惜別“卡西尼”

劉朗辰 （成都實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校）

惜別“卡西尼”

劉朗辰 （成都實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)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(yuǎn)的行星。她帶有美麗而神秘的光環(huán)，由眾多大小不一、形態(tài)各異的衛(wèi)星環(huán)繞，儼然一個(gè)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(jì)，意大利天文學(xué)家伽利略用自己制作的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)土星長著時(shí)有時(shí)無的“耳朵”；之后荷蘭科學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)土星“耳朵”實(shí)際上是一個(gè)又薄又平的圓盤，并首次發(fā)現(xiàn)了有衛(wèi)星環(huán)繞土星，即土星最大的衛(wèi)星—土衛(wèi)六；意大利-法國天文學(xué)家卡西尼進(jìn)一步觀測又發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)八、土衛(wèi)五、土衛(wèi)四、土衛(wèi)三等4顆衛(wèi)星，并發(fā)現(xiàn)土星環(huán)上存在暗縫，被命名為“卡西尼環(huán)縫”。

進(jìn)入航天時(shí)代，美國先驅(qū)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(xué)成果。這更激發(fā)了科學(xué)家對土星的探測欲望。

1982年，美歐科學(xué)家組成聯(lián)合工作組，提出合作開展土星探測的建議。隨后經(jīng)過美國國家航空航天局和歐洲航天局充分論證和協(xié)調(diào)，確定了土星環(huán)繞結(jié)合土衛(wèi)六著陸的探測任務(wù)。其中，美國負(fù)責(zé)研制土星軌道器，以天文學(xué)家卡西尼命名；歐洲負(fù)責(zé)研制土衛(wèi)六著陸器，以科學(xué)家惠更斯命名?！翱ㄎ髂?惠更斯”探測器研制過程經(jīng)歷了經(jīng)費(fèi)、技術(shù)和進(jìn)度等問題，雖然一波三折，但仍算順利地完成了研制和發(fā)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(xiàng)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(gè)國家、5000余名科學(xué)家和工程師參與。截至2017年9月，項(xiàng)目總共花費(fèi)39億美元，其中研制和發(fā)射費(fèi)用25億美元，測控和運(yùn)管費(fèi)用14億美元。無論從投入經(jīng)費(fèi)還是參與規(guī)模來看，都算是人類科技領(lǐng)域的一項(xiàng)超級工程。

“卡西尼-惠更斯”探測器長6.87m、寬4m，總質(zhì)量5715kg（其中“惠更斯”著陸器質(zhì)量為320kg），尺寸和質(zhì)量都與一輛豐田考斯特中巴車相當(dāng)。探測器攜帶2950kg燃料，占自身質(zhì)量的50%，而超過50%的燃料用于土星軌道插入時(shí)主發(fā)動(dòng)機(jī)96min的點(diǎn)火制動(dòng)。因距離太陽遙遠(yuǎn)，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(wù)結(jié)束時(shí)仍能提供633W的功率。

“卡西尼-惠更斯”探測器功能強(qiáng)大，“卡西尼”軌道器攜帶12個(gè)科學(xué)探測有效載荷：“綜合紅外光譜儀”（CIRS）、“成像科學(xué)系統(tǒng)”（ISS）相機(jī)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(dá)”（CR）、“無線電科學(xué)”（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(zhì)譜儀”（INMS）、“磁強(qiáng)計(jì)”（MAG）、“磁層成像儀”（MIMI）和“無線電和等離子體波科學(xué)”（RPWS）測量儀?！盎莞埂敝懫鲙в?個(gè)科學(xué)探測有效載荷：“下降段成像儀和光譜輻射計(jì)”（DISR）、“惠更斯大氣結(jié)構(gòu)探測儀”（HASI）、“氣溶膠收集器和熱解儀”（ACP）、“氣體色譜儀/質(zhì)譜儀”（GC/MS）、“多普勒測風(fēng)試驗(yàn)設(shè)備”（DWE）和“表面科學(xué)設(shè)備包”（SSP）。

科學(xué)家將“卡西尼-惠更斯”探測器的科學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：探測土星環(huán)的三維結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性；探測土星衛(wèi)星表面構(gòu)成和地質(zhì)歷史；探測土衛(wèi)八陰暗面物質(zhì)特性和成因；測量土星磁場三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性；觀測土星云頂處大氣的動(dòng)態(tài)特性；觀測土衛(wèi)六上云和霧霾隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性；觀測土衛(wèi)六局部尺度上的細(xì)節(jié)情況。

2 探測歷程和科學(xué)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(fā)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(dá)土星，成為人類第一個(gè)進(jìn)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(wèi)六大氣層降落到-180℃的表面，成為人類第一個(gè)在外太陽系天體上著陸的探測器?！盎莞埂敝懫髟?h27min的下降過程以及1h10min的表面工作過程中獲取了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，被譽(yù)為空間科學(xué)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(fēng)數(shù)據(jù)則全部丟失。后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行科學(xué)數(shù)據(jù)中繼任務(wù)的“卡西尼”軌道器上2臺接收機(jī)中有1臺未工作，原因竟是地面控制人員工作疏忽，沒有發(fā)出開機(jī)指令。

從2004年7月進(jìn)入土星軌道開始，“卡西尼”軌道器進(jìn)入為期4年的主任務(wù)探測階段。后又執(zhí)行了2次擴(kuò)展任務(wù)，分別為2008－2010年的“春分”任務(wù)和2010－2017年的“夏至”任務(wù)。20年的飛行和探測中，“卡西尼-惠更斯”探測器共執(zhí)行250萬條指令，獲取635GB科學(xué)數(shù)據(jù)，環(huán)繞土星軌道293圈，拍攝45萬幅圖像，對土衛(wèi)六飛越探測127次，對土衛(wèi)二飛越探測23次，新發(fā)現(xiàn)6顆土星衛(wèi)星，圓滿完成了科學(xué)任務(wù)?？萍既藛T利用探測數(shù)據(jù)發(fā)表論文3948篇。

“卡西尼-惠更斯”探測器擴(kuò)展了人類對生命存在形式的了解。“卡西尼”發(fā)現(xiàn)在距離太陽10個(gè)天文單位的土衛(wèi)二和土衛(wèi)六上竟然存在海洋。最轟動(dòng)的是“卡西尼”剛開始執(zhí)行任務(wù)就觀測到土衛(wèi)二強(qiáng)烈的地質(zhì)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)南極地區(qū)向外噴發(fā)羽狀水蒸氣和冰粒。之后又經(jīng)過10年的探測，確定土衛(wèi)二冰蓋下存在含有鹽和簡單有機(jī)分子的液態(tài)水構(gòu)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(fā)布會宣布，科學(xué)家認(rèn)為液態(tài)水和能量源這2個(gè)生命存在的基本條件在土衛(wèi)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(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六大氣中充滿著生命起源前的化學(xué)物質(zhì)，冰蓋之下還可能存在全球性海洋和熱液循環(huán)，科學(xué)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(xiàng)目首席科學(xué)家柯特·尼艾博（Curt Niebur）說：“‘卡西尼’讓我們認(rèn)識到，地外生命可能真實(shí)存在?！?/p>

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

“卡西尼-惠更斯”探測器還是一部時(shí)光機(jī)器，使我們能夠一窺太陽系和行星系統(tǒng)發(fā)展演化的物理過程?？茖W(xué)家把土星系統(tǒng)看成是一個(gè)迷你“太陽系”，將土星環(huán)作為研究行星形成過程的天然實(shí)驗(yàn)室?！翱ㄎ髂帷睘槲覀冋宫F(xiàn)了土星及其衛(wèi)星與土星環(huán)之間的動(dòng)態(tài)相互作用，以及新衛(wèi)星的形成。觀測到的土星環(huán)“螺旋槳”結(jié)構(gòu)也同樣符合行星形成的物理過程。土星環(huán)的垂直結(jié)構(gòu)及其陰影呈現(xiàn)出的波動(dòng)圖形與一個(gè)小型銀河系非常相像，科學(xué)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(xù)探測揭示了土星不為人知的獨(dú)特世界。相對于其他探測器遠(yuǎn)眺或經(jīng)過時(shí)的匆匆一瞥，“卡西尼”軌道器可以“坐在前排”用13年的時(shí)間仔細(xì)欣賞和品味土星之奇美，甚至在最后階段可以“走進(jìn)舞臺深度體驗(yàn)”。正因如此，才能夠獲得許多偶然的完全超過預(yù)期的重大發(fā)現(xiàn)。例如，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二噴發(fā)水冰和水蒸氣，發(fā)現(xiàn)土星存在磁氣層，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六大氣中存在著各種復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)土星自轉(zhuǎn)不規(guī)則等。這些重大發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家開始重新認(rèn)識太陽系。

3 英雄壯舉

為保護(hù)存在生命跡象的土星衛(wèi)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(jié)束“卡西尼”的一生。這也給“卡西尼”提供了一次發(fā)揮余熱、深入到一般探測器不敢接近的高度實(shí)施探測的獨(dú)特機(jī)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(xué)數(shù)據(jù)。

“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(huán)之間寬約2000km的縫隙開始，至9月15日墜入土星大氣結(jié)束。土星與土星環(huán)縫隙區(qū)域穿越飛行歷時(shí)5個(gè)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(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行探測。從9月9日開始進(jìn)入最后的撞擊土星階段。

9月12日03：04（時(shí)間均為信號到達(dá)地球時(shí)刻的北京時(shí)間，與“卡西尼”在土星軌道實(shí)際飛行有83min的信號傳輸延遲），“卡西尼”開始飛越土衛(wèi)六，為她最后一次拍照，同時(shí)最后一次借助她的引力變軌，從而調(diào)低軌道奔向土星大氣層。此次引力輔助機(jī)動(dòng)被科學(xué)家稱為“吻別”。

9月13日08：19，“卡西尼”飛過土星軌道遠(yuǎn)拱點(diǎn)后，調(diào)整姿態(tài)對準(zhǔn)地球，將獲取的土衛(wèi)六圖像數(shù)據(jù)回傳給地球。

9月15日03：58，“卡西尼”執(zhí)行最后一次土星拍攝任務(wù)，拍攝了土星和土星環(huán)的彩色圖像，土衛(wèi)二飛入土星背面的序列圖像，土星環(huán)“螺旋槳”結(jié)構(gòu)內(nèi)處于幼兒階段的小衛(wèi)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(shù)據(jù)存儲器中的所有數(shù)據(jù)，包括最后一次土星拍攝任務(wù)的數(shù)據(jù)全部回傳給地球。在最后一次深情回望這顆孕育他的蔚藍(lán)色星球后，毅然決然地轉(zhuǎn)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(wǎng)地面站開始接管“卡西尼”最后階段的跟蹤任務(wù)。

9月15日16：37，“卡西尼”開始執(zhí)行5min滾轉(zhuǎn)姿態(tài)機(jī)動(dòng)，以便使“離子和中性粒子質(zhì)譜儀”對準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方向，直接采樣分析土星上層大氣的結(jié)構(gòu)和成分?！翱ㄎ髂帷睌?shù)傳系統(tǒng)也轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模式，保持27kbit/s的傳輸速率，將獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)不經(jīng)星上存儲器直接實(shí)時(shí)回傳。

9月15日19：53，“卡西尼”開始進(jìn)入土星大氣層，飛行高度處于土星云頂之上1900km。此時(shí)推力器開始點(diǎn)火，以10%推力工作約1min，以抵御土星大氣對“卡西尼”產(chǎn)生的擾動(dòng)，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(zhuǎn)入100%推力工作，與迅速增大的氣動(dòng)力矩做最后的抗?fàn)?，繼續(xù)保持姿態(tài)穩(wěn)定。此時(shí)距離云頂高度為1500km。之后，氣動(dòng)力矩超過了推力器的控制能力，姿態(tài)開始失穩(wěn)，高增益天線丟失地球指向，“卡西尼”永遠(yuǎn)消失在茫茫宇宙之中。由于距離遙遠(yuǎn)，實(shí)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(jù)“卡西尼”的設(shè)計(jì)推測，在隨后幾秒中，“卡西尼”敏感察覺到姿態(tài)失穩(wěn)，立即轉(zhuǎn)入安全模式，試圖重新穩(wěn)定姿態(tài)，但一切已無法挽救。“卡西尼”馬上進(jìn)入無規(guī)律地翻滾，且速度越來越快。土星大氣的氣動(dòng)摩擦，再疊加上姿態(tài)的翻滾，使“卡西尼”結(jié)構(gòu)承受巨大負(fù)荷，最終在接近1個(gè)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(xù)墜落至土星大氣層深處，在土星大氣層內(nèi)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(jié)束語

永別了，“卡西尼”！謝謝你！你的終點(diǎn)是人類再次啟程的起點(diǎn)。

目前，“卡西尼”任務(wù)取得的許多寶貴經(jīng)驗(yàn)正應(yīng)用于美國國家航空航天局的“歐羅巴快船”（Europa Clipper）木衛(wèi)二探測任務(wù)中，計(jì)劃2020年發(fā)射。大量“卡西尼”任務(wù)的工程師和科學(xué)家也加入了“歐羅巴快船”的研制隊(duì)伍。

面向未來，科學(xué)家正在著手發(fā)布新版《行星科學(xué)10年調(diào)查報(bào)告》，開展了未來重返土星的任務(wù)概念研究，準(zhǔn)備進(jìn)一步在土衛(wèi)二和土衛(wèi)六上尋找生命跡象，進(jìn)一步開展土星大氣研究。“卡西尼”還開啟了地外海洋學(xué)新時(shí)代，科學(xué)家將在“卡西尼”科學(xué)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探測和研究木衛(wèi)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(xué)家不斷探索求知。我國正處于探索浩瀚宇宙、建設(shè)航天強(qiáng)國的偉大征程之中，而空間探測是其中重要的組成部分，應(yīng)進(jìn)一步加大資源投入，加快發(fā)展步伐，助推中國夢的實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)人類文明的進(jìn)步和發(fā)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(jīng)7年多次行星借力成功抵達(dá)土星，向土衛(wèi)六釋放了“惠更斯”著陸器，完成了主任務(wù)和兩次擴(kuò)展任務(wù)，獲得了大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為人類展現(xiàn)了宇宙之奇美。在土星軌道上兢兢業(yè)業(yè)工作13年后，“卡西尼”軌道器已步入風(fēng)燭殘年。為避免與土衛(wèi)二、土衛(wèi)六等帶有生命跡象的土星衛(wèi)星發(fā)生碰撞造成污染，“卡西尼”于2017年9月15日撲進(jìn)土星的懷抱，把自己的全部奉獻(xiàn)給了追隨一生的土星。在生命最后時(shí)刻，“卡西尼”仍發(fā)回極具價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，以此與人類訣別。作為伴其探測活動(dòng)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(xiàn)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。