在探索太阳系神秘天体的征程中，土星的卫星泰坦成为了科学家们关注的焦点。泰坦表面布满了由甲烷、乙烷等碳氢化合物构成的河流、湖泊和海洋，还拥有独特的“喀斯特”地貌，如地下天坑和洞穴。然而，普通探测车在这样的地表环境中行动困难，相比之下，飞行器或许能在这片神秘之地发挥更大作用。
为了深入探索泰坦的洞穴，美国国家航空航天局（NASA）早期阶段的“创新先进概念”（NIAC）计划近日提供了一项新的研究资助，目标是研发体积小巧的飞行器。该项目名为SPARK，全称为“用于喀斯特地貌自主侦察的固态推进系统”。项目负责人是夏威夷大学马诺阿分校助理教授Daniel Drew，他在接受Space.com采访时表示，目前尚不确定这种飞行机器人能否赶上NASA的“蜻蜓”（Dragonfly）任务。
SPARK项目目前处于为期9个月的第一阶段资助期，之后还需完成最长两年的第二阶段研究，才会进入发射准备阶段。而NASA的Dragonfly任务计划于2028年发射，若任务延期，SPARK未来加入任务后期阶段的可能性将增加。Drew谈到SPARK时说：“假设我们已经错过了Dragonfly的窗口，那么这与目前泰坦任务的时间表究竟如何衔接？我不知道。”不过，他认为无论何时发射，SPARK凭借其新型离子（电）推进器，都有望在泰坦上取得良好表现。
这种新型离子推进器设计具有诸多优势，它能提供持续飞行能力、机动性，以及在近低温（冰冷）环境下的可靠性，同时还能尽可能减少下洗气流对具有科学研究价值的碳氢化合物分层结构造成的扰动。Drew希望SPARK能成为泰坦洞穴探索任务的先驱，就像火星上的Ingenuity（机智号）直升机一样。Ingenuity最终完成了72次飞行，远超当初任务设计目标，实际飞行次数超过原计划的10倍。
Drew的研究之路始于他在加州大学伯克利分校读研究生期间，当时他就开始研究一种特殊的离子推进器，即电流体动力学（EHD）推进技术。在美国国家科学基金会（NSF）奖学金的支持下，他研究了多种飞行器设计，并逐渐对制造能通过扇动翅膀飞行的、类似真实生物的机器人产生了兴趣。在研究过程中，他“几乎完全是偶然”接触到了业余爱好者组成的“升力器”（lifter）社区。
“这些原型机由三角形轻木、漆包线和铝箔制成。你可以通过从微波炉、CRT显示器或其他设备中拆下的高压变压器，将它们连接到4万伏的电压，它们就能漂浮在桌面上。”Drew说，“YouTube上有很多人制作这类设备的视频。”进一步查阅历史资料后，他发现NASA和美国空军过去也曾开展过与这些业余爱好者所使用技术类似的早期实验和研究。
巧合的是，NIAC当时也向另一个由麻省理工学院领导的研究团队提供了资金，该团队正在研究如何利用EHD推进技术制造用于地球环境的飞行器。Drew意识到这可能是一个极具潜力的研究方向，于是沿着这个思路继续研究，发表了一系列论文，研发出了由大气离子推进器驱动的厘米级微型飞行机器人。
在获得NIAC资助之前，Drew已经取得了多项成果。他首次展示了微加工EHD执行器，还实现了让厘米级“离子飞行器”（ionocraft）起飞并进一步搭载有效载荷等“首次”。他最近还发表了一篇论文，介绍首款采用离子推进的微型悬浮飞行器的设计和起飞，这篇论文发布在预印本平台arXiv上。他表示：“这听起来可能已经是一份相当不错的重要成果清单，但实际上，这个领域并没有很多人在研究。我基本上是在和自己赛跑。”
如今有了NIAC的支持，Drew希望进一步研究EHD推进技术的优势，如具备良好的可扩展性、几乎完全没有噪音，以及结构简单。由于它属于固态推进系统，需要处理的零部件更少。他指出，这项技术未来也可能应用于泰坦之外的领域，例如全电动飞机、室内无人机以及微型飞行器集群等。不过，他也认为这种技术的实际应用范围会受到限制，“最大的弱点在于，它的效率实在不高。”Drew表示，“除非出现重大技术突破，否则在绝大多数地球上的应用场景中，它都不可能真正与旋翼、喷气发动机等传统推进方式竞争。”
由于第一阶段研究时间只有大约9个月，Drew和他的合作伙伴计划迅速开展实验。团队成员包括NASA喷气推进实验室（JPL）的Ethan Schaler和Jacob Izraelevitz，以及蓝色大理石空间科学研究所（Blue Marble Space Institute of Science）的Michael Malaska。他们将针对电力供应等关键因素，对不同子系统展开“权衡研究”，确定哪些部分最值得优先投入资源，同时还将建立模型，研究热效应对电力系统等部件可能造成的影响。
Drew表示：“‘站在巨人的肩膀上’这一理念已经深深融入NIAC的文化之中。”他指出，团队在整个研究结束时最重要的成果将是一份全面且公开的报告。“充分利用过去相关研究报告以及该领域其他公开研究成果，对于做好这项工作至关重要。”
