卡西尼號飛船 輝煌的探索 壯麗的謝幕 [上]

「卡西尼」號探測器，在茫茫宇宙默默地飛行了20年，向地球傳送了海量的數據成果，收穫豐盛，鞠躬盡瘁，最後按指令隕落土星，完成了壯烈的告別！

「卡西尼（Cassini）」號攜帶有「惠更斯」探測器，稱「卡西尼—惠更斯」。它是以義大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名的深空探測器。（圖，卡西尼號土星探測器）

深空探測有兩種：一種是探測器飛越天體周圍進行探測，一掠而過，得到有限的數據成果；另一種是一圈一圈環繞目標天體飛行，長期探測，獲得豐富的數據成果。美國「卡西尼」號屬後者，是美國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局和義大利航天局合作的深空探測旗艦項目，任務是對土星及大氣、光環、衛星和磁場等進行考察。（圖，無數微天體組成的土星環）

「卡西尼」號的任務相當複雜，考察的信息量極其龐大，單是拍攝的圖片就不下50萬幅。這使得它攜帶的儀器設備多達30種，五花八門，能耗大，重量空前，全重6.4噸，成為人類有史以來建造且發射的最大最複雜的太空探測器。

因此，如果正常發射並使它能有（在7年間）飛到土星的速度，燃料需要70噸以上，但至今還沒有那麼大的火箭。於是逼迫它另尋出路——借行星的引力加快速度。

——智慧曲線。 根據引力助推原理，科學家們為「卡西尼」號設計了一條奇特的飛行曲線：它沒有直奔土星而去，卻先是向地球公轉軌道的內側飛去，由於發射方向和地球公轉方向一致，地球給了它一個加速。當它「南轅北轍」繞過4150萬公里（KM）外的金星，在金星重力場借力獲得加速度後，再飛向外側，兩次精確地穿越霍曼轉移軌道。之後它繞太陽一圈，再次掠過金星時，獲得金星第2次引力加速；然後繞回來，圍繞地球繞了好幾圈，又從地球獲得引力加速，這才告別地球，奔向寒冷而漆黑的外行星際空間。

在距木星約1000萬公里處掠過時，「卡西尼」號獲得了強大推力。

木星實在太大了。體積是地球的1300多倍，質量是地球的318倍。整個太陽系總質量，太陽佔99%，餘下1% 中木星佔了一半還多，剩下才是地球等所有天體的。木星強大的引力，使許多小天體改變了飛行方向而沒有砸向地球，木星就是地球的保護者。或者說，沒有木星，地球上可能沒有高等生命，沒有人類。

如果合適，對木星繞飛的航天器，可以在它強有力的助推下飛離太陽系（美國旅行者1號就是這樣做的）。因此，對於飛往土星的「卡西尼」號，木星的加力不可或缺。

最後，「卡西尼」才把船頭對準土星，飛向最終目的地。這個行程達到了35.2億公里，是地球土星間實際距離的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，就像田螺背上的螺旋紋。

——尷尬的出發。 尷尬的是核能供電。「卡西尼」攜帶大量儀器，要在太空工作數十年，電能從哪裡來？飛行器上通常配置太陽能電池，但土日距離10倍於地日距離，太陽能板沒法做得無限大。在那麼遠的地方靠太陽充電？不可能。而火箭的固體燃料不能用在儀器上。因此，惟一可行的能源是核能，即由放射線能累積成熱能，熱能轉變成電能。這種供電設備叫「放射性熱電發生器」。

帶放射性元素的電池卻是環保大忌。對此，環保人士一直在嘀嘀咕咕，還引起了歐洲綠色環保組織強烈抗議。但沒有「熱電發生器」，「卡西尼」的計算機就沒有能源，不可能維持許多年的考察。熱電發生器結構精巧，供電可靠，目前還沒有什麼方法代替它。於是，上演了戲劇性一幕——科學家們背著抗議者，偷偷摸摸地將「卡西尼」打發出去。

——飛行步驟。 經過精心安排，1997年10月15日，「卡西尼」號從美國的卡納維拉爾角發射升空，以12.4公里/秒的速度（略高於11.2公里的第二宇宙速度）擺脫地球引力飛向太空。1998年4月，它在距金星284公里處飛掠，獲得加速。接著繞過太陽，於1999年6月在距金星600公里處再次掠過，再獲加速。同年8月，在距地球1171公里處飛越，被地球再次加速。第2次離開地球，「卡西尼」號飛往太陽系的外層行星軌道。

2000年1月，它成功穿越荊棘叢生的小行星帶。同年12月，它在距木星約1千萬公里處飛掠，獲得了木星的加速。此時它的速度超過了每秒30公里（達到37—41公里/秒）——遠遠高於任何炮彈、子彈的速度，是導致恐龍滅絕的那個撞擊地球的小天體的飛行速度。之後，它才朝土星飛去。（圖，卡西尼2004年拍攝的土星）

2004年5月18日，土星引力首次超過來自太陽的引力，「卡西尼」進入土星系。同年7月1日，「卡西尼」進入土星軌道，啟動了長達96分鐘的減速火箭，防止被土星重力場「捕獲」而直墜土星，這最後一次關鍵性減速，使「卡西尼」成為土星的第一顆人造衛星。

「卡西尼」在這漫長的7年飛行過程中定位精準，向幾顆行星借力的時間、位置都計算得是非常精確。「僅僅7年時間，『卡西尼』就飛到土星。這麼複雜的加速、飛行路線，就決定在發射的一瞬間，發射的方向和力量都要計算得準確無誤。這真是科學的成功。」李競教授曾這樣發出感慨。（圖，土星紅巨風）

——複雜的探測任務：尋找土星生命線索，調查土星雲、大氣層、土星環及衛星的表面地貌狀況。「卡西尼」號在2004年—2017年的13年中，圍繞土星運行幾百周，無數次「親近」土星的9顆衛星。其中，對土星最大的衛星——土衛六（也叫「泰坦」星）的探測顯得很重要。「卡西尼」上百次飛經土衛六約950公里的上空。（圖，土衛六「泰坦」）

研究土星的大氣活動。土星直徑13萬KM是地球直徑的10倍，質量是地球的95倍，體積是地球的745倍。個子很大，可自轉一周才10餘小時，速度異常快，這使它變成了扁橢形。土星的赤道半徑和極半徑之比是10：9，這種比例在太陽系大行星中獨一無二。

快速旋轉的另一種結果，是土星大氣環流非常激烈。土星上的大白斑（與木星上的大紅斑類似）即大氣旋，直徑比地球還大。大白斑已有400年歷史了，為什麼能持久？「卡西尼」對大白斑等大氣活動進行考察，研究土星大氣的化學成分。（圖，土星北極雲層）

研究土星磁場。土星的磁極極其怪異，其方向和土星南北極方向幾乎垂直，這在太陽系中絕無僅有。且土星磁場強度十倍於地球。研究土星磁特徵及起源，對地球的影響等。

還要間接研究土星內部結構。長時間觀察表象可以得到關於內部結構的信息。

有一項任務引人注目，就是觀察環繞土星的多層、多帶的環。上個世紀50年代「大體積行星普遍存在環結構」的假說後來被證實。太陽系四大行星（木星、土星、天王星和海王星）全有環，環結構的形成和演化成為研究的課題。（圖，土星彩色環）

土星的光環又寬又大，之雄偉其他行星無法比。人們對這個環了解很少，但根據環動力學，它是個年輕的結構，比土星要年輕得多，而且很可能也是短命的。李競教授說「土星環不是永久存在的，它將怎樣演變、將以什麼方式瓦解，都要通過近距離觀察來了解，這對研究同類行星的環的形成及演化都具有價值。」

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中富含氮。推測早期地球上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，有些類似化合物也許在生命誕生之前就存在於地球上。（待下）