卡西尼-惠更斯号

2017年9月15日卡西尼-惠更斯号（英语：Cassini–Huygens）是前往土星系统的一架旗舰级空间探测器，也是由美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和意大利航天局（ASI）合作进行的任务。整个任务分为两部分：环绕土星的卡西尼号（Cassini）与在土星最大卫星土卫六登陆的惠更斯号（Huygens）。两具探测器由泰坦四号B型运载火箭搭载，于1997年10月15日一同发射升空，并于2004年7月初抵达土星轨道，随后在同年12月25日分离。卡西尼号自入轨后持续运作超过13年，直到2017年9月15日进入土星大气层焚毁；惠更斯号则于2005年1月14日成功于土卫六的阿迪立地区着陆并传回数据，是首具在外太阳系天体完成登陆的探测器。卡西尼-惠更斯号虽然是第四架前往土星的空间探测器，但却是当中第一个环绕土星者。该计划于1980年代开始。它的设计包括绕行土星的人造卫星（卡西尼号）和登陆泰坦（惠更斯号）。这两艘航天器是以天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼和克里斯蒂安·惠更斯的名字命名。航天器于1997年10月15日使用泰坦VB/半人马发射升空，在2004年7月1日进入环绕土星的轨道。在前往的星际航行途中，曾两度飞越金星，一次飞越地球与木星。在2004年12月25日，惠更斯号与卡西尼号分离，并在2005年1月14日降落在泰坦。它利用卡西尼号中继，成功的将资料传送回地球。这是有史以来第一次在外太阳系的天体上着陆。卡西尼号在抵达后就持续的研究土星系统，并两度延展计划直至2017年4月。 然而，因为航天器用于调整与校正轨道的燃料因消耗而不断减少，在2016年11月30日决定进入专案的最后阶段。卡西尼号将驶入土星环的内圈，每7天绕行土星一次。航天器将一点一点地深入这过去从未触及的区域，以得到最接近土星环的外观。在2016年12月4日，航天器首度通过土星环。卡西尼号已在2017年9月15日潜入土星大气层中销毁，并在结束前传送回最后的图像。选择这样的处置方法，为的是避免污染可能有生物存在的土卫。欧洲的16个国家和美国组成负责设计、制造、飞行和收集来自卡西尼号轨道器和惠更斯号探测器的资料。这项任务由美国宇航局（NASA）设在美国的喷射推进实验室负责管理，卡西尼号轨道器也在此制造。惠更斯号由欧洲太空研究与技术中心（ESTEC）开发，主要的承包商是法国的法国航太（现在的泰雷兹阿莱尼亚航太公司），并汇集的许多欧洲国家提供的设备和仪器（惠更斯号的电池和两件仪器是由美国制造）。意大利航天局（ASI）提供卡西尼号的高增益雷达天线，与并网的低增益天线（确保在任务期间与地球的通讯），还有一个也使用高增益天线的紧致轻量雷达，并且担当合成孔径雷达、雷达高度计、辐射计、无线电科学子系统（RSS）、VIMS光谱仪的可见光通道（VIMS-V）。VIMS红外线对应的部分由NASA提供，还有主要的电子装配，也包括法国的法国国家太空研究中心（CNES）提供的电子元件，由NASA安装。在2008年4月16日，NASA宣布再投资两年这项任务在地面所需的经费，同时更改任务名称为卡西尼分点任务（Cassini Equinox Mission）。在2010年2月，任务再度被延长，并再改称为卡西尼至点任务（Cassini Solstice Mission）。这个任务包括两个主要的元素：ASI/NASA的卡西尼号轨道器，是以发现土星环的卡西尼缝与四颗卫星的意大利-法国天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼的名字命名；ESA发展的惠更斯号探测器是以发现土卫泰坦的荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯之名命名。这项任务在酝酿的期间，通常被称为土星轨道泰坦探测器（SOTP，Saturn Orbiter Titan Probe），就如同被笼统称呼的Mariner Mark II（英语：Mariner Mark II）任务。卡西尼-惠更斯号是前往外太阳系行星的旗舰任务。其它旗舰级的行星任务还有伽利略号、旅行者号和维京人号 。卡西尼号有几个目标，包括：卡西尼-惠更斯号于1997年10月15日从卡纳维拉尔角空军基地的40号综合发射台，使用美国空军的泰坦4VB/半人马火箭发射。完整的发射是由两节的泰坦4V助推火箭、两个捆扎的固态火箭，半人马火箭是上一节，和有效载荷的外壳或整流罩。这个科学探测任务的总经费约是美金32亿6000万，包括发射前发展所耗用的14亿，以及7亿400万的任务操作，5400万用于追踪，还有4亿2200万用于发射的运载火箭。美国承担了26亿（80%）费用，ESA负担了5亿（15%），ASI负担1亿6000万（5%）。卡西尼号的主要任务已经于2008年7月30日完成；但因资源尚足够便延长至2010年6月（分点任务）。土星于2009年8月经过春分点，这段时间对土星做了详细的研究。在2010年2月3日，宣布卡西尼号的任务再度延长约6.5年，直到2017年9月。结束任务的时间是土星北半球的夏至，所以任务名称为至点任务。延伸的任务让卡西尼号多绕行土星155圈，并飞越泰坦54次、恩克拉多斯11次。 在2017年，在与泰坦邂逅后，卡西尼号将改变它的轨道型态。它将在土星环最内侧的D环之内，以距离土星云层顶端3,000千米接近土星。这一连串的“近端轨道”最后将卡西尼号像探测土卫六的探测器一样，进入土星的大气层来结束任务。卡西尼-惠更斯号的起源可以追溯到1982年，当欧洲科学基金会（英语：European Science Foundation）和美国美国国家科学院组成一个探讨未来合作任务的工作组（英语：Work group）之际，两位欧洲的科学家建议土星轨道器和泰坦登陆器组合的联合任务。在1983年，NASA的太阳系探索委员会（英语：Solar System Exploration Committee）建议相同的轨道飞行器和探测器作为美国宇航局的核心任务。NASA和欧洲空间局（ESA）从1984年至1985年研究联合执行潜在任务派遣的可行性。欧洲空间局在1986年仍继续自行研究，而美国太空人莎莉·莱德在1987年提出自身研究的报告：NASA Leadership and America's Future in Space（英语：The Ride Report） ，也审查和核准了卡西尼任务。虽然莱德的报告是叙述NASA独立派遣绕行土星的航天器和探测器，而在1988年NASA的太空科学和应用协会的理事长Len Fisk 带回了NASA和ESA联合派遣任务的想法。他写信给在ESA的欧洲联络人，Roger Bonnet，强烈建议从当时的三项候选任务中选择卡西尼任务，并承诺尽快让NASA选择同意与ESA合作执行。当时，NASA对欧洲和美国在太空计划上的发展，因为欧洲有不同的看法，已经不像以前那样的平等合作，而变得更为敏感。NASA参与卡西尼-惠更斯计划的官方和顾问都试图扭转这种趋势，强调他们渴望均匀分享由此任务所产生的任何科学成就和利益。这种与欧洲合作新趋势的另外一部分原因是受到欧洲与苏联已经开始更密切的合作，这会使得ESA与NASA渐行渐远，因而增加了NASA的竞争意识。合作不仅改善了两个集团的太空计划，也让卡西尼-惠更斯号在美国国会削减预算之后仍然能够执行。该计划在1992年和1994年两度遭到政治之火波及，但NASA成功说服美国国会停止该专案计划是不明智的，在EAS已经将资金投入发展之后，因为受到挫折而伤害到执行太空探险计划的承诺，可能影响到其他领域的对外关系。在1994年之后，虽然有关注其对环境影响的民间团体试图通过抗议和诉讼破坏，但直到1997年发射之前，都未再受到政治干扰而能顺利进行。航天器原先计划使用辅助的三轴稳定、拟前往火星轨道的Mariner Mark II（英语：Mariner Mark II） 放射性同位素热电机（RTG，Radioisotope thermoelectric generator）做为动力。卡西尼与彗星会合小行星飞掠（英语：Comet Rendezvous Asteroid Flyby）（CRAF）航天器同时发展，但预算削减和专案的重审，迫使NASA终止CRAF的发展，而保留卡西尼；Mariner Mark II系列也被取消。包括轨道器和探测器，他是曾建造第二大的无人行星际航天器，也是最复杂的其中一艘。轨道器的质量为2,150千克（4,740磅），探测器是350千克（770磅）。在发射时与运载火箭对接时携带着3,132千克（6,905磅）的推进剂，总重量达到5,600千克（12,300磅）。只有苏联发射的两艘火卫一和火卫二航天器比它大。卡西尼航天器高6.8米（22英尺），宽4米（13英尺）。由于它是以弹道（飞行路径）前往土星，以及雄心勃勃的科学目的，使这艘航天器变得非常复杂。卡西尼有1,630件互联的电子元件，以22,000 条导线连接，总长度达到14千米（8.7英里）的配线。控制电脑的CPU核心是有备份组件的MIL-STD-1750A 系统。主推进系统包括一个主火箭和1个备用的R-4D（英语：R-4D）火箭引擎。每个引擎的推力是490牛顿，航天器整体的速度变化是每秒2,040米。卡西尼的电力是由32.7千克的钚-238（英语：Plutonium-238）提供，将从材料的放射性衰变热能转化成电能。在巡航期间，惠更斯的电力也由卡西尼提供；分离后则使用化学电池。直到2017年9月，卡西尼号持续的在绕行土星的轨道上运转，与地球的距离在8.3至10.2天文单位之间变动着。无线电讯号从地球到航天器需要68至84分钟的到达时间（英语：Time of arrival），反之亦然。因此，地面控制不能对于日常或突发的事件给予“即时”的指示。当卫星出现问题，即使接收的工程师们是立即回应，之间的传递时间也将超过两个小时。为了能够收集到尽可能多的科学数据，卡西尼-惠更斯号携带了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。仪器：卡西尼的仪器包括：合成孔径雷达制图、感光耦合元件成像系统、可见光/红外映射光谱仪、复合红外光谱仪、宇宙尘分析仪、无线电和等离子体波实验、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。遥测资讯的通报天线和其它特别的发射机（S波段发射机和双频Ka波段（英语：Ka band）系统），也将用于观测土星和泰坦的大气层，和测量土星和它的卫星的重力场。由于土星与太阳的距离较远，使得以太阳能电池阵列作为这艘航天器的动力来源是行不通的。要产生足够的能量，这种阵列将会太大也太重。取而代之的是卡西尼号探测器由三个放射性同位素热电机（RTGs，radioisotope thermoelectric generators）供应能量。这是使用大约33千克（73磅）的钚-238（以二氧化钚的形式）以自然衰变的热通过热电（英语：Energy harvesting）发电产生直流电。卡西尼任务所使用的能源装置与使用在新视野号、伽利略号、和尤利西斯号探测器的设计都完全一样，它们都有很长时间的运转寿命。在卡西尼完成11年的任务时，它们仍然能够产生600至700瓦的电力（为卡西尼准备的备用RTGs之一被用在稍后推出的新视野号任务，设计和发射前往探测冥王星和柯伊伯带）。为了让已经在飞行中的探测器获得动量，卡西尼任务的弹道轨道包括几次的重力助推部署：两次低空飞掠金星，然后飞掠地球一次，再飞掠木星一次。最后一次飞掠地球时，可以想像卡西尼号对人类构成的危险。这个部署是成功的，卡西尼号在1999年8月18日以1,171 km（728 mi）的距离从地球上空掠过。 幸好没有任何故障导致卡西尼号与地球发生碰撞。NASA以最坏的碰撞情况（使卡西尼号会燃烧的锐角重返大气层）研究对整体环境影响的评估：RTGs内的 33千克钚-238，只要有可以察觉的一部分散布进入地球的大气层，50亿人（当时地球上的总人数）当中，因罹癌而死亡的人数可能会增加5,000人（预期因其它各种原因造成癌症的死亡的几率是0.0005%，即百万分之五。也就是10亿人中有50万人，这样的计算无论怎么说都是不正确的）， 但是这种情况发生的机会低于百万分之一。卡西尼号航天器可以用几种不同格式的遥测术进行传输。遥测术子系统是最重要的子系统，因为没有它就不可能有资料传送回来。遥测术是在地面发展的，而由于航天器使用比之前更现代化的整套电脑。因此，卡西尼是第一艘采取迷你包来降低遥测辞典的复杂性，这是任务管理团队的软件发展过程导致的创作。目前约有1088个通道（在67个迷你包内）组合在卡西尼的遥测术辞典内。在这67个低复杂性的迷你包之外，6个迷你包的子系统包含系统共变数和卡尔曼增益元素（161个测量）不在任务正常的状态下使用。其余的947个测量是在61个迷你包完成。共七个遥测地图对应 7 AACS 遥测方式被建造。这些模组是（1）纪录；（2）巡航计划；（3）中慢速巡航；（4）慢速巡航；（5）轨道Ops；（6）Av；（7）ATE（姿态估计）校准。这七组遥测地图涵盖了所有航天器的遥测方式。惠更斯号探测器是由欧洲空间局提供的，并由发现泰坦的17世纪荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯之名命名。它于2005年1月15日降落在泰坦的表面，并仔细观察泰坦的云、大气层和表面。它被设计成无人的全自动检测机器人实验室，进入泰坦的大气层，并且利用大气层刹车，以降落伞降落到表面。探测器的系统包含探头系统本身，降落至泰坦的表面；探针支援设备（PSE，probe support equipment）仍然附着在轨道上的航天器。PSE包括追踪探测器的电子仪器，收集降落时获得的资料，并处理和传递资料给轨道器，再传送回地球。控制系统的核心电脑CPU是冗余的MIL-STD-1750A。1997年10月15日，卡西尼-惠更斯号从卡纳维拉尔角航天基地第40号发射台成功发射升空。固体火箭发动机在起飞时开始点火，直到第143秒才停止，当时高度是68,300米。第一级火箭在升空第131秒开始点火，当时高度是58,500米。卡西尼-惠更斯号升空后第323秒，第一级火箭分离，第二级火箭点火，当时高度是167,300米。卡西尼-惠更斯号升空后207秒内，覆盖物保护卡西尼-惠更斯号以免暴露在阳光直射下。卡西尼-惠更斯号分别于1998年4月26日与1999年6月4日接近金星，进行两次重力助推调整，确保探测器有足够的动能可以抵达小行星主带。之后卡西尼-惠更斯号受到太阳牵引，1999年8月18日，探测器近距离通过地球进行重力助推调整，距离月球只有377,000千米。2000年1月23日，卡西尼-惠更斯号接近小行星2685，并进行一系列观测。卡西尼-惠更斯号距离该小行星1,600,000千米，并估计其直径为15－20千米。2000年12月30日，卡西尼-惠更斯号与木星距离最近，并进行一系列观测，总共拍摄26,000张木星影像。这些照片是当时最清晰的木星影像, 分辨率可达60千米。2003年3月6日，科学家发布卡西尼-惠更斯号这次接近木星的一些主要发现。2003年10月10日，卡西尼-惠更斯号科学家团队宣布爱因斯坦相对论的实验结果显示相对论与实际观测互相吻合。2004年6月11日, 卡西尼-惠更斯号飞掠土卫九，也是旅行者2号之后最接近该卫星的一次。这也是卡西尼-惠更斯号唯一一次近距离飞掠土卫九。2004年7月1日，卡西尼-惠更斯号通过F环与G环之间抵达绕行土星轨道，成为首艘绕行土星的探测器，展开四年的探测任务。卡西尼号将会到达距离土星最近位置，距离土星上层大气只有20,000千米，这个距离不足土星半径的三分之一。2004年7月1日，卡西尼-惠更斯号启动主发动机减速，使飞船被土星引力俘获进入轨道。卡西尼号预计将完成74圈公转，44次近距离掠过 土卫六，以及多次掠过土星其它冰卫星。2004年7月2日， 卡西尼-惠更斯号首次近距离接近土卫六，距离该卫星339,000千米，并获得有史以来最清楚的土卫六照片。2004年12月25日，惠更斯号脱离母船卡西尼号，飞向土卫六。2005年1月14日，惠更斯号在降落土卫六过程中拍摄土卫六照片，并测量风速及压力，分析大气层气体，并将数据会传回卡西尼号轨道器。惠更斯号最终降落在上都地区 ，并拍摄人类历史上第一张土卫六表面照片，惠更斯号在土卫六上运作90分钟。2005年，卡西尼-惠更斯号首次近距离观测土卫二，成像科学子系统拍摄到土卫二冰晶喷射活动。（其实，卡西尼-惠更斯号在2005年2月已经拍摄到羽状物，只是仍需要进一步对高相位角度拍摄的照片进行研究，这些照片还需要同其他卫星的高相位照片进行对比。）于是土卫二成为太阳系第四颗被证实存在火山活动的天体，其余三颗分别是地球、海卫一和木卫一。2006年7月21日，科学家从雷达照片中发现土卫六北半球存在碳氢化合物湖泊，也是科学家首次在地球以外的星球发现湖泊。这座湖泊直径估计为100千米。2007年3月13日，喷气推进实验室宣布土卫六北半球存在碳氢化合物海洋，其中至少有一个比北美洲五大湖还大。2006年11月10日，美国宇航局宣布，卡西尼上的高清晰度照相机记录下了土星南极发生的带眼风暴，这是人类首次在地球以外的行星上观测到这种现象。风暴顺时针方向的风速达到了每小时550千米。2007年3月13日，美国宇航局卡西尼项目小组报告说，卡西尼飞船上几部观测仪器拍摄发回的土卫六图像都显示，土卫六北纬高纬度地区存在海洋。7月20日，美国宇航局说，卡西尼飞船发现了土星的一颗新卫星。这使得土星的卫星数目达到60个。2013年7月19日，卡西尼号在距离地球约15亿千米由高清晰度照相机拍摄了由土星回望地球照片（英语：The Day the Earth Smiled）。2008年3月12日，卡西尼-惠更斯号仅仅以50千米的距离飞掠土卫二，发现羽状物中含有更多的化学物质，包括复杂的碳氢化合物（丙烷、乙烷、乙炔）。这项发现提高土卫二存在生命的可能性。2009年11月21日，卡西尼-惠更斯号第八次飞掠土卫二。2008年4月15日，卡西尼-惠更斯号确定展开两年延伸任务，将绕行土星60次、21次近距离探测土卫六、7次近距离探测土卫二、6次近距离探测土卫一、8次近距离探测土卫三及分别接近土卫四、土卫五与土卫十二各一次。这次延伸任务于2008年7月1日展开。第二次延伸任务于2010年10月2日展开并一直持续至今，卡西尼号预计将绕行土星155次、54次近距离探测土卫六、11次近距离探测土卫二。卡西尼号预计于2017年进入土星大气层，结束所有任务。2012年10月25日，卡西尼-惠更斯号观测到土星出现大白斑，这种现象约30年出现一次。2012年12月21日，卡西尼-惠更斯号观测到金星凌日。2013年7月19日，卡西尼号使用高清晰度照相机拍摄土星回望地球与月球照片，美国宇航局于拍摄照片前事先告知社会大众，也是人类历史上的首例。科学家认为想要人们朝向天空挥手，科学家卡洛琳·波尔科（Carolyn Porco）认为这次拍摄是庆祝居住在暗淡蓝点上的生命。2014年4月3日，美国宇航局科学家宣布土卫二南极地底存在液态水海洋，土卫二成为太阳系有可能存在生物的星球之一。2017年4月，美国宇航局宣布卡西尼号，最后任务是进入土星与土星环之间区域，探索土星环“年龄”及起源。为了避免卡西尼号可能附有地球微生物，污染土星卫星，即使完成使命，卡西尼号亦会于同年9月15日坠落土星，自我销毁。卡西尼号总共发现7颗绕行土星的新卫星。使用卡西尼号在2004年拍摄的影像，研究人员发现Methone、Pallene和 Polydeuces。然而，稍后的分析发现旅行者2号在1981年飞越土星时就拍到了Pallene。2005年5月1日，卡西尼号在基勒环缝中发现Daphnis（达佛涅斯），它的临时名称是S/2005 S1，这颗卫星也导致缝隙边缘的波纹。卡西尼号在2007年5月30日发现第五颗新卫星，临时名称是S/2007 S4，他现在已经被命名为Anthe。2009年2月3日，在一份电子报中透漏卡西尼号发现第六颗新卫星。这颗卫星位于土星的G环内，直径只有大约500米（0.3英里），它的临时名称是S/2008 S1，被命名为Aegaeon（埃该翁）。2009年11月2日的新闻发布会上提到卡西尼号在2009年7月26日发现第七颗新卫星。它的位置在B环中，直径仅约300米（984英尺），暂定的名称是S/2009 S1（英语：S/2009 S1）。在2014年4月14日，NASA的科学家报告可能有一颗新卫星在土星的A环内开始形成。为了顺利抵达土星，卡西尼-惠更斯号空间探测器曾多次进行重力助推，曾两次飞掠通过金星，之后再一次飞掠通过地球，并飞掠通过木星，并最终到达土星。2017年4月26日，Google首页展示了以卡西尼-惠更斯号为主题的Google涂鸦，以纪念卡西尼号探测器穿越土星与土星环内缘。