卡西尼号土星探测器

卡西尼号（Cassini）是卡西尼·惠更斯号的一个组成部分，也是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局的一个合作项目。

卡西尼号探测器以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察。

“卡西尼”号探测器长6.6米，宽3.9米，总重将近6吨，相当于三只成年大象的体重。

“卡西尼—惠更斯”号是截止2011年为止建造的最大飞船，它于1997年发射升空。这颗探测器将于2017年结束任务，通过与土星相撞，终结自己的生命，在这之前它会不断传回数据。  

 根据引力助推原理，科学家们为“卡西尼”号设计了一条通往土星的智慧曲线，这条智慧曲线的奇特之处在于：首先是它没有直接向土星飞去，而是先向内跑到了金星上空；其次是它围绕地球绕了好几个圈子，才把目的地对准土星，整个行程达到了35.2亿千米，是地球与土星的实际距离的2.5倍以上。它的飞行轨迹是一条旋转的曲线，是若干条双曲线截线的组合，看起来就像田螺背上的螺旋。

发射

1997年10月15日，“卡西尼”号发射升空，以12.4千米/秒的速度摆脱地球引力向太空飞去。但“卡西尼”号却没有对准远离太阳的土星轨道，而是“南辕北辙”，向地球公转轨道的内侧飞去，向去金星借力。金星是距地球最近的行星，平均距离约4150万千米，作为探测器借力的第一站最为合适。

“卡西尼”号的发射时间也是经过精心安排的，以便它在合适的时候、 以适当的角度与金星会合，借到金星的引力。“卡西尼”号发射后要通过霍曼转移轨道恰好飞越金星上空，而它飞越时金星又要恰好处于太阳的东北方向（从地球上看去），以便“卡西尼”号借力后顺势向太阳系外侧飞去。

飞向金星

“卡西尼”号1997年10月15日发射升空时，金星正好在与地球相对位置的太阳另一侧（这叫“上合”），“卡西尼”号离开地球之初以约26千米/秒的速度（探测器离开地球后的速度是以太阳为参照系计算的）向金星轨道飞去，由于是顺着太阳引力场方向飞行，“卡西尼”号的速度在渐渐加快，最终达到了约37千米/秒。

第一次金星借力

1998年4月26日，“卡西尼”号在金星上空300千米处第一次掠过金星，获得了3.7千米/秒的加速。使其速度从37.2千米/秒增加到40.9千米/秒。另外，“卡西尼”号之所以和金星这么近距离的接触，是因为它想从金星的这次引力助推中获得更大的转弯角，一般而言，在近处慢速飞越一行星，比在远处快速飞越时所产生的转弯角大得多。当“卡西尼”号飞出金星的引力范围时，不仅速度增加了，而且还被金星的引力改变了飞行方向，往太阳系外侧飞去。

第二次金星借力

在“卡西尼”号和金星擦肩而过后，增大的速度能支持它飞到离太阳更远一些轨道，金星引力实在太小了，“卡西尼”号无法借助一次的引力助推把自己送到更高一层的行星轨道上，因此当“卡西尼”号在1998年12月飞至地球轨道与火星轨道之间后，速度又渐渐变慢，再次被太阳引力拉回内侧，并且在1999年6月24日再度回到金星轨道，再一次由金星的引力加速。

回到地球借力

在科学家的精密计算里，也许这样还不够支撑“卡西尼”号到达外行星，于是，“卡西尼”号下一个借力目标是地球和木星。因此，在第二次借力前，要计算好金星与地球之间的霍曼转移轨道，同时还要一并计算此后“卡西尼”号从地球到木星的霍曼转移轨道。这样才能不差分毫地从金星到地球再到木星进行连贯借力。

第二次飞掠金星后，经过两个月的时间，“卡西尼”号在1999年8月18日飞掠地球，在获得了地球的引力加速后，最终告别地球，奔向了寒冷而漆黑的外行星际空间。2000年1月，它成功穿越荆棘丛生的小行星带。

木星借力

2000年12月，“卡西尼”号在距木星约1000万千米处飞掠。木星太大了，如果条件合适，对它进行绕越飞行的航天器，可能会在它强有力的助推下永远飞离太阳。因此对于飞往土星的“卡西尼”号，木星的加力绝对是不可或缺的。最后，它才向最终目的地土星飞去。

来到土星

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”号正式进入土星系； 2004年7月1日，“卡西尼”号开始了进入土星轨道：为了不被土星重力场“捕获”而直坠土星，它启动了减速火箭，进行了最后一次关键性减速，时间长达96.4分钟。随后，“卡西尼”号成功进入预定轨道，成为土星的第一颗人造卫星。

“卡西尼”号在这次漫长的7年飞行过程中定位精准，所进入的土星轨道非常接近原计划轨道。这么复杂的加速、飞行路线，就决定在开始发射的那一瞬间，发射的方向和力量都要计算得准确无误，而且向金星、地球、木星借力的时间、位置都要一次性计算完成，科学家的计算是非常精准的。

寻找土星生命线索

按计划，“卡西尼”号在从2007年开始的4年中围绕土星运行76周的过程中，将52次“亲近”土星的7颗卫星。其中，对土星最大的卫星———土卫六的探测尤其让人期待。“卡西尼”号在4年中45次飞经土卫六表面约950公里的上空，并向这颗卫星投下“惠更斯”号探测器。计划在土卫六上找到地球如何形成有利于生命生长环境的线索。“惠更斯”号探测器于2003年12月25日脱离“卡西尼”号，飞往土卫六。探测器于2004年1月14日穿过土卫六外围大气层，展开降落伞着陆，并对土卫六进行两个半小时的科学探索。探索结果通过“卡西尼”号，传回给地球上的科学家。

寻找氮

在太阳系各大行星及其卫星中，只有地球和土卫六大气层中富含氮。据推测，早期地球上也许存在大量类似甲烷的碳氢化合物。土卫六上可能冷藏着很多化合物，一些类似化合物也许在生命诞生之前就存在于地球上。甚至有科学家认为，“卡西尼”以及“惠更斯”的探测结果将会显示，土卫六将比现阶段的地球与早期地球更为相似。

“卡西尼”号拍摄了很多张令人惊叹的照片，并提供了一些非比寻常的科研数据。2006年11月，它发现土星上的一场风暴，与之相比，地球上的飓风看起来就像是夏季的微风。在这颗行星的南极肆虐的风暴，直径达5000英里（8046.72公里），高达43英里（69.2公里），最大风速达每小时350英里（563.27公里）。“卡西尼”号还在土星周围发现7颗新卫星，这使它的卫星总数达到62颗。

“卡西尼”号还用了一些时间研究木星，给这颗巨型行星拍摄了大约2.6万张照片。科学家借助这些数据，对木星的大气状况有了更好的了解。

发现土星环

2011年9月，“卡西尼·惠更斯”号飞船在围绕这颗行星运行时拍摄到一张精美绝伦的土星环照片，当时是在夜间，这艘飞船回望被土星遮挡住的太阳时捕捉到的画面，美国宇航局的一名宇航员将它称之为“绝无仅有”。首先，土星夜面看起来像是部分被它周围的环反射的光照亮了。其次，土星环投射在这颗行星上的侧面影像显然颜色更暗，但是远离土星的部分看起来却很亮，在这张颜色夸张的图片里还有一些散射的阳光。土星环被照得很亮，甚至发现了新环，不过在这张图片里很难看到它们。看得最清楚的是土星的E环，这个环是上图中位于最外侧的环，它是由已发现的土卫二产生的冰喷泉形成的。如果仔细看，还能在明亮的主环上方、图片的左方看到地球。^[1]

特殊云层

“卡西尼”号探测器通过分光计拍到了“泰坦”号的一些照片，分光计的波长从可见到红外线光不等。照片显示，土卫六表面到处分布着冰块和碳氢化合物。令科学家们感到奇怪的是，土卫六上发出碳氢化合物信号的地方，能够以某一波长向其它有冰块的地方“发报”。科学家们还发现，位于土星光环之间的“卡西尼缝”充满了灰尘，这是所发现的土星的最外层光环。就是这层光环，每秒可引发680次土星物质间的碰撞，也就是说，每秒可给土星留下10万个左右的大小土坑。

发现氧离子

2012年，探测器携带的等离子体分光仪探测到土卫四上有氧离子存在的迹象。这个等离子体分光仪是伦敦大学研究人员参与设计和制造的，该校研究人员在和同行分析了相关探测数据后认为，在土卫四上确实存在稀薄的氧气。

由此看来，有冰覆盖的星球可在宇宙射线作用下形成氧气是一个较普遍的现象。以土卫四为例，它的表面温度很低，覆盖有冰层，而它所处的位置又有较强烈的辐射，射线击打冰层，使其分解为氢气和氧气，其中氢气逸失到太空中，而氧气留了下来，在土卫四周围形成了一个气体层。不过这层气体非常稀薄，以至不能被称为大气层。 ^[2]

第一次金星引力助推时间：1998年4月26日
助推高度：337千米
助推前速度：37.2千米／秒
助推后速度：40.9千米／秒
引力助推速度：3.7千米／秒

金星第二次引力助推时间：1999年6月24日
助推高度：598千米
助推前速度：39.2千米／秒
助推后速度：42.3千米／秒
引力助推速度：3.1千米／秒
(以下是逆太阳引力场方向飞行，速度渐慢)
地球引力助推时间：1999年8月18日
助推高度：1166千米
助推前速度：35千米／秒
助推后速度：39.1千米／秒
引力助推速度：4.1千米／秒
木星引力助推时间：2000年12月30日
助推高度：1000万千米
助推前速度：11.6千米／秒
助推后速度：13.7千米／秒
引力助推速度：2.1千米／秒
入轨土星轨道时间：2004年7月1日

等离子体分光计(CAPS) ：用于探测土星的电离层和磁场。

宇宙尘埃分析仪(CDA) ：用于探测土星附近的宇宙尘埃。

复合红外分光计(CIRS) ：用于测量被测物体的温度和成分。

离子和中性粒子质谱仪(INMS) ：用于探测土星附近的离子和中性粒子。

成像科学子系统(ISS) ：用于拍摄照片。

双重技术磁场强度计(MAG)

磁场成像仪(MIMI)

无线电探测和测距仪(RADAR)

无线电波和等离子体波科学仪器(RPWS)

无线电科学子系统(RSS)

紫外成像摄谱仪(UVIS)

可见光和红外线测绘分光计(VIMS) ^[1]