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探索者「卡西尼号」即将终结于35亿公里之外的星球

 msgqs 2017-04-06

卡西尼惠更斯任务是美国宇航局,欧空局(欧空局)和意大利航天局的合作项目。 JPL负责管理美国航空航天局科学任务总局的任务。 JPL设计,开发和组装了卡西尼轨道器。

探索者「卡西尼号」即将终结于35亿公里之外的星球

图左为装配完毕的卡西尼号,图右为卡西尼号部件详解。

在土星的时候,卡西尼已经做出了许多戏剧性的发现,其中包括被冰覆盖的土卫二,并推算出冰冷的土卫二底下海洋的活跃性,以及土卫六上伴有甲烷的浓厚大气层。

卡西尼号发射20年以后,环绕星球轨道13年之后,卡西尼的燃料运行不足。 2010年,美国宇航局决定今年结束对土星的探测,分析相关数据,将对未来进一步勘探提供帮助,特别是潜在居住的土卫六。

卡西尼的开始,在许多方面就像一个全新的使命。卡西尼工程师们利用了多年的经验,设计了一个飞行计划,将最大限度地发挥航天器的科学探测上的价值。由于在未来五个月内剔除其终端轨道,该任务将提出令人印象深刻的科学成就清单。

NASA在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室(JPL)的卡西尼项目科学家琳达·斯皮勒(Linda Spilker)表示:“卡西尼旅程在寿命结束时会做出一些最特别的观察。”

任务团队希望能够获得对土星内部结构和土星环起源的强有力的洞察力,第一次对土星大气和粒子进行抽样,并且捕捉到最近有关土星的云层和内环的现象。目前,该团队正在对机器人探测器将遵循的命令列表进行最终检查,以执行其科学观察(称为程序)。该程序预定于4月11日星期二上传至航天器。

卡西尼将于4月22日星期六过渡到其巨大的终点轨道,与土卫六泰坦进行最后一次紧密飞行。在任务过程中泰坦的重力将使卡西尼的飞行路线弯曲。卡西尼的轨道会缩小,使它在土星和土星环的内缘之间通过。

9月中旬,随着与泰坦的遥远的相遇,航天器的路径将弯曲,以便潜入土星。当卡西尼在9月15日进入土星轨道中时,它会发出多方面的数据,最引人注目的是关于大气组成的数据,直到信号丢失为止。

“卡西尼的盛大决赛不仅仅是一个最后的下降,”Spilker说。 “对于我们无畏的宇宙探测器而言,这是一个令人兴奋的决定,如此丰富的科学发现,这种方式结束任务是明确的选择。

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卡西尼飞行线路

“卡西尼号”(Giovanni Domenico Cassini)的土星之旅

35亿千米的征程

380多年前,意大利科学家伽利略在人类历史上第一次把望远镜对准了天空中的星星,把古老的天文学推进到了一个全新的时代。伽利略在用望远镜观测土星的时候,发现土星的圆面两侧有好像人耳朵一样的东西。1659年,荷兰科学家惠更斯在经过更精细的观测之后确定,土星的这两个像耳朵一样的东西,实际上是连在一起的,是一个环绕土星的扁平圆环。

卡西尼出生在意大利,后到法国,担任巴黎天文台首任台长。1675年,他在对土星光环进行观测时,发现在这个光环的中间有一条黑暗的缝隙,把光环分为内外两部分。后来,天文学家就把这条缝隙称为卡西尼环缝。

1989年10月18日,美国和欧洲合作发射了“伽利略号”太空探测器。1995年12月7日,“伽利略号”进入绕木星飞行的轨道,开始对木星和木星的四颗大卫星进行科学研究。当年,正是伽利略用望远镜发现了这四颗木星卫星。把太空探测器取名为“伽利略号”,就是为了纪念伽利略的这一发现。

受到“伽利略号”成功的鼓舞,美国和欧洲进一步合作,又研制了一个飞向土星的太空探测器,并且为了纪念卡西尼当年发现土星光环的环缝,就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。

参加“卡西尼号”土星探测计划的国家一共有17个,它是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。“卡西尼号”直径3米,高7米,重6.4吨,携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器,取名为“惠更斯号”。

“卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火箭的推力直接飞向土星,并要求它像现在这样在7年之内飞到土星,那么使用的燃料决不能少于70吨。然而,人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的火箭。因此,“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法,借用行星的引力来加快速度。

“卡西尼号”发射后,首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠,利用金星引力获得加速。之后,它绕太阳一圈,于1999年6月再次在距金星600千米处飞掠,获得金星引力的第二次加速。同年8月,“卡西尼号”在距地球1171千米处飞掠,被地球引力再次加速。

“卡西尼号”第二次离开地球后,才飞往太阳系的外层。2000年12月,它在距木星约1000万千米处飞掠,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,它才向目的地土星飞去。

土星离开地球的距离,距离地球最近时不到13亿千米,最远时也不超过16亿千米,然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线,飞往土星的行程长达35亿千米。不过,磨刀不误砍柴功,飞行的时间并没有因此增加,而燃料却大大节省了。

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卡西尼号拍摄的图像

进入环绕土星轨道

北京时间2004年7月1日上午,“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”,离开我们的距离超过15亿千米,以至于它与地球之间的无线电通信联系,尽管无线电波以光速传播,可是单程就要花84分钟。于是,对于在“卡西尼号”发生的事情,就有了两个时间,一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间,另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间,后一时间比前一时间晚84分钟。

下面,我们还是以地球上“看到”事情发生的时间为准,而且,我们采用北京时间来表示地球时间。

“卡西尼号”的任务之一就是对土星的光环进行探测。尽管它初来乍到,然而入轨过程本身,就是在预期4年的探测运行中一个绝好的与土星距离最近的机会,它与土星表面云层顶部的距离最近时只有大约2万千米。科学家自然不会放过这个机会开展对土星光环的探测,因此在它入轨的过程中安排了两次穿越土星光环。

整个入轨过程,包括两次穿越光环,每一个步骤,都是预先经过精密计算设定的,由电脑控制着所有事情有条不紊地进行。

“卡西尼号”是从F环和G环之间的缝隙穿越土星光环的。这道环缝是土星光环中最宽的一道环缝,宽达3万千米。环缝中,仍然可能弥漫着一些微粒。“卡西尼号”从环缝中穿过,如果有微粒撞击到它的要害部位或者携带的科学仪器,将有可能造成非常坏的后果。为此,“卡西尼号”在穿越土星光环之前,首先调整姿态,转身180度,把原来位于尾部朝向地球的直径4米的盘状天线,转到前进方向,成为对付环缝中微粒的“盾牌”。

9时11分,“卡西尼号”调整姿态;10时08分,它开始从光环下面穿越光环;10时11分,它到达光环上方,穿环成功。然后,它再把身子转回来,让发动机的喷气管朝向前方,以便点火后形成减速阻力。10时21分,“卡西尼号”再次转身成功;10时36分,发动机点火,“卡西尼号”开始减速。在土星引力的作用下,减速后的“卡西尼号”转过一个大弯,逐渐进入预定的运行轨道。

12时12分,“卡西尼号”的发动机熄火。这时,它已由原来的飞向土星的路线完全转到环绕土星运行的轨道。然后,它开始对土星和土星光环进行近距离的探测,包括用磁力计测量土星磁场的强度和方向,检测穿越光环时所碰到的微粒大小和光环厚度,以及估测光环的组成、温度和结构。

13时32分,“卡西尼号”再次调整姿态;13时58分,它再次穿越光环,从光环上方回到光环下方。然后,它把盘状天线转到朝向地球方向,进入正常运行状态。

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卡西尼号拍摄的图像

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。

“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。

在临近入轨之前,2004年6月11日,它对土卫九进行了探测,拍摄了这颗卫星极其清晰的照片。土卫九是土星距离最远的一颗卫星,半径110千米,科学家猜想它是被土星俘获的一颗小行星。“卡西尼号”在离开它2000千米处经过,对它的质量和密度进行了测量。

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,“卡西尼号”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。

2005年4~9月,“卡西尼号”的轨道将从土星赤道面改变到与这一平面成22度夹角,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。

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”将逐步地进一步增大轨道与土星赤道平面的夹角,最后达到75?郾6度。这样,“卡西尼号”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。

探索者「卡西尼号」即将终结于35亿公里之外的星球

卡西尼号拍摄的图像

卡西尼飞船发现土卫六湖泊酷似地球上的湿地

据国外媒体报道,一项最新的研究发现在土星的一个卫星上(土卫六)存在着一片巨大的甲烷湖,该湖位于土卫六的南极附近,本科学家命名为“安大略湖”,更惊人的是这片湖区与地球上纳米比亚北部埃托沙盐沼(Etosha Pan)极为相似。图1中左边部分显示的是土卫六上的安大略湖,右边则为埃托沙盐沼。本张照片由美国国家航空航天局喷气推进实验室、加州理工学院以及美国地质调查局绘制。

2017年9月16日凌晨1点坠落于土星,在设计时探测器没有经过消毒处理。当它燃料即将用尽时,在土星引力的作用下轨道可能发生变化,为了探测器与土星卫星相撞可能导致地球的微生物在土卫上立足,这种情况将会影响未来在卫星上寻找本土生命的工作,和木星伽利略探测器情况一样必须坠毁

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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卡西尼号拍摄的图像

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