卡西尼号飞船 辉煌的探索 壮丽的谢幕 [上]
“卡西尼”号探测器，在茫茫宇宙默默地飞行了20年，向地球传送了海量的数据成果，收获丰盛，鞠躬尽瘁，最后按指令陨落土星，完成了壮烈的告别！
“卡西尼（Cassini）”号携带有“惠更斯”探测器，称“卡西尼—惠更斯”。它是以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名的深空探测器。（图，卡西尼号土星探测器）
深空探测有两种：一种是探测器飞越天体周围进行探测，一掠而过，得到有限的数据成果；另一种是一圈一圈环绕目标天体飞行，长期探测，获得丰富的数据成果。美国“卡西尼”号属后者，是美国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局和意大利航天局合作的深空探测旗舰项目，任务是对土星及大气、光环、卫星和磁场等进行考察。（图，无数微天体组成的土星环）
“卡西尼”号的任务相当复杂，考察的信息量极其庞大，单是拍摄的图片就不下50万幅。这使得它携带的仪器设备多达30种，五花八门，能耗大，重量空前，全重6.4吨，成为人类有史以来建造且发射的最大最复杂的太空探测器。
因此，如果正常发射并使它能有（在7年间）飞到土星的速度，燃料需要70吨以上，但至今还没有那么大的火箭。于是逼迫它另寻出路——借行星的引力加快速度。
——智慧曲线。 根据引力助推原理，科学家们为“卡西尼”号设计了一条奇特的飞行曲线：它没有直奔土星而去，却先是向地球公转轨道的内侧飞去，由于发射方向和地球公转方向一致，地球给了它一个加速。当它“南辕北辙”绕过4150万公里（KM）外的金星，在金星重力场借力获得加速度后，再飞向外侧，两次精确地穿越霍曼转移轨道。之后它绕太阳一圈，再次掠过金星时，获得金星第2次引力加速；然后绕回来，围绕地球绕了好几圈，又从地球获得引力加速，这才告别地球，奔向寒冷而漆黑的外行星际空间。
在距木星约1000万公里处掠过时，“卡西尼”号获得了强大推力。
木星实在太大了。体积是地球的1300多倍，质量是地球的318倍。整个太阳系总质量，太阳占99%，余下1% 中木星占了一半还多，剩下才是地球等所有天体的。木星强大的引力，使许多小天体改变了飞行方向而没有砸向地球，木星就是地球的保护者。或者说，没有木星，地球上可能没有高等生命，没有人类。
如果合适，对木星绕飞的航天器，可以在它强有力的助推下飞离太阳系（美国旅行者1号就是这样做的）。因此，对于飞往土星的“卡西尼”号，木星的加力不可或缺。
最后，“卡西尼”才把船头对准土星，飞向最终目的地。这个行程达到了35.2亿公里，是地球土星间实际距离的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，就像田螺背上的螺旋纹。
——尴尬的出发。 尴尬的是核能供电。“卡西尼”携带大量仪器，要在太空工作数十年，电能从哪里来？ 飞行器上通常配置太阳能电池，但土日距离10倍于地日距离，太阳能板没法做得无限大。在那么远的地方靠太阳充电？不可能。而火箭的固体燃料不能用在仪器上。因此，惟一可行的能源是核能，即由放射线能累积成热能，热能转变成电能。这种供电设备叫“放射性热电发生器”。
带放射性元素的电池却是环保大忌。对此，环保人士一直在嘀嘀咕咕，还引起了欧洲绿色环保组织强烈抗议。但没有“热电发生器”，“卡西尼”的计算机就没有能源，不可能维持许多年的考察。热电发生器结构精巧，供电可靠，目前还没有什么方法代替它。于是，上演了戏剧性一幕——科学家们背着抗议者，偷偷摸摸地将“卡西尼”打发出去。
——飞行步骤。 经过精心安排，1997年10月15日，“卡西尼”号从美国的卡纳维拉尔角发射升空，以12.4公里/秒的速度（略高于11.2公里的第二宇宙速度）摆脱地球引力飞向太空。1998年4月，它在距金星284公里处飞掠，获得加速。接着绕过太阳，于1999年6月在距金星600公里处再次掠过，再获加速。同年8月，在距地球1171公里处飞越，被地球再次加速。 第2次离开地球，“卡西尼”号飞往太阳系的外层行星轨道。
2000年1月，它成功穿越荆棘丛生的小行星带。同年12月，它在距木星约1千万公里处飞掠，获得了木星的加速。此时它的速度超过了每秒30公里（达到37—41公里/秒）——远远高于任何炮弹、子弹的速度，是导致恐龙灭绝的那个撞击地球的小天体的飞行速度。之后，它才朝土星飞去。（图，卡西尼2004年拍摄的土星）
2004年5月18日，土星引力首次超过来自太阳的引力，“卡西尼”进入土星系。同年7月1日，“卡西尼”进入土星轨道，启动了长达96分钟的减速火箭，防止被土星重力场“捕获”而直坠土星，这最后一次关键性减速，使“卡西尼”成为土星的第一颗人造卫星。
“卡西尼”在这漫长的7年飞行过程中定位精准，向几颗行星借力的时间、位置都计算得是非常精确。“仅仅7年时间，‘卡西尼’就飞到土星。这么复杂的加速、飞行路线，就决定在发射的一瞬间，发射的方向和力量都要计算得准确无误。这真是科学的成功。”李竞教授曾这样发出感慨。（图，土星红巨风）
——复杂的探测任务：寻找土星生命线索，调查土星云、大气层、土星环及卫星的表面地貌状况。 “卡西尼”号在2004年—2017年的13年中，围绕土星运行几百周，无数次“亲近”土星的9其中，对土星最大的卫星——土卫六（也叫“泰坦”星）的探测显得很重要。“卡西尼”上百次飞经土卫六约950公里的上空。（图，土卫六“泰坦”）
研究土星的大气活动。土星直径13万KM是地球直径的10倍，质量是地球的95倍，体积是地球的745倍。个子很大，可自转一周才10余小时，速度异常快，这使它变成了扁椭形。土星的赤道半径和极半径之比是10：9，这种比例在太阳系大行星中独一无二。
快速旋转的另一种结果，是土星大气环流非常激烈。土星上的大白斑（与木星上的大红斑类似）即大气旋，直径比地球还大。大白斑已有400年历史了，为什么能持久？“卡西尼”对大白斑等大气活动进行考察，研究土星大气的化学成分。（图，土星北极云层）
研究土星磁场。土星的磁极极其怪异，其方向和土星南北极方向几乎垂直，这在太阳系中绝无仅有。且土星磁场强度十倍于地球。研究土星磁特征及起源，对地球的影响等。
还要间接研究土星内部结构。长时间观察表象可以得到关于内部结构的信息。
有一项任务引人注目，就是观察环绕土星的多层、多带的环。上个世纪50年代“大体积行星普遍存在环结构”的假说后来被证实。太阳系四大行星（木星、土星、天王星和海王星）全有环，环结构的形成和演化成为研究的课题。（图，土星彩色环）
土星的光环又宽又大，之雄伟其他行星无法比。人们对这个环了解很少，但根据环动力学，它是个年轻的结构，比土星要年轻得多，而且很可能也是短命的。李竞教授说“土星环不是永久存在的，它将怎样演变、将以什么方式瓦解，都要通过近距离观察来了解，这对研究同类行星的环的形成及演化都具有价值。”
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中富含氮。推测早期地球上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，有些类似化合物也许在生命诞生之前就存在于地球上。（待下）
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