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卡西尼號土星探測器

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卡西尼號土星探測器是20世紀最後一艘行星際探測的大飛船,於1997年發射升空,2004年飛抵土星,進入環繞土星運行的軌道,同時放出一個名叫「惠更斯」的探測器,飛往土衛六,計劃在土衛六上找到地球如何形成有利於生命生長環境的線索。卡西尼號土星探測器不斷向地球傳回在土星拍攝的圖像,並有一些重大的發現。2012年3月,探測器發現土衛四上存在氧氣。

1 卡西尼號土星探測器 -基本概述

卡西尼號土星探測器土衛五表面

卡西尼號(Cassini)是卡西尼·惠更斯號的一個組成部分,也是美國國家航空航天局、歐洲航天局和義大利航天局的一個合作項目。

卡西尼號探測器以義大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名,其任務是環繞土星飛行,對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察。

卡西尼號探測器長6.6米,寬3.9米,總重將近6噸,相當於三只成年大象的體重。「卡西尼—惠更斯」號是截止2011年為止建造的最大飛船,它於1997年發射升空。這顆探測器將於2017年結束任務,通過與土星相撞,終結自己的生命,在這之前它會不斷傳回數據。  

2 卡西尼號土星探測器 -飛行曲線

卡西尼號土星探測器卡西尼號土星探測器的飛行曲線

 根據引力助推原理,科學家們為「卡西尼」號設計了一條通往土星的智慧曲線,這條智慧曲線的奇特之處在於:首先是它沒有直接向土星飛去,而是先向內跑到了金星上空;其次是它圍繞地球繞了好幾個圈子,才把目的地對準土星,整個行程達到了35.2億千米,是地球與土星的實際距離的2.5倍以上。它的飛行軌跡是一條旋轉的曲線,是若干條雙曲線截線的組合,看起來就像田螺背上的螺旋。

3 卡西尼號土星探測器 -飛行步驟

發射
卡西尼號土星探測器起飛前的「卡西尼」號無人飛船

1997年10月15日,「卡西尼」號發射升空,以12.4千米/秒的速度擺脫地球引力向太空飛去。但「卡西尼」號卻沒有對準遠離太陽的土星軌道,而是「南轅北轍」,向地球公轉軌道的內側飛去,向去金星借力。金星是距地球最近的行星,平均距離約4150萬千米,作為探測器借力的第一站最為合適。

「卡西尼」號的發射時間也是經過精心安排的,以便它在合適的時候、 以適當的角度與金星會合,借到金星的引力。「卡西尼」號發射后要通過霍曼轉移軌道恰好飛越金星上空,而它飛越時金星又要恰好處於太陽的東北方向(從地球上看去),以便「卡西尼」號借力后順勢向太陽系外側飛去。

飛向金星

卡西尼號1997年10月15日發射升空時,金星正好在與地球相對位置的太陽另一側(這叫「上合」),「卡西尼」號離開地球之初以約26千米/秒的速度(探測器離開地球后的速度是以太陽為參照系計算的)向金星軌道飛去,由於是順著太陽引力場方向飛行,「卡西尼」號的速度在漸漸加快,最終達到了約37千米/秒。

第一次金星借力

1998年4月26日,卡西尼號在金星上空300千米處第一次掠過金星,獲得了3.7千米/秒的加速。使其速度從37.2千米/秒增加到40.9千米/秒。另外,「卡西尼」號之所以和金星這麼近距離的接觸,是因為它想從金星的這次引力助推中獲得更大的轉彎角,一般而言,在近處慢速飛越一行星,比在遠處快速飛越時所產生的轉彎角大得多。當「卡西尼」號飛出金星的引力範圍時,不僅速度增加了,而且還被金星的引力改變了飛行方向,往太陽系外側飛去。

第二次金星借力

在卡西尼號和金星擦肩而過後,增大的速度能支持它飛到離太陽更遠一些軌道,金星引力實在太小了,卡西尼號無法藉助一次的引力助推把自己送到更高一層的行星軌道上,因此當卡西尼號在1998年12月飛至地球軌道與火星軌道之間后,速度又漸漸變慢,再次被太陽引力拉回內側,並且在1999年6月24日再度回到金星軌道,再一次由金星的引力加速。

回到地球借力
卡西尼號土星探測器1997年10月15日拍攝的「卡西尼」號土星探測器發射升空時的照片

在科學家的精密計算里,也許這樣還不夠支撐卡西尼號到達外行星,於是,卡西尼號下一個借力目標是地球和木星。因此,在第二次借力前,要計算好金星與地球之間的霍曼轉移軌道,同時還要一併計算此後卡西尼號從地球到木星的霍曼轉移軌道。這樣才能不差分毫地從金星到地球再到木星進行連貫借力。

第二次飛掠金星后,經過兩個月的時間,卡西尼號在1999年8月18日飛掠地球,在獲得了地球的引力加速后,最終告別地球,奔向了寒冷而漆黑的外行星際空間。2000年1月,它成功穿越荊棘叢生的小行星帶。

木星借力

2000年12月,「卡西尼」號在距木星約1000萬千米處飛掠。木星太大了,如果條件合適,對它進行繞越飛行的航天器,可能會在它強有力的助推下永遠飛離太陽。因此對於飛往土星的「卡西尼」號,木星的加力絕對是不可或缺的。最後,它才向最終目的地土星飛去。

來到土星

2004年5月18日,來自土星的引力首次超過來自太陽的引力,「卡西尼」號正式進入土星系; 2004年7月1日,「卡西尼」號開始了進入土星軌道:為了不被土星重力場「捕獲」而直墜土星,它啟動了減速火箭,進行了最後一次關鍵性減速,時間長達96.4分鐘。隨後,「卡西尼」號成功進入預定軌道,成為土星的第一顆人造衛星。

「卡西尼」號在這次漫長的7年飛行過程中定位精準,所進入的土星軌道非常接近原計劃軌道。這麼複雜的加速、飛行路線,就決定在開始發射的那一瞬間,發射的方向和力量都要計算得準確無誤,而且向金星、地球、木星借力的時間、位置都要一次性計算完成,科學家的計算是非常精準的。

2012年7月,美國宇航局的「卡西尼」號飛船拍攝了一系列高清晰照片,展示土星及其星環的壯觀景象。這是「卡西尼」號飛船自2010年來首次向地球傳回高清晰土星照片。藉助於「卡西尼」號飛船拍攝的高清照片,科學家能夠追蹤星環內的「迷你衛星」。

4 卡西尼號土星探測器 -探測任務

尋找土星生命線索
卡西尼號土星探測器2004年7月1日,美國加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室發布了「卡西尼」號飛船拍攝的土星照片。「卡西尼」號飛船於美國東部時間2004年7月1日零時12分按計劃順利進入土星軌道,成為首個繞土星飛行的人造飛船。

按計劃,「卡西尼」號在從2007年開始的4年中圍繞土星運行76周的過程中,將52次「親近」土星的7顆衛星。其中,對土星最大的衛星———土衛六的探測尤其讓人期待。「卡西尼」號在4年中45次飛經土衛六表面約950公里的上空,並向這顆衛星投下「惠更斯」號探測器。計劃在土衛六上找到地球如何形成有利於生命生長環境的線索。「惠更斯」號探測器於2003年12月25日脫離「卡西尼」號,飛往土衛六。探測器於2004年1月14日穿過土衛六外圍大氣層,展開降落傘著陸,並對土衛六進行兩個半小時的科學探索。探索結果通過「卡西尼」號,傳回給地球上的科學家。

尋找氮

在太陽系各大行星及其衛星中,只有地球和土衛六大氣層中富含氮。據推測,早期地球上也許存在大量類似甲烷的碳氫化合物。土衛六上可能冷藏著很多化合物,一些類似化合物也許在生命誕生之前就存在於地球上。甚至有科學家認為,「卡西尼」以及「惠更斯」的探測結果將會顯示,土衛六將比現階段的地球與早期地球更為相似。

5 卡西尼號土星探測器 -飛行發現

卡西尼號土星探測器「卡西尼」號探秘土星圖片集

「卡西尼」號拍攝了很多張令人驚嘆的照片,並提供了一些非比尋常的科研數據。2006年11月,它發現土星上的一場風暴,與之相比,地球上的颶風看起來就像是夏季的微風。在這顆行星的南極肆虐的風暴,直徑達5000英里(8046.72公里),高達43英里(69.2公里),最大風速達每小時350英里(563.27公里)。「卡西尼」號還在土星周圍發現7顆新衛星,這使它的衛星總數達到62顆。

「卡西尼」號還用了一些時間研究木星,給這顆巨型行星拍攝了大約2.6萬張照片。科學家藉助這些數據,對木星的大氣狀況有了更好的了解。



發現土星環

2011年9月,「卡西尼·惠更斯」號飛船在圍繞這顆行星運行時拍攝到一張精美絕倫的土星環照片,當時是在夜間,這艘飛船回望被土星遮擋住的太陽時捕捉到的畫面,美國宇航局的一名宇航員將它稱之為「絕無僅有」。首先,土星夜面看起來像是部分被它周圍的環反射的光照亮了。其次,土星環投射在這顆行星上的側面影像顯然顏色更暗,但是遠離土星的部分看起來卻很亮,在這張顏色誇張的圖片里還有一些散射的陽光。土星環被照得很亮,甚至發現了新環,不過在這張圖片里很難看到它們。看得最清楚的是土星的E環,這個環是上圖中位於最外側的環,它是由已發現的土衛二產生的冰噴泉形成的。如果仔細看,還能在明亮的主環上方、圖片的左方看到地球。

2011年9月,卡西尼號拍到的土星環照片2011年9月,卡西尼號拍到的土星環照片
特殊雲層

「卡西尼」號探測器通過分光計拍到了「泰坦」號的一些照片,分光計的波長從可見到紅外線光不等。照片顯示,土衛六表面到處分佈著冰塊和碳氫化合物。令科學家們感到奇怪的是,土衛六上發出碳氫化合物信號的地方,能夠以某一波長向其它有冰塊的地方「發報」。科學家們還發現,位於土星光環之間的「卡西尼縫」充滿了灰塵,這是所發現的土星的最外層光環。就是這層光環,每秒可引發680次土星物質間的碰撞,也就是說,每秒可給土星留下10萬個左右的大小土坑。

發現氧離子

2012年,探測器攜帶的等離子體分光儀探測到土衛四上有氧離子存在的跡象。這個等離子體分光儀是倫敦大學研究人員參與設計和製造的,該校研究人員在和同行分析了相關探測數據后認為,在土衛四上確實存在稀薄的氧氣。

由此看來,有冰覆蓋的星球可在宇宙射線作用下形成氧氣是一個較普遍的現象。以土衛四為例,它的表面溫度很低,覆蓋有冰層,而它所處的位置又有較強烈的輻射,射線擊打冰層,使其分解為氫氣和氧氣,其中氫氣逸失到太空中,而氧氣留了下來,在土衛四周圍形成了一個氣體層。不過這層氣體非常稀薄,以至不能被稱為大氣層。

或發現海洋

2012年7月初,隨著探測器一遍遍地掃過土衛六這顆土星最大的衛星,由美國宇航局(NASA)的「卡西尼」號採集的數據提供了迄今(2012年7月4日)為止最好的證據,表明在這顆被濃霧環繞的衛星厚厚的冰殼之下,擁有一個晃動著的水的海洋。但科學家指出,這並不意味著土衛六上存在生命形式。

6 卡西尼號土星探測器 -助推數據

第一次金星引力助推時間: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

卡西尼號土星探測器「卡西尼」號土星探測器進入土星軌道效果圖
金星第二次引力助推時間: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
(以下是逆太陽引力場方向飛行,速度漸慢)
地球引力助推時間: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
木星引力助推時間:2000年12月30日
助推高度:1000萬千米
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
入軌土星軌道時間:2004年7月1日

7 卡西尼號土星探測器 -攜帶儀器

卡西尼號土星探測器飛船中包含來自全世界616400個人的數字化簽名DVD

等離子體分光計(CAPS) :用於探測土星的電離層和磁場。

宇宙塵埃分析儀(CDA) :用於探測土星附近的宇宙塵埃。

複合紅外分光計(CIRS) :用於測量被測物體的溫度和成分。

離子和中性粒子質譜儀(INMS) :用於探測土星附近的離子和中性粒子。

成像科學子系統(ISS) :用於拍攝照片。

雙重技術磁場強度計(MAG)

磁場成像儀(MIMI)

無線電探測和測距儀(RADAR)

無線電波和等離子體波科學儀器(RPWS)

無線電科學子系統(RSS)

紫外成像攝譜儀(UVIS)

可見光和紅外線測繪分光計(VIMS)

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