惜别“卡西尼”

刘朗辰 （成都实验外国语学校）

惜别“卡西尼”

刘朗辰 （成都实验外国语学校）

Farewell, Cassini

1 “卡西尼-惠更斯”的诞生

土星是太阳系第二大行星，也是地球上用肉眼能够看到的最远的行星。她带有美丽而神秘的光环，由众多大小不一、形态各异的卫星环绕，俨然一个小型“太阳系”。人类一直对这颗美丽的星球充满好奇心。

17世纪，意大利天文学家伽利略用自己制作的望远镜发现土星长着时有时无的“耳朵”；之后荷兰科学家惠更斯发现土星“耳朵”实际上是一个又薄又平的圆盘，并首次发现了有卫星环绕土星，即土星最大的卫星—土卫六；意大利-法国天文学家卡西尼进一步观测又发现了土卫八、土卫五、土卫四、土卫三等4颗卫星，并发现土星环上存在暗缝，被命名为“卡西尼环缝”。

进入航天时代，美国先驱者－11（Pioneer－11）、旅行者－1和2（Voyager－1和2）探测器分别于1979年、1980年和1981年造访了土星，虽是匆匆一瞥，也获得了重要科学成果。这更激发了科学家对土星的探测欲望。

1982年，美欧科学家组成联合工作组，提出合作开展土星探测的建议。随后经过美国国家航空航天局和欧洲航天局充分论证和协调，确定了土星环绕结合土卫六着陆的探测任务。其中，美国负责研制土星轨道器，以天文学家卡西尼命名；欧洲负责研制土卫六着陆器，以科学家惠更斯命名。“卡西尼-惠更斯”探测器研制过程经历了经费、技术和进度等问题，虽然一波三折，但仍算顺利地完成了研制和发射。

“卡西尼-惠更斯”称得上出身显赫，被美国国家航空航天局作为旗舰级项目之一，由美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局合作开展，全球27个国家、5000余名科学家和工程师参与。截至2017年9月，项目总共花费39亿美元，其中研制和发射费用25亿美元，测控和运管费用14亿美元。无论从投入经费还是参与规模来看，都算是人类科技领域的一项超级工程。

“卡西尼-惠更斯”探测器长6.87m、宽4m，总质量5715kg（其中“惠更斯”着陆器质量为320kg），尺寸和质量都与一辆丰田考斯特中巴车相当。探测器携带2950kg燃料，占自身质量的50%，而超过50%的燃料用于土星轨道插入时主发动机96min的点火制动。因距离太阳遥远，探测器采用了3台放射性同位素核电源提供电力，寿命初期功率为885W，在任务结束时仍能提供633W的功率。

“卡西尼-惠更斯”探测器功能强大，“卡西尼”轨道器携带12个科学探测有效载荷：“综合红外光谱仪”（CIRS）、“成像科学系统”（ISS）相机套件、“紫外成像光谱仪”（UVIS）、“可见光和红外测绘光谱仪”（VIMS）、“卡西尼雷达”（CR）、“无线电科学”（RSS）测量仪、“卡西尼等离子体摄谱仪”（CAPS）、“宇宙尘埃分析仪”（CDA）、“离子和中性粒子质谱仪”（INMS）、“磁强计”（MAG）、“磁层成像仪”（MIMI）和“无线电和等离子体波科学”（RPWS）测量仪。“惠更斯”着陆器带有6个科学探测有效载荷：“下降段成像仪和光谱辐射计”（DISR）、“惠更斯大气结构探测仪”（HASI）、“气溶胶收集器和热解仪”（ACP）、“气体色谱仪/质谱仪”（GC/MS）、“多普勒测风试验设备”（DWE）和“表面科学设备包”（SSP）。

科学家将“卡西尼-惠更斯”探测器的科学目标设定为：探测土星环的三维结构及动态特性；探测土星卫星表面构成和地质历史；探测土卫八阴暗面物质特性和成因；测量土星磁场三维结构和动态特性；观测土星云顶处大气的动态特性；观测土卫六上云和雾霾随时间变化的动态特性；观测土卫六局部尺度上的细节情况。

2 探测历程和科学成果

“卡西尼-惠更斯”探测器于1997年10月15日从美国卡纳维拉尔角成功发射，借助2次金星、1次地球和1次木星的引力辅助，于2004年7月1日成功抵达土星，成为人类第一个进入土星轨道的探测器。2014年12月24日探测器释放出“惠更斯”着陆器，于2005年1月14日穿越土卫六大气层降落到-180℃的表面，成为人类第一个在外太阳系天体上着陆的探测器。“惠更斯”着陆器在2h27min的下降过程以及1h10min的表面工作过程中获取了大量科学数据，被誉为空间科学界“巨大的成功”。但成功中也有一些遗憾。“惠更斯”着陆器下降过程中拍摄的图像只被“卡西尼”轨道器接收到50%，多普勒测风数据则全部丢失。后经调查发现，执行科学数据中继任务的“卡西尼”轨道器上2台接收机中有1台未工作，原因竟是地面控制人员工作疏忽，没有发出开机指令。

从2004年7月进入土星轨道开始，“卡西尼”轨道器进入为期4年的主任务探测阶段。后又执行了2次扩展任务，分别为2008－2010年的“春分”任务和2010－2017年的“夏至”任务。20年的飞行和探测中，“卡西尼-惠更斯”探测器共执行250万条指令，获取635GB科学数据，环绕土星轨道293圈，拍摄45万幅图像，对土卫六飞越探测127次，对土卫二飞越探测23次，新发现6颗土星卫星，圆满完成了科学任务。科技人员利用探测数据发表论文3948篇。

“卡西尼-惠更斯”探测器扩展了人类对生命存在形式的了解。“卡西尼”发现在距离太阳10个天文单位的土卫二和土卫六上竟然存在海洋。最轰动的是“卡西尼”刚开始执行任务就观测到土卫二强烈的地质活动，发现南极地区向外喷发羽状水蒸气和冰粒。之后又经过10年的探测，确定土卫二冰盖下存在含有盐和简单有机分子的液态水构成的全球性海洋。2017年4月14日，美国国家航空航天局举行新闻发布会宣布，科学家认为液态水和能量源这2个生命存在的基本条件在土卫二上全部具备，令其成为太阳系中最有可能存在生命的星球。“卡西尼”还发现土卫六大气中充满着生命起源前的化学物质，冰盖之下还可能存在全球性海洋和热液循环，科学家怀疑可能有目前未知形式的生命存在。美国国家航空航天局“卡西尼”项目首席科学家柯特·尼艾博（Curt Niebur）说：“‘卡西尼’让我们认识到，地外生命可能真实存在。”

“卡西尼-惠更斯”探测器发现土卫六是迄今为止最像地球的天体，研究土卫六的气象、气候和地质特性，为人类进一步了解地球提供了新途径。虽然土卫六异常冰冷，但探测器发现土卫六上有河流、湖泊和海洋，还会降下甲烷雨，与生命出现之前的地球非常相似，可用来研究地球生命起源的有机化学过程。同时，科学家还认为土卫六的甲烷蒸发-降雨循环为人类展现了一幅地球未来的画卷，有助于了解未来太阳活动将如何改变地球海洋与大气水循环的稳定。

“卡西尼-惠更斯”探测器还是一部时光机器，使我们能够一窥太阳系和行星系统发展演化的物理过程。科学家把土星系统看成是一个迷你“太阳系”，将土星环作为研究行星形成过程的天然实验室。“卡西尼”为我们展现了土星及其卫星与土星环之间的动态相互作用，以及新卫星的形成。观测到的土星环“螺旋桨”结构也同样符合行星形成的物理过程。土星环的垂直结构及其阴影呈现出的波动图形与一个小型银河系非常相像，科学家正以此来研究银河系的形成。

“卡西尼-惠更斯”探测器的连续探测揭示了土星不为人知的独特世界。相对于其他探测器远眺或经过时的匆匆一瞥，“卡西尼”轨道器可以“坐在前排”用13年的时间仔细欣赏和品味土星之奇美，甚至在最后阶段可以“走进舞台深度体验”。正因如此，才能够获得许多偶然的完全超过预期的重大发现。例如，发现土卫二喷发水冰和水蒸气，发现土星存在磁气层，发现土卫六大气中存在着各种复杂的有机化学过程，发现土星自转不规则等。这些重大发现促使科学家开始重新认识太阳系。

3 英雄壮举

为保护存在生命迹象的土星卫星不受碰撞污染，美国国家航空航天局决定采取受控撞击土星的方式来结束“卡西尼”的一生。这也给“卡西尼”提供了一次发挥余热、深入到一般探测器不敢接近的高度实施探测的独特机会，可以首次获得土星电离层和热层的温度、磁场和等离子体密度等科学数据。

“卡西尼”的最后一幕从2017年4月首次俯冲穿越土星与土星环之间宽约2000km的缝隙开始，至9月15日坠入土星大气结束。土星与土星环缝隙区域穿越飞行历时5个月，到9月8日最后一次穿越缝隙共飞行了22轨，是人类首次进入该区域进行探测。从9月9日开始进入最后的撞击土星阶段。

9月12日03：04（时间均为信号到达地球时刻的北京时间，与“卡西尼”在土星轨道实际飞行有83min的信号传输延迟），“卡西尼”开始飞越土卫六，为她最后一次拍照，同时最后一次借助她的引力变轨，从而调低轨道奔向土星大气层。此次引力辅助机动被科学家称为“吻别”。

9月13日08：19，“卡西尼”飞过土星轨道远拱点后，调整姿态对准地球，将获取的土卫六图像数据回传给地球。

9月15日03：58，“卡西尼”执行最后一次土星拍摄任务，拍摄了土星和土星环的彩色图像，土卫二飞入土星背面的序列图像，土星环“螺旋桨”结构内处于幼儿阶段的小卫星的图像等。

9月15日05：45，“卡西尼”将高增益天线指向地球，将数据存储器中的所有数据，包括最后一次土星拍摄任务的数据全部回传给地球。在最后一次深情回望这颗孕育他的蔚蓝色星球后，毅然决然地转身投入土星的怀抱。

9月15日11：15，地球上位于澳大利亚堪培拉的深空网地面站开始接管“卡西尼”最后阶段的跟踪任务。

9月15日16：37，“卡西尼”开始执行5min滚转姿态机动，以便使“离子和中性粒子质谱仪”对准运动方向，直接采样分析土星上层大气的结构和成分。“卡西尼”数传系统也转入实时数据传输模式，保持27kbit/s的传输速率，将获取的科学数据不经星上存储器直接实时回传。

9月15日19：53，“卡西尼”开始进入土星大气层，飞行高度处于土星云顶之上1900km。此时推力器开始点火，以10%推力工作约1min，以抵御土星大气对“卡西尼”产生的扰动，控制“卡西尼”天线指向，保持与地球的通信。

9月15日19：54，推力器转入100%推力工作，与迅速增大的气动力矩做最后的抗争，继续保持姿态稳定。此时距离云顶高度为1500km。之后，气动力矩超过了推力器的控制能力，姿态开始失稳，高增益天线丢失地球指向，“卡西尼”永远消失在茫茫宇宙之中。由于距离遥远，实际上“卡西尼”在83min前就与我们永别了。

美国国家航空航天局的工程师根据“卡西尼”的设计推测，在随后几秒中，“卡西尼”敏感察觉到姿态失稳，立即转入安全模式，试图重新稳定姿态，但一切已无法挽救。“卡西尼”马上进入无规律地翻滚，且速度越来越快。土星大气的气动摩擦，再叠加上姿态的翻滚，使“卡西尼”结构承受巨大负荷，最终在接近1个地球大气压的土星云顶处碎裂解体并燃烧，残余碎片将继续坠落至土星大气层深处，在土星大气层内部高温和高压的作用下，“卡西尼”所有材料都将化为灰烬，与土星融为一体。

4 结束语

永别了，“卡西尼”！谢谢你！你的终点是人类再次启程的起点。

目前，“卡西尼”任务取得的许多宝贵经验正应用于美国国家航空航天局的“欧罗巴快船”（Europa Clipper）木卫二探测任务中，计划2020年发射。大量“卡西尼”任务的工程师和科学家也加入了“欧罗巴快船”的研制队伍。

面向未来，科学家正在着手发布新版《行星科学10年调查报告》，开展了未来重返土星的任务概念研究，准备进一步在土卫二和土卫六上寻找生命迹象，进一步开展土星大气研究。“卡西尼”还开启了地外海洋学新时代，科学家将在“卡西尼”科学成果的基础上进一步探测和研究木卫二、天王星和海王星的地下海洋。

星空浩淼，吸引着一代又一代的科学家不断探索求知。我国正处于探索浩瀚宇宙、建设航天强国的伟大征程之中，而空间探测是其中重要的组成部分，应进一步加大资源投入，加快发展步伐，助推中国梦的实现，推动人类文明的进步和发展。

“卡西尼-惠更斯”（Cassini-Huygens）探测器为土星而生。作为一名伟大的星际旅行者，历经7年多次行星借力成功抵达土星，向土卫六释放了“惠更斯”着陆器，完成了主任务和两次扩展任务，获得了大量科学发现，为人类展现了宇宙之奇美。在土星轨道上兢兢业业工作13年后，“卡西尼”轨道器已步入风烛残年。为避免与土卫二、土卫六等带有生命迹象的土星卫星发生碰撞造成污染，“卡西尼”于2017年9月15日扑进土星的怀抱，把自己的全部奉献给了追随一生的土星。在生命最后时刻，“卡西尼”仍发回极具价值的科学数据，以此与人类诀别。作为伴其探测活动一起成长的一名航天爱好者，此刻既对他恋恋不舍，又为他能够献身所爱而感到欣慰和骄傲。在此，简要回顾“卡西尼”的一生，作为与他最后的道别。