卡西尼惠更斯号

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发展历史

卡西尼号探测器以意大利出生的法国天文学家，土星光环环缝的发现者卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行。惠更斯号探测器是卡西尼号携带的子探测器，它以荷兰物理学家、天文学家和数学家，土卫六的发现者惠更斯的名字命名，其任务是深入土卫六的大气层，对土星最大的卫星土卫六进行实地考察。

1997年10月15日从肯尼迪航天中心发射升空的卡西尼—惠更斯号飞船将于2004年07月到达土星周围。这个项目由两部分组成：卡西尼号轨道器会环绕土星及其卫星运行四年之久，而惠更斯号探测器则会深入土卫六浓雾包围的大气层并在其表面着陆。安装在这两枚探测器上的精密仪器将会为科学家们提供帮助弄清这片神秘而辽阔的区域的重要数据。

卡西尼—惠更斯号是不同国家的三个航天局的协作成果。有十七个国家参与建造了这艘飞船。卡西尼号轨道器由美国国家航空航天局下属的喷气推进实验室建造和管理。惠更斯号探测器由欧洲空间局建造。意大利航天局则为卡西尼号提供了用于通讯的高增益天线。来自世界各地总共超过200位科学家将会参与研究收集到的数据。

卡西尼惠更斯号卡西尼惠更斯号(9)

卡西尼-惠更斯号的起源可以追溯到1982年，当欧洲科学基金会和美国美国国家科学院组成一个探讨未来合作任务的工作组之际，两位欧洲的科学家建议土星轨道器和泰坦登陆器组合的联合任务。在1983年，NASA的太阳系探索委员会建议相同的轨道飞行器和探测器作为美国宇航局的核心任务。NASA和欧洲空间局（ESA）从1984年至1985年研究联合执行潜在任务派遣的可行性。欧洲空间局在1986年仍继续自行研究，而美国太空人莎莉·莱德在1987年提出自身研究的报告：NASA Leadership and America's Future in Space ，也审查和核准了卡西尼任务。

虽然莱德的报告是叙述NASA独立派遣绕行土星的航天器和探测器，而在1988年NASA的太空科学和应用协会的理事长Len Fisk 带回了NASA和ESA联合派遣任务的想法。他写信给在ESA的欧洲联络人，Roger Bonnet，强烈建议从当时的三项候选任务中选择卡西尼任务，并承诺尽快让NASA选择同意与ESA合作执行。

当时，NASA对欧洲和美国在太空计划上的发展，因为欧洲有不同的看法，已经不像以前那样的平等合作，而变得更为敏感。NASA参与卡西尼-惠更斯计划的官方和顾问都试图扭转这种趋势，强调他们渴望均匀分享由此任务所产生的任何科学成就和利益。这种与欧洲合作新趋势的另外一部分原因是受到欧洲与苏联已经开始更密切的合作，这会使得ESA与NASA渐行渐远，因而增加了NASA的竞争意识。

合作不仅改善了两个集团的太空计划，也让卡西尼-惠更斯号在美国国会削减预算之后仍然能够执行。该计划在1992年和1994年两度遭到政治之火波及，但NASA成功说服美国国会停止该专案计划是不明智的，在EAS已经将资金投入发展之后，因为受到挫折而伤害到执行太空探险计划的承诺，可能影响到其他领域的对外关系。在1994年之后，虽然有关注其对环境影响的民间团体试图通过抗议和诉讼破坏，但直到1997年发射之前，都未再受到政治干扰而能顺利进行

星际轨迹

1997年10月15日——— —发射

1998年04月26日——— —第一次掠过金星(变轨)

1998年12月03日——— —深空轨道机动

1999年06月24日——— —第二次掠过金星(变轨)

1999年08月18日——— —掠过地球(变轨)

2000年01月23日——— —掠过小行星带中的小行星2685

2000年12月30日——— —掠过木星(变轨)

2004年06月11日——— —掠过土卫九

2004年07月01日——— —进入环绕土星轨道

2004年07月02日——— —第一次掠过土卫六

2004年12月25日——— —“惠更斯”号与“卡西尼”号分离

2005年01月14日——— —“惠更斯”号在土卫六着陆

2005年08月01日——— —掠过土卫一

2005年09月23日——— —掠过土卫三

2005年09月25日——— —掠过土卫六

2005年10月10日——— —掠过土卫四

2005年11月25日——— —掠过土卫五

2007年12月03日——— —掠过土卫十一

2008年06月30日——— —基本任务完成^[1]

探测目的

卡西尼号有几个目标，包括：

测量土星环的三维结构和动态行为。
测量卫星表面的组成和每一科的地质历史。
测量Iapetus在前导半球的黑暗物质性质和起源。
测量磁层的三维结构和动态行为。
研究土星的大气层在各个层面的动态行为。
研究泰坦的云和霾随着时间的变异性。
研究泰坦表面在局部区域尺度上的特征。
卡西尼-惠更斯号于1997年10月15日从卡纳维拉尔角空军基地的40号综合发射台，使用美国空军的泰坦4VB/半人马火箭发射。完整的发射是由两节的泰坦4V助推火箭、两个捆扎的固态火箭，半人马火箭是上一节，和有效载荷的外壳或整流罩。
这个科学探测任务的总经费约是美金32亿6000万，包括发射前发展所耗用的14亿，以及7亿400万的任务操作，5400万用于追踪，还有4亿2200万用于发射的运载火箭。美国承担了26亿（80%）费用，ESA负担了5亿（15%），ASI负担1亿6000万（5%）。
卡西尼号的主要任务已经于2008年7月30日完成；但因资源尚足够便延长至2010年6月（分点任务）[15]。土星于2009年8月经过春分点，这段时间对土星做了详细的研究。
在2010年2月3日，宣布卡西尼号的任务再度延长约6.5年，直到2017年9月。结束任务的时间是土星北半球的夏至，所以任务名称为至点任务。延伸的任务让卡西尼号多绕行土星155圈，并飞越泰坦54次、恩克拉多斯11次。在2017年，在与泰坦邂逅后，卡西尼号将改变它的轨道型态。它将在土星环最内侧的D环之内，以距离土星云层顶端3,000千米接近土星。这一连串的“近端轨道”最后将卡西尼号像探测土卫六的探测器一样，进入土星的大气层来结束任务。

探测任务

卡西尼号探测器的任务是环绕土星飞行。惠更斯号探测器是卡西尼号携带的子探测器,其任务是深入土卫六的大气层,对土星最大的卫星土卫六进行实地考察。

这是一次漫长的宇宙飞行:单向行程为35亿公里,飞行时间为7年。卡西尼是由大力神4B运载火箭发射升空的。为减少发射时运载器的能量,卡西尼是沿着地球—金星-金星-地球-木星的借力飞行路线飞临土星轨道,探测器于1997年10月15日升空,1998年4月26日首次掠过金星,利用金星引力获得加速;1999年6月24日再次掠过金星,获得金星引力的第二次加速;同年8月18日掠过地球,被地球引力再次加速;2000年12月30日掠过木星,又获得了木星引力的加速。这时它的速度超过了每秒30千米。然后它才径直向目的地土星飞去。2004年5月18日,来自土星的引力首次超过来自太阳的引力,卡西尼正式进入土星系^[2]。

既然是耗费了这么大的成本,花费了如此多的心血,卡西尼-惠更斯号探测器的这次旅行肯定要给人类的宇宙探索带来一定的回报。它这次是带着三项任务出发的。一是绕土星飞行76圈,考察土星及其内部构成。卡西尼轨道器主要用于测量土星的全球风场及其波动,长期观测土星云相以了解土星云是怎样消长和演变的,确定土星大气层的温度场、云的特征和成分以及深层大气的内部结构和旋转,确定土星形成和演变期间的成分、热通量和辐射环境,研究电离层和磁场之间的关系和日变化以及土星闪电(其跨度可达6万千米)的发源和特征^[2]。

二是研究神秘的土星环,搞清它到底是怎么形成的。它将绘制土星环物质的成分和大小分布图,研究环的构形及与土星卫星的相互作用等。它还将探明土星环的成因,为彻底解开大行星的光环之谜作准备^[2]。

三是对有31个成员的土星“卫星大家族”进行考察。卡西尼将52次掠过7颗土星卫星,其间它将45次从距土卫六表面约950千米的上空飞过,对其表面进行高清晰度拍照,包括透过云层用雷达绘制土卫六表面结构图^[2]。

登陆过程

经历了7年35亿公里航程的卡西尼号于2004年7月1日10时30分进入土星轨道,开始进行人类有史以来对土星及其31颗已知卫星最详尽的探测。

卡西尼号从2004年1月起,就开始拍摄土星家族全面、完整的照片和电影。卡西尼号携带的照相机,比哈勃太空望远镜上的同类照相机性能更好^[2]。

飞离地球7年后,欧洲惠更斯号探测器终于2005年1月14日,在土星的第六颗卫星—泰坦的表面着陆。作为第一个登陆土卫六的探测器,科学家希望惠更斯号此行能够揭开土卫六的神秘面纱。

“卡西尼号”还要环绕土星进行7次近距离飞行,对土星及其大气、光环、卫星和磁场等进行深入考察。这将成为今年行星科学最引人注目的大事^[2]。

全面探测土星家族

“卡西尼号”在环绕土星运行的4年中,将近距离地纵览土星全貌,对土星和它众多的卫星进行全面考察。

2005年2月17日,“卡西尼号”将在离开土卫二1179千米处经过,而同年3月9日,距离更近到499千米。土卫二半径250千米,表面非常明亮,几乎能反射百分之百的阳光。科学家怀疑它的表面是光滑的冰层,还将探测它的磁场,以判断它的表层下面是否有含盐分的水存在^[2]。

2005年4～ 9月,“卡西尼号”的轨道将从土星赤道面改变到与赤道面成22度夹角的另一平面轨道,居高临下对土星光环和大气进行测量,进一步探测光环结构、组成光环的物质粒子和土星大气物理特性。

2005年9～ 11月,“卡西尼号”将逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三,分别对它们进行观测。土卫四半径560千米,土卫五半径870千米,它们的外表很像我们的月亮,密布环形山。土卫七位于土卫六与土卫八之间,形状不规则,最长处直径175千米,很像一颗小行星。土卫三半径530千米,密度和水一样,很可能是一个冰球^[2]。

2006年7月到2007年7月,“卡西尼号”将系统地监视和拍摄土星、土星光环、土星磁层的图像。2007年7～ 9月,它将再次拍摄土星及其家族的电影,并在9月10日到离开土卫八约1000千米处对土卫八进行观测。土卫八半径为720千米,其表面一面颜色很暗,另一面却接近白色,很为奇特。

2007年10月到2008年7月,“卡西尼号”将逐步增大飞行轨道与土星赤道平面的夹角,最后达到75.6度。这样就能更好地观测土星的光环,测量远离土星赤道平面处的磁场和粒子,监视土星的两极地区和观测土星极光现象。其间,在2007年12月3日和2008年3月12日,它将两次接近土卫十一,分别在离开土卫十一6190千米和995千米处对这颗卫星进行观测^[2]。