大挑战之一是了解泰坦海中的气泡。在非常冷的泰坦液体中添加由产热机提供动力的潜艇，就会形成氮气气泡。气泡过多会导致难以操纵船舶，查看，获取数据以及管理压载系统。

以-300度拍摄影片

理查森说，下一个大问题是在困难的条件下拍摄视频。他们的研究是在每平方英寸60磅的压力和近-300华氏度的压力下进行的。理查森（Richardson）的小组设计了一种使用称为内窥镜和摄像机的光学设备的解决方案，该设备可以承受低温和高压，以可视化测试室内的情况。

他说：“那不是最友好的条件。”“您必须提出创造性的解决方案。”

研究人员取得了成功，并拍摄了乙烷-甲烷雨雪的视频录像。该小组还研究了甲烷和乙烷湖泊的冻结温度，并确定由于液体中氮的含量少，这些湖泊的冻结温度低于预期的温度：75开氏度，或-324华氏度，而不是90.5开氏度。

理查森说：“这很重要。”“这意味着您不必担心冰山。”

研究人员希望与美国宇航局继续合作，以更新泰坦潜艇的设计。

出版物：I.A.Richardson等人，“液态甲烷-乙烷-ρ氮气混合物的实验性PT-x测量”，流体平衡，2018年； doi：10.1016 / j.fluid.2018.01.023