再见，卡西尼

□ 邢强

再见，卡西尼

□ 邢强

2017年9月15日，卡西尼号探测器冲入土星大气层，结束了自己的辉煌一生。卡西尼号探测器是人类有史以来发射的第4颗土星探测器，不过它实际上是人类研制的第1颗成功环绕土星飞行的探测器。其发现的科学成果之多、运行时间之久，都非常引人注目。1997年10月15日，卡西尼探测器在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角第40号发射工位升空，2004年7月1日，探测器进入绕土星的轨道。在卡西尼探测器的使命结束之际，我们来探讨卡西尼之名、之行、之功、之命，来回顾它的一生。

卡西尼之名

在介绍卡西尼探测器本身之前，有必要先介绍一下该探测器名字的来由。毕竟，就像探测木星的探测器以率先发现木星的4颗大卫星的大科学家伽利略命名，重型运载火箭以大力神为名一样，航天飞行器的名字往往也隐含着人类对它的期待和对先贤的纪念或者对神灵的敬畏。

这一切，要从波旁王朝有“太阳王”之称的国王路易十四开始说起。在路易十四亲政期间（1661-1715），法国发动了3次重大战争：法荷战争、大同盟战争、西班牙王位继承战争和2次小规模的冲突。法荷战争和2次小冲突让他建立了霸权，使他在1680年开始成为欧洲至高无上的霸主。

路易十四这位人类有史以来在位时间最长的君主（长达72年3月18天）在掌权不久后，就对天文学产生了浓厚的兴趣。1667年，时任法国海军大臣科尔贝尔向路易十四建言建设法国国家天文台。这就是后来名为巴黎天文台的重要科研机构。历时四年之久，在路易十四的大力支持下，拥有当时欧洲最好观测设备的巴黎天文台于1671年建成。

大楼已建成，大师何处寻？恰好，自1640年开始就曾担任热那亚共和国（如今的意大利境内）博洛尼亚大学天文学教授一职的乔凡尼·多米尼克·卡西尼已经在法国待了两年了。1665年，这位在西方世界公认的最古老的综合型公立大学供职的教授发现了木星的大红斑。路易十四求贤若渴，不顾卡西尼的国籍情况，在巴黎天文台建成伊始就任命46岁的卡西尼为台长。

卡西尼在天文观测方面的天赋展露无遗。他通过对木星大红斑的形态持续观察，推测木星表面有浓厚的大气，并给出了木星自转周期的估算值（与今天的数值几无二致）。他观测火星的运转，并认为火星的自转周期为24小时40分钟（仅比现代观测值多了3分钟）。

卡西尼号探测器

任巴黎天文台台长期间，卡西尼是罕有的能够让路易十四听从建议的人。路易十四喜好装饰，而卡西尼则力劝国王将原本用于购置奢华物品的经费用来扩建天文台。执掌巴黎天文台的卡西尼，不负众望，用莫里哀见过后感慨“大得吓人”的长度超过40米的望远镜，在1671年（卡西尼担任天文台台长第一年）就新发现了土星的一颗卫星土卫八。一年后，他又发现了土卫五。1675年，卡西尼发现土星美丽的光环中间有一条狭长的缝隙，由此推测，土星光环并非是一块完整的平板，而是由无数较小的物体组合而成的。这个猜测如今看来是正确的。土星光环的这道大黑缝，也就被称作“卡西尼环缝”。在1684年，他又发现了土卫四和土卫三。

由此可见，有关土星光环的缝隙和土星卫星的事情，卡西尼算是有突出贡献的了。这也就是人类迄今为止最强大的土星探测器要以卡西尼的名字来命名的主要原因。

实际上，卡西尼并不是一个人在战斗。在今天看来归于卡西尼名下的发现，有可能来自同样名为卡西尼的乔凡尼·卡西尼的子孙。因为，卡西尼本人、他儿子、他的孙子和他的曾孙，一家四代，相继担任巴黎天文台台长一职，可谓是祖传天文学世家了。

卡西尼探测器带有登陆土卫六（泰坦）的着陆器。这个着陆器名为惠更斯号。惠更斯是荷兰数学家和天文学家。他发现了土卫六和土星的光环。另外，惠更斯还奠定了概率论的基础，发现了单摆摆动周期的规律，并由此发明了摆钟。

由此可见，卡西尼-惠更斯探测器的组合是在向两位为人类了解土星做出突出贡献的先贤致敬。

卡西尼号探测器

卡西尼之行

公元1997年10月15日，协调世界时上午8点43分，携带着惠更斯着陆器的卡西尼探测器由大力神4B运载火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场第40号工位发射升空。这场推迟多次的发射终于在这一天将卡西尼探测器送上了漫漫征程。

大力神4号运载火箭由两枚大型固体火箭助推器与两级使用液体火箭发动机为动力的芯级构成。点火后，硕大的USRM固体火箭助推器产生了151.2万牛的推力。131秒后，火箭飞到了58.5千米的高空，大力神4B运载火箭的芯一级的2台LR-87发动机点火。这种以50%的肼混合50%的偏二甲肼作为燃料，以四氧化二氮为氧化剂的燃料配方带有浓郁的洲际弹道导弹的风格。实际上，大力神运载火箭家族与美国的洲际弹道导弹项目有着千丝万缕的联系，而直到如今，所有的大力神运载火箭依然由美国空军来管理。

143秒后，两台固体火箭助推器燃尽分离，此时火箭的飞行高度为68.3千米。323秒后，大力神运载火箭一二级分离。在第二级点火的时候，火箭飞到了167.3千米的高度，早已越过了100千米的卡门线。

随后，半人马座上面级接力工作，赋予了卡西尼探测器挣脱地球引力束缚的速度。看上去，这是一次比较常规的发射活动。而实际上，这次发射的报价高得令人咋舌：4.22亿美元。用发射一个卡西尼探测器的钱，差不多可以发射7枚猎鹰9号运载火箭了。没办法，卡西尼探测器与惠更斯着陆器的总发射质量达到了惊人的5.712吨，这是美国宇航局和欧空局有史以来发射的最重的深空探测器，更何况要把这么重的探测器送到距离太阳足足有9个天文单位之遥的土星。

为了探索未知，你愿意付出多大的代价？又肯经过怎样漫长的等待？卡西尼探测器或许能够给我们答案。

虽然大力神4B运载火箭与半人马座上面级的组合几乎是1997年人类能够拿得出手的运载能力最强的航天器了，但是由于卡西尼号探测器实在太重，依然还得需要设计巧妙的轨道来成功实现奔向土星的愿望。

这条轨道，需要6次飞掠太阳系中的自然天体，以便充分借助引力弹弓的效应来节省燃料。

▲ 携带惠更斯着陆器的卡西尼探测器飞越木星光环的概念图

卡西尼探测器分别在1998年4月26日和1999年6月24日两次飞掠金星。这两次飞掠的引力弹弓效应确保了卡西尼探测器能够有足够的动能来穿越小行星带。

1999年8月18日，卡西尼探测器先后飞掠月球和地球。这两次飞掠，可谓惊心动魄。卡西尼探测器到月球的最近距离只有37.7万千米，已经小于了地球到月球的平均距离。而卡西尼探测器飞掠地球时，到地球的最近距离仅有1171千米。这个距离接近于地球直径的1/11。

为什么叫惊心动魄呢？这就得从卡西尼探测器身上带着的神秘能量来源说起了。土星到太阳的平均距离为9个天文单位（也就是地球到太阳距离的9倍）。太阳能帆板接收太阳辐射的能量与电池板到太阳距离的平方成反比。这样来算的话，环绕土星的探测器如果使用太阳能帆板的话，其产生电能的效率将仅仅是环绕地球的同等规格太阳能帆板的1.23%。而受运载火箭能力的限制（实际上即使运载火箭能力足够，科学家也更倾向于把更多的重量指标分配给用于观测土星及其卫星的各种仪器设备），卡西尼探测器不能带着面积巨大的太阳能帆板。

于是，工程师们打起了核能源的主意。卡西尼探测器上并没有太阳能帆板。整个卡西尼探测器在将近20年的飞行过程中，几乎所有的电能都来自于3块核电池。这些核电池的核心部件是以二氧化钚形态存在的足足有32.7千克重的钚-238。钚-238在不停地进行放射性衰变，这会产生大量的热，使得钚核心始终处于红热状态。通过热电机效应，这样的热量能够转换为供卡西尼使用的直流电。实际上，依附在卡西尼探测器上面的惠更斯着陆器在奔向土星的漫漫征程中也同样依靠卡西尼身上的这些核电池的电力。只有在分离之后，惠更斯才会启动自身的化学电池系统，这就是后话了。

也就是说，在1999年的8月18日，太空中有32.7千克的钚-238以每秒10千米以上的速度在地球上方1171千米的地方与地球擦肩而过。美国宇航局是做过最坏的打算的。一旦卡西尼探测器这次飞掠的弹道没能计算正确，或者期间出了其他一些意外，这些钚就有可能再入地球稠密大气层。当时地球总人口是50亿人，这些钚-238如果泄露出来的话，其辐射量换算成罹患癌症的比例，相当于5000人会因此而遭殃。当然，发生这种悲剧的概率经多方计算，被认定为低于百万分之一，而且美国宇航局在飞掠弹道这方面，几乎还没怎么失过手，当年如果把钚-238的事情公布出来反而会引起不必要的恐慌，因此有关1999年那次飞掠地球的引力弹弓没有引起大家的广泛注意。如今，卡西尼探测器已经寿终正寝了，此时说起这些倒也无妨了吧。

2000年1月23日，卡西尼探测器飞掠小行星2685，顺便对该小行星拍了一些照片。

2000年12月30日，卡西尼探测器飞掠木星。这次飞掠让人类得到了十分难得的仔细观测木星的机会。卡西尼不负众望，借助自身强大的探测设备，在飞掠过程中，对木星拍摄了2.6万张照片。其中，一些高分辨率照片是当时人类能够获得的有关木星的最为清晰的照片。（3年后，在2003年3月6日，这些照片被陆续公布出来。）

2004年6月11日，卡西尼探测器飞掠土卫九，成为继旅行者2号探测器之后，第二个近距离飞掠这个天体的探测器。

2004年7月1日，科学家宣布卡西尼探测器正式进入绕土星的轨道。此时，卡西尼探测器已经在太空中飞行了将近7年。

卡西尼之功

▲ 卡西尼-惠更斯号于2006年9月15日拍得的土星环全貌（亮度在这张图中被强化）

卡西尼探测器（严格说来是卡西尼-惠更斯探测器）是人类深空探测史上的旗舰级探测器。其科学探测载荷之多、探测器重量之大、探测任务耗资之巨都给人留下了深刻的印象。仅从卡西尼探测器的科学探测任务的经费情况中就能窥得一斑。

卡西尼-惠更斯项目的总经费为32.6亿美元（作为对比，美国宇航局的“凤凰号”火星探测器项目的总经费为4.2亿美元，仅为卡西尼的12.9%）。其中，用于卡西尼-惠更斯探测器本身的研制费用为14亿美元，用于发射探测器的运载火箭则耗资4.22亿美元（美国空军要价还是蛮狠的），用于遥测跟踪系统的费用为0.54亿美元，另有7.4亿美元用于整个项目的任务系统的操作费用。

受美国该财年给美国宇航局的总经费的限制，该局无力独自承担这项花销。于是，卡西尼-惠更斯项目一开始就走了国际化的路线。美国宇航局独自承担了80%的费用（约26亿美元），而前来相助的欧洲空间局则担负了15%的费用（约5亿美元），另外的5%（也就是约1.6亿美元）由意大利航天局分担。探测器以卡西尼这位出生在意大利的天文学家来命名，意大利航天局也是与有荣焉吧。

为了能够收集到尽可能多的科学数据，“卡西尼-惠更斯号”共携带了18台科学仪器，其中卡西尼号轨道器携带12台，惠更斯号着陆器携带6台。卡西尼的仪器包括：合成孔径雷达、感光耦合元件成像系统、可见光/红外光谱仪、复合红外光谱仪、宇宙尘分析仪、无线电和等离子体波实验设备、等离子体光谱仪、紫外成像光谱仪、磁层的成像仪器和离子/中性质谱仪等。

整体来看，卡西尼探测器取得的科学成果远远超出了人们的预期。

卡西尼探测器首次拍摄到了土星的北极。土星北极六边形的高速气流风暴为人类揭开了土星极地地区的神秘面纱，而对该风暴能量来源的探讨则进一步激发了人类的探索热情。

土星上爆发的30年一遇的大风暴也恰好让卡西尼探测器赶上。卡西尼探测器跟踪拍摄到了被称作“龙风暴”的土星表面大气的剧烈活动。

1671年，巴黎天文台的台长卡西尼发现了土卫八。这是土星第3大的卫星，同时也是太阳系中第11大的卫星。这颗卫星从天文望远镜中来看，有个显著的特征，那就是阴阳脸。以12位初代泰坦巨神之一的伊阿珀托斯命名的土卫八，有着较为明亮的一个半球和非常黯淡的一个半球（这个黯淡的半球被称作卡西尼区）。300多年来，人类对土卫八形成这种样子的原因做出了种种猜测。而飞到土卫八附近拍出高清照片的卡西尼探测器最终帮助人们得到了答案：土卫八轨道上有大量的微流星体和尘埃。被土卫八吸附后，不断下降的尘埃使土卫八的正面显得更加暗淡，较深的颜色有助于吸收更多阳光，最终导致赤道附近的冰被蒸发掉。冰蒸发后，会在这颗卫星表面留下颜色较暗的物质，使正面和赤道附近的温度升高，变得更暗，使冰继续蒸发。蒸发的冰会在温度更低、更加明亮的极地重新凝结。冷凝的冰面让土卫八的反面和极地地区变得更亮、更冷，而失去冰层的裸露地面则黯淡无光，这就使得土卫八表面出现了明暗分明的现象。

每隔15年，土星光环与太阳之间会呈一个比较特殊的角度。在这个角度下，阳光会打在土星光环的侧面，而土星光环的上下两面则几乎照不到阳光。这是一个观测土星光环垂直结构的绝佳机会，卡西尼探测器当然不能错过。2009年，卡西尼探测器拍到了土星光环的垂直结构的非常清晰的照片。

在长期的观测过程中，卡西尼探测器向我们揭示了土星光环鲜为人知的一面。土星的光环是活跃的，是时刻在动态变化中的，堪称制造新卫星的实验室。在不断的扰动和变幻中，新的土星的天然卫星会突然诞生。

2004年12月25日，这一天，惠更斯号着陆器脱离了位于正在围绕土星飞行的卡西尼号的怀抱，开始奔赴土卫六。值得一提的是，为了节省能量，科学家选择了充分相信之前的轨道与弹道设计的做法，在“惠更斯号”奔赴土卫六的过程中，让它始终保持低电量消耗的休眠状态。直到惠更斯着陆器距离土卫六还有数小时路程时，才唤醒已经沉睡了7年的惠更斯号探测器。

▲ 卡西尼探测器拍摄的土星风暴

▲ 土星的南北两极出乎科学家的预料：北极长期存在着一个六边形的高速气流区域，而南北两极都存在着飓风一样的风暴。这两个风暴的驱动力来自何处，仍然是个谜

▲ 卡西尼号拍摄的土卫八的照片显示了位于逆轨道方向球面的明面以及邻接于其右侧的部分暗面

土卫六是由荷兰数学家、天文学家惠更斯在1655年3月25日发现的，是土星卫星中最大的一个，同时也是太阳系第二大的卫星。

惠更斯着陆器的任务是探测土卫六的大气和地面状况。这是人类有史以来第一个在土卫六上着陆的探测器。在距离土卫六表面1200千米时，惠更斯号以2.2万千米的时速冲向土卫六。“惠更斯号”前部的防热盾可以起到保护作用，避免在下降过程中与土卫六的大气剧烈摩擦而焚毁。土卫六，名为泰坦，其体积比水星还要大，是太阳系中第一颗被发现有浓厚大气的天然卫星，同时也是太阳系内除地球外，第二颗大气层内拥有稠密氮气的天体。

在距离土卫六地表190千米高度，探测器和防热盾分离。在距表面170千米处，探测器减速到每小时1400千米。此后，“惠更斯号”打开了三个降落伞。在距离土卫六表面几百米处，打开了探照灯，照亮土卫六地表。

“惠更斯号”于2005年1月14日登陆土卫六，降落在了一小片拥有鹅卵石的滩涂上，并在着陆后拍摄了人类历史上第一张土卫六的地表照片。它在降落过程中与卡西尼号进行了近3个小时的数据联系。“惠更斯号”在土卫六上“存活”90分钟后终止工作，完成了自己的历史使命。

在“卡西尼”与“惠更斯”的配合下，人类获取了对土卫六这个太阳系内除地球之外第二个被确认表面拥有海洋的星球前所未有的了解。通过卡西尼探测器飞掠土卫六时的雷达数据，科学家发现土卫六遍布陡峭的峡谷，其甲烷海洋则有着惊涛拍岸的壮阔。

当然，随着“卡西尼”和“惠更斯”探测结果的逐步公开，这些了解会逐渐被更多的推测和分析所替代，而土卫六这颗以泰坦为名的星球将会引出人们对地球之外的天体更多的好奇。

卡西尼探测器环绕土星飞行的这些年也是努力让教科书更新的几年。曾几何时，我们读书的时候，人类了解到的土星天然卫星的数量还仅仅是23颗。卡西尼探测器迄今为止已经新发现了7颗土星的天然卫星，这使得土星已知的卫星数量激增为62颗。这些发现来得有些突然，让人们甚至来不及给这些新发现的卫星起名字。

▲ 大力神4B运载火箭发射升空

卡西尼之命

卡西尼探测器的命是很硬的。原本定于1997年10月6日发射，结果发射场空调系统出现了故障，把卡西尼探测器携带的惠更斯着陆器的防热系统弄坏了。发射推迟一周。到10月13日，该发射了，卡纳维拉尔角又刮起了大风。但终究还是在10月15日得以顺利发射。

在7年的征程里，卡西尼探测器没出任何故障，平安完成多次引力弹弓飞行，安全穿越小行星带，实在是不容易。

卡西尼-惠更斯探测器是个复杂大系统。到底有多复杂？仅举一例：

前面提到卡西尼是由3个钚-238核电池来提供电能的。32.7千克的钚兢兢业业地工作到探测使命结束，虽然功率已经从最初的880瓦衰减到了600多瓦，但依然能较为可靠地工作。实际上，卡西尼-惠更斯上面用到放射性元素的地方远不止这3块强大的核电池。在漫长而又寒冷的太空征途上，为了保温，卡西尼探测器上使用了82块放射性同位素加热器，惠更斯着陆器上使用了35个。每个放射性同位素加热器的功率为1瓦。也就是说，卡西尼-惠更斯系统上，仅放射性装置，就有足足120个。

卡西尼和惠更斯的主要科研任务，早在2008年7月30日就完成了。但命硬、体格好的探测器依然可堪使用，更何况在地面上还有美国弗吉尼亚望远镜的全程遥测，另有来自中国、澳大利亚和日本等国家遥测系统的大力支持（中国上海天文台的25米直径射电望远镜加入了卡西尼-惠更斯项目的深空测控网）。

于是，卡西尼探测器的任务被延长至2010年6月。在2009年8月，土星恰好过春分点，卡西尼探测器对其进行了详细观测，其在部分领域的收获甚至超过了原定的主要任务。

到2010年2月3日，卡西尼探测器的状态依然良好，为充分发挥她的探测能力，“卡西尼”的任务周期被一口气延长了6年半，也就是到2017年的9月份。2009年那次延寿，土星过春分点，于是任务叫做“分点任务”。这次延寿，任务会在土星北半球的夏至结束，因此被称作“至点任务”。在任务结束前，卡西尼探测器再绕土星155圈，期间飞掠土卫六（泰坦）54次，飞掠土卫二（恩克拉多斯）11次。

▲ 卡西尼号坠毁几个小时前，其红外成像仪器指向了土星，并拍摄了照片。图中的圆圈区域是探测器最终坠毁的位置

▲ 炽热的钚丸就是探测器的放射性同位素热电机的动力源

卡西尼探测器带着人类新的期待，反复穿越土星光环的缝隙22次，用一次又一次的惊险动作来换取人类对土星越来越多的认识。而这些地方，都是人类探测器从未到过的。

2017年9月15日18点32分，卡西尼号探测器发出最后一个讯号，因为距离远，地球上的科研人员会在83分钟后收到该讯号，即19点55分。卡西尼号探测器以12万千米/小时的速度一头扎入土星的大气层，在绚丽而灿烂的燃烧中，结束自己长达20年的辉煌一生。在这20年时间里，卡西尼号探测器执行命令250万条，飞行距离超过49亿千米，产生了635GB的科学数据，拍摄的照片超过45万张。而就算是它终结自己生命的那一刻，也不忘记继续向地球传回信号。这是人类探测器对土星大气层的首次触碰，而这样的机会，是卡西尼号探测器用生命换来的。★

▲ 卡西尼探测器上面的核电池

责任编辑：陈彩连