惜別“卡西尼”

劉朗辰 （成都實驗外國語學校）

惜別“卡西尼”

劉朗辰 （成都實驗外國語學校）

Farewell, Cassini

1 “卡西尼-惠更斯”的誕生

土星是太陽系第二大行星，也是地球上用肉眼能夠看到的最遠的行星。她帶有美麗而神秘的光環，由眾多大小不一、形態各異的衛星環繞，儼然一個小型“太陽系”。人類一直對這顆美麗的星球充滿好奇心。

17世紀，意大利天文學家伽利略用自己制作的望遠鏡發現土星長著時有時無的“耳朵”；之后荷蘭科學家惠更斯發現土星“耳朵”實際上是一個又薄又平的圓盤，并首次發現了有衛星環繞土星，即土星最大的衛星—土衛六；意大利-法國天文學家卡西尼進一步觀測又發現了土衛八、土衛五、土衛四、土衛三等4顆衛星，并發現土星環上存在暗縫，被命名為“卡西尼環縫”。

進入航天時代，美國先驅者－11（Pioneer－11）、旅行者－1和2（Voyager－1和2）探測器分別于1979年、1980年和1981年造訪了土星，雖是匆匆一瞥，也獲得了重要科學成果。這更激發了科學家對土星的探測欲望。

1982年，美歐科學家組成聯合工作組，提出合作開展土星探測的建議。隨后經過美國國家航空航天局和歐洲航天局充分論證和協調，確定了土星環繞結合土衛六著陸的探測任務。其中，美國負責研制土星軌道器，以天文學家卡西尼命名；歐洲負責研制土衛六著陸器，以科學家惠更斯命名。“卡西尼-惠更斯”探測器研制過程經歷了經費、技術和進度等問題，雖然一波三折，但仍算順利地完成了研制和發射。

“卡西尼-惠更斯”稱得上出身顯赫，被美國國家航空航天局作為旗艦級項目之一，由美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局合作開展，全球27個國家、5000余名科學家和工程師參與。截至2017年9月，項目總共花費39億美元，其中研制和發射費用25億美元，測控和運管費用14億美元。無論從投入經費還是參與規模來看，都算是人類科技領域的一項超級工程。

“卡西尼-惠更斯”探測器長6.87m、寬4m，總質量5715kg（其中“惠更斯”著陸器質量為320kg），尺寸和質量都與一輛豐田考斯特中巴車相當。探測器攜帶2950kg燃料，占自身質量的50%，而超過50%的燃料用于土星軌道插入時主發動機96min的點火制動。因距離太陽遙遠，探測器采用了3臺放射性同位素核電源提供電力，壽命初期功率為885W，在任務結束時仍能提供633W的功率。

“卡西尼-惠更斯”探測器功能強大，“卡西尼”軌道器攜帶12個科學探測有效載荷：“綜合紅外光譜儀”（CIRS）、“成像科學系統”（ISS）相機套件、“紫外成像光譜儀”（UVIS）、“可見光和紅外測繪光譜儀”（VIMS）、“卡西尼雷達”（CR）、“無線電科學”（RSS）測量儀、“卡西尼等離子體攝譜儀”（CAPS）、“宇宙塵埃分析儀”（CDA）、“離子和中性粒子質譜儀”（INMS）、“磁強計”（MAG）、“磁層成像儀”（MIMI）和“無線電和等離子體波科學”（RPWS）測量儀。“惠更斯”著陸器帶有6個科學探測有效載荷：“下降段成像儀和光譜輻射計”（DISR）、“惠更斯大氣結構探測儀”（HASI）、“氣溶膠收集器和熱解儀”（ACP）、“氣體色譜儀/質譜儀”（GC/MS）、“多普勒測風試驗設備”（DWE）和“表面科學設備包”（SSP）。

科學家將“卡西尼-惠更斯”探測器的科學目標設定為：探測土星環的三維結構及動態特性；探測土星衛星表面構成和地質歷史；探測土衛八陰暗面物質特性和成因；測量土星磁場三維結構和動態特性；觀測土星云頂處大氣的動態特性；觀測土衛六上云和霧霾隨時間變化的動態特性；觀測土衛六局部尺度上的細節情況。

2 探測歷程和科學成果

“卡西尼-惠更斯”探測器于1997年10月15日從美國卡納維拉爾角成功發射，借助2次金星、1次地球和1次木星的引力輔助，于2004年7月1日成功抵達土星，成為人類第一個進入土星軌道的探測器。2014年12月24日探測器釋放出“惠更斯”著陸器，于2005年1月14日穿越土衛六大氣層降落到-180℃的表面，成為人類第一個在外太陽系天體上著陸的探測器。“惠更斯”著陸器在2h27min的下降過程以及1h10min的表面工作過程中獲取了大量科學數據，被譽為空間科學界“巨大的成功”。但成功中也有一些遺憾。“惠更斯”著陸器下降過程中拍攝的圖像只被“卡西尼”軌道器接收到50%，多普勒測風數據則全部丟失。后經調查發現，執行科學數據中繼任務的“卡西尼”軌道器上2臺接收機中有1臺未工作，原因竟是地面控制人員工作疏忽，沒有發出開機指令。

從2004年7月進入土星軌道開始，“卡西尼”軌道器進入為期4年的主任務探測階段。后又執行了2次擴展任務，分別為2008－2010年的“春分”任務和2010－2017年的“夏至”任務。20年的飛行和探測中，“卡西尼-惠更斯”探測器共執行250萬條指令，獲取635GB科學數據，環繞土星軌道293圈，拍攝45萬幅圖像，對土衛六飛越探測127次，對土衛二飛越探測23次，新發現6顆土星衛星，圓滿完成了科學任務。科技人員利用探測數據發表論文3948篇。

“卡西尼-惠更斯”探測器擴展了人類對生命存在形式的了解。“卡西尼”發現在距離太陽10個天文單位的土衛二和土衛六上竟然存在海洋。最轟動的是“卡西尼”剛開始執行任務就觀測到土衛二強烈的地質活動，發現南極地區向外噴發羽狀水蒸氣和冰粒。之后又經過10年的探測，確定土衛二冰蓋下存在含有鹽和簡單有機分子的液態水構成的全球性海洋。2017年4月14日，美國國家航空航天局舉行新聞發布會宣布，科學家認為液態水和能量源這2個生命存在的基本條件在土衛二上全部具備，令其成為太陽系中最有可能存在生命的星球。“卡西尼”還發現土衛六大氣中充滿著生命起源前的化學物質，冰蓋之下還可能存在全球性海洋和熱液循環，科學家懷疑可能有目前未知形式的生命存在。美國國家航空航天局“卡西尼”項目首席科學家柯特·尼艾博（Curt Niebur）說：“‘卡西尼’讓我們認識到，地外生命可能真實存在。”

“卡西尼-惠更斯”探測器發現土衛六是迄今為止最像地球的天體，研究土衛六的氣象、氣候和地質特性，為人類進一步了解地球提供了新途徑。雖然土衛六異常冰冷，但探測器發現土衛六上有河流、湖泊和海洋，還會降下甲烷雨，與生命出現之前的地球非常相似，可用來研究地球生命起源的有機化學過程。同時，科學家還認為土衛六的甲烷蒸發-降雨循環為人類展現了一幅地球未來的畫卷，有助于了解未來太陽活動將如何改變地球海洋與大氣水循環的穩定。

“卡西尼-惠更斯”探測器還是一部時光機器，使我們能夠一窺太陽系和行星系統發展演化的物理過程。科學家把土星系統看成是一個迷你“太陽系”，將土星環作為研究行星形成過程的天然實驗室。“卡西尼”為我們展現了土星及其衛星與土星環之間的動態相互作用，以及新衛星的形成。觀測到的土星環“螺旋槳”結構也同樣符合行星形成的物理過程。土星環的垂直結構及其陰影呈現出的波動圖形與一個小型銀河系非常相像，科學家正以此來研究銀河系的形成。

“卡西尼-惠更斯”探測器的連續探測揭示了土星不為人知的獨特世界。相對于其他探測器遠眺或經過時的匆匆一瞥，“卡西尼”軌道器可以“坐在前排”用13年的時間仔細欣賞和品味土星之奇美，甚至在最后階段可以“走進舞臺深度體驗”。正因如此，才能夠獲得許多偶然的完全超過預期的重大發現。例如，發現土衛二噴發水冰和水蒸氣，發現土星存在磁氣層，發現土衛六大氣中存在著各種復雜的有機化學過程，發現土星自轉不規則等。這些重大發現促使科學家開始重新認識太陽系。

3 英雄壯舉

為保護存在生命跡象的土星衛星不受碰撞污染，美國國家航空航天局決定采取受控撞擊土星的方式來結束“卡西尼”的一生。這也給“卡西尼”提供了一次發揮余熱、深入到一般探測器不敢接近的高度實施探測的獨特機會，可以首次獲得土星電離層和熱層的溫度、磁場和等離子體密度等科學數據。

“卡西尼”的最后一幕從2017年4月首次俯沖穿越土星與土星環之間寬約2000km的縫隙開始，至9月15日墜入土星大氣結束。土星與土星環縫隙區域穿越飛行歷時5個月，到9月8日最后一次穿越縫隙共飛行了22軌，是人類首次進入該區域進行探測。從9月9日開始進入最后的撞擊土星階段。

9月12日03：04（時間均為信號到達地球時刻的北京時間，與“卡西尼”在土星軌道實際飛行有83min的信號傳輸延遲），“卡西尼”開始飛越土衛六，為她最后一次拍照，同時最后一次借助她的引力變軌，從而調低軌道奔向土星大氣層。此次引力輔助機動被科學家稱為“吻別”。

9月13日08：19，“卡西尼”飛過土星軌道遠拱點后，調整姿態對準地球，將獲取的土衛六圖像數據回傳給地球。

9月15日03：58，“卡西尼”執行最后一次土星拍攝任務，拍攝了土星和土星環的彩色圖像，土衛二飛入土星背面的序列圖像，土星環“螺旋槳”結構內處于幼兒階段的小衛星的圖像等。

9月15日05：45，“卡西尼”將高增益天線指向地球，將數據存儲器中的所有數據，包括最后一次土星拍攝任務的數據全部回傳給地球。在最后一次深情回望這顆孕育他的蔚藍色星球后，毅然決然地轉身投入土星的懷抱。

9月15日11：15，地球上位于澳大利亞堪培拉的深空網地面站開始接管“卡西尼”最后階段的跟蹤任務。

9月15日16：37，“卡西尼”開始執行5min滾轉姿態機動，以便使“離子和中性粒子質譜儀”對準運動方向，直接采樣分析土星上層大氣的結構和成分。“卡西尼”數傳系統也轉入實時數據傳輸模式，保持27kbit/s的傳輸速率，將獲取的科學數據不經星上存儲器直接實時回傳。

9月15日19：53，“卡西尼”開始進入土星大氣層，飛行高度處于土星云頂之上1900km。此時推力器開始點火，以10%推力工作約1min，以抵御土星大氣對“卡西尼”產生的擾動，控制“卡西尼”天線指向，保持與地球的通信。

9月15日19：54，推力器轉入100%推力工作，與迅速增大的氣動力矩做最后的抗爭，繼續保持姿態穩定。此時距離云頂高度為1500km。之后，氣動力矩超過了推力器的控制能力，姿態開始失穩，高增益天線丟失地球指向，“卡西尼”永遠消失在茫茫宇宙之中。由于距離遙遠，實際上“卡西尼”在83min前就與我們永別了。

美國國家航空航天局的工程師根據“卡西尼”的設計推測，在隨后幾秒中，“卡西尼”敏感察覺到姿態失穩，立即轉入安全模式，試圖重新穩定姿態，但一切已無法挽救。“卡西尼”馬上進入無規律地翻滾，且速度越來越快。土星大氣的氣動摩擦，再疊加上姿態的翻滾，使“卡西尼”結構承受巨大負荷，最終在接近1個地球大氣壓的土星云頂處碎裂解體并燃燒，殘余碎片將繼續墜落至土星大氣層深處，在土星大氣層內部高溫和高壓的作用下，“卡西尼”所有材料都將化為灰燼，與土星融為一體。

4 結束語

永別了，“卡西尼”！謝謝你！你的終點是人類再次啟程的起點。

目前，“卡西尼”任務取得的許多寶貴經驗正應用于美國國家航空航天局的“歐羅巴快船”（Europa Clipper）木衛二探測任務中，計劃2020年發射。大量“卡西尼”任務的工程師和科學家也加入了“歐羅巴快船”的研制隊伍。

面向未來，科學家正在著手發布新版《行星科學10年調查報告》，開展了未來重返土星的任務概念研究，準備進一步在土衛二和土衛六上尋找生命跡象，進一步開展土星大氣研究。“卡西尼”還開啟了地外海洋學新時代，科學家將在“卡西尼”科學成果的基礎上進一步探測和研究木衛二、天王星和海王星的地下海洋。

星空浩淼，吸引著一代又一代的科學家不斷探索求知。我國正處于探索浩瀚宇宙、建設航天強國的偉大征程之中，而空間探測是其中重要的組成部分，應進一步加大資源投入，加快發展步伐，助推中國夢的實現，推動人類文明的進步和發展。

“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）探測器為土星而生。作為一名偉大的星際旅行者，歷經7年多次行星借力成功抵達土星，向土衛六釋放了“惠更斯”著陸器，完成了主任務和兩次擴展任務，獲得了大量科學發現，為人類展現了宇宙之奇美。在土星軌道上兢兢業業工作13年后，“卡西尼”軌道器已步入風燭殘年。為避免與土衛二、土衛六等帶有生命跡象的土星衛星發生碰撞造成污染，“卡西尼”于2017年9月15日撲進土星的懷抱，把自己的全部奉獻給了追隨一生的土星。在生命最后時刻，“卡西尼”仍發回極具價值的科學數據，以此與人類訣別。作為伴其探測活動一起成長的一名航天愛好者，此刻既對他戀戀不舍，又為他能夠獻身所愛而感到欣慰和驕傲。在此，簡要回顧“卡西尼”的一生，作為與他最后的道別。