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卡西尼号(Cassini)是卡西尼—惠更斯号的一个组成部分。卡西尼—惠更斯号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,主要任务是对土星系进行空间探测。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。

简介

卡西尼号

卡西尼号

“卡西尼号”太空探测器在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后,已于北京时间2004年7月1日12时12分按计划顺利进入环绕土星转动的轨道,开始对土星大气、光环和卫星进行历时4年的科学考察。

35亿千米的征程

400年前,意大利科学家伽利略在人类历史上第一次把望远镜对准了天空中的星星,把古老的天文学推进到了一个全新的时代。伽利略在用望远镜观测土星的时候,发现土星的圆面两侧有好像人耳朵一样的东西。1659年,荷兰科学家惠更斯在经过更精细的观测之后确定,土星的这两个像耳朵一样的东西,实际上是连在一起的,是一个环绕土星的扁平圆环。
卡西尼出生在意大利,后到法国,担任巴黎天文台首任台长。1675年,他在对土星光环进行观测时,发现在这个光环的中间有一条黑暗的缝隙,把光环分为内外两部分。后来,天文学家就把这条缝隙称为卡西尼环缝
1989年10月18日,美国和欧洲合作发射了“伽利略号”太空探测器。1995年12月7日,“伽利略号”进入绕木星飞行的轨道,开始对木星和木星的四颗大卫星进行科学研究。当年,正是伽利略用望远镜发现了这四颗木星卫星。把太空探测器取名为“伽利略号”,就是为了纪念伽利略的这一发现。
受到“伽利略号”成功的鼓舞,美国欧洲进一步合作,又研制了一个飞向土星的太空探测器,并且为了纪念卡西尼当年发现土星光环的环缝,就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。
参加“卡西尼号”土星探测计划的国家一共有17个,它是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。“卡西尼号”直径3米,高7米,重6.4吨,携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器,取名为“惠更斯号”。
“卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火箭的推力直接飞向土星,并要求它像现在这样在7年之内飞到土星,那么使用的燃料决不能少于70吨。然而,人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的火箭。因此,“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法,借用行星的引力来加快速度。
“卡西尼号”发射后,首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠,利用金星引力获得加速。之后,它绕太阳一圈,于1999年6月再次在距金星600千米处飞掠,获得金星引力的第二次加速。同年8月,“卡西尼号”在距地球1171千米处飞掠,被地球引力再次加速。
“卡西尼号”第二次离开地球后,才飞往太阳系的外层。2000年12月,它在距木星约1000万千米处飞掠,获得了木星引力的加速。这时,它的速度超过了每秒30千米。然后,它才向目的地土星飞去。
土星离开地球的距离,最近时不到13亿千米,最远时也不超过16亿千米,然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线,飞往土星的行程长达35亿千米。不过,磨刀不误砍柴功,飞行的时间并没有因此增加,而燃料却大大节省了。

进入环绕土星轨道

北京时间2004年7月1日上午,“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”,离开我们的距离超过15亿千米,以至于它与地球之间的无线电通信联系,尽管无线电波以光速传播,可是单程就要花84分钟。于是,对于在“卡西尼号”发生的事情,就有了两个时间,一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间,另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间,后一时间比前一时间晚84分钟。
下面,我们还是以地球上“看到”事情发生的时间为准,而且,我们采用北京时间来表示地球时间。
“卡西尼号”的任务之一就是对土星的光环进行探测。尽管它初来乍到,然而入轨过程本身,就是在预期4年的探测运行中一个绝好的与土星距离最近的机会,它与土星表面云层顶部的距离最近时只有大约2万千米。科学家自然不会放过这个机会开展对土星光环的探测,因此在它入轨的过程中安排了两次穿越土星光环。
整个入轨过程,包括两次穿越光环,每一个步骤,都是预先经过精密计算设定的,由电脑控制着所有事情有条不紊地进行。
“卡西尼号”是从F环和G环之间的缝隙穿越土星光环的。这道环缝是土星光环中最宽的一道环缝,宽达3万千米。环缝中,仍然可能弥漫着一些微粒。“卡西尼号”从环缝中穿过,如果有微粒撞击到它的要害部位或者携带的科学仪器,将有可能造成非常坏的后果。为此,“卡西尼号”在穿越土星光环之前,首先调整姿态,转身180度,把原来位于尾部朝向地球的直径4米的盘状天线,转到前进方向,成为对付环缝中微粒的“盾牌”。
9时11分,“卡西尼号”调整姿态。10时08分,它开始从光环下面穿越光环;10时11分,它到达光环上方,穿环成功。然后,它再把身子转回来,让发动机的喷气管朝向前方,以便点火后形成减速阻力。10时21分,“卡西尼号”再次转身成功;10时36分,发动机点火,“卡西尼号”开始减速。在土星引力的作用下,减速后的“卡西尼号”转过一个大弯,逐渐进入预定的运行轨道。
12时12分,“卡西尼号”的发动机熄火。这时,它已由原来的飞向土星的路线完全转到环绕土星运行的轨道。然后,它开始对土星和土星光环进行近距离的探测,包括用磁力计测量土星磁场的强度和方向,检测穿越光环时所碰到的微粒大小和光环厚度,以及估测光环的组成、温度和结构。
13时32分,“卡西尼号”再次调整姿态;13时58分,它再次穿越光环,从光环上方回到光环下方。然后,它把盘状天线转到朝向地球方向,进入正常运行状态。

组成

卡西尼号等离子体分光计(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)
卡西尼号携带有"惠更斯"号子探测器,它在充满液态甲烷的土卫六上登陆. "惠更斯"在土卫六工作24小时,重点探测土卫六上可能存在的生命迹象. 土卫六是科学家认为的太阳系除地球外最有可能存在生命的星球. 它是土星最大的"月亮",叫作泰坦。

土星之旅

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,原来它是去金星借力去了。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。

借力金星

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,怎奈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,再一次藉由金星的引力加速。

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,独自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,它才向真正目的地土星飞去。

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扣人心弦的“最后一跳”: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,科学家的精准计算真是令人感慨!这里,还要感谢人类的一份幸运,因为太空中随便哪个不期而遇的小石块都可能把卡西尼撞得粉碎。

全面探测

“卡西尼号”在环绕土星运行的4年中,将近距离地纵览土星全貌,对土星和它众多的卫星进行全面考察。
“卡西尼号”从2004年1月起,就开始拍摄土星家族全面、完整的照片和电影。“卡西尼号”携带的照相机,比哈勃太空望远镜上的同类照相机性能更好。
在临近入轨之前,2004年6月11日,它对土卫九进行了探测,拍摄了这颗卫星极其清晰的照片。土卫九是土星距离最远的一颗卫星,半径110千米,科学家猜想它是被土星俘获的一颗小行星。“卡西尼号”在离开它2000千米处经过,对它的质量和密度进行了测量。
2005年2月17日,“卡西尼号”将在离开土卫二1179千米处经过,而同年3月9日,距离更近到499千米。土卫二半径250千米,表面非常明亮,几乎能反射百分之百的阳光。科学家怀疑它的表面是光滑的冰层,“卡西尼号”将探测它的磁场,以判断它的表层下面是否有含盐分的水存在。
2005年4~9月,“卡西尼号”的轨道将从土星赤道面改变到与这一平面成22度夹角,居高临下对土星光环和大气进行测量,进一步探测光环结构、组成光环的物质粒子和土星大气物理特性。
2005年9~11月,“卡西尼号”将逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三,分别对它们进行观测。土卫四半径560千米,土卫五半径870千米,它们的外表很像我们的月亮,密布环形山。土卫七位于土卫六与土卫八之间,形状不规则,最长处直径175千米,很像一颗小行星。土卫三半径530千米,密度和水一样,很可能是一个冰球。
2006年7月到2007年7月,“卡西尼号”将系统地监视和拍摄土星、土星光环、土星磁层的图像。2007年7~9月,它将再次拍摄土星及其家族的电影,并在9月10日到离开土卫八约1000千米处对土卫八进行观测。土卫八半径为720千米,其表面一面颜色很暗,另一面却接近白色,很为奇特。
2007年10月到2008年7月,“卡西尼号”将逐步地进一步增大轨道与土星赤道平面的夹角,最后达到75?郾6度。这样,“卡西尼号”就能更好地观测土星的光环,测量远离土星赤道平面处的磁场和粒子、监视土星的两极地区和观测土星极光现象。其间,在2007年12月3日和2008年3月12日,它将两次接近土卫十一,分别在离开土卫十一6190千米和995千米处对这颗卫星进行观测。

探测任务

随着“卡西尼”号飞船成功进入土星轨道,太阳系第二大行星周围首次多出了一颗人造“卫星”。“卡西尼”号的探测被认为是迄今实施的最为复杂的行星际探测计划,它为期至少4年的近距离观测,不仅将加深科学家对土星的了解,也有助于揭开地球和生命形成的秘密。
4年中围绕土星运行76周
按计划,“卡西尼”号在未来4年围绕土星运行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年中将45次飞经土卫六表面
土卫六可能有地下海洋

土卫六可能有地下海洋

约950公里的上空,并计划向这颗卫星投下“惠更斯”号探测器。科学家认为,人类可能会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2004年12月24日(圣诞夜那天)正式脱离“卡西尼”号,开始了奔向土卫六的长达400万公里的行程。经过20天的长途跋涉,探测器于2005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(因为自身携带的能源有限)。探索结果将通过“卡西尼”号,传回给地球上的科学家。“惠更斯”号探测器是首个在月球以外的一颗天然卫星上登陆的人造探测器。
地球和土卫六大气层中富含氮
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。科学家们说,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。
参与这次探测计划的欧洲航天局科学家让。皮埃尔。勒布雷顿说:“在某种意义上,‘卡西尼’号和‘惠更斯’号就像时间机器一样,带我们去探测以前从来没有见过的世界,那个世界就像45亿年前我们的地球。”
据新浪科技讯 北京时间2012年7月2日消息,据美国宇航局网站报道,来自卡西尼探测器的最新数据显示土星最大的卫星土卫六冰封的地下可能存在一个液态水层。卡西尼号至今还在勤勤恳恳地工作,为我们送来关于遥远鉴于的信息。

助推

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

命名

卡西尼(Giovanni Domenico Cassini,1625–1712),天文学家。1625年6月8日生于意大利佩里纳尔多,1712年9月14日卒于法国巴黎。
卡西尼一生对天文学贡献良多,其中包括发现土星的四颗卫星 - 土卫五(Rhea)、土卫八(Iapetus)、土卫四(Dione)和土卫三(Tethys),又观测火星、木星的自转及土星环的结构,1666年他测定火星自转周期为24小时40分(误差约3分);1668年公布第一个木星历表。1679年发现土星光环中的一道暗缝 - 后称“卡西尼环缝”(Cassini's Division)。1683年起,他系统观测和研究了黄道光(zodiacal light),是最早有系统地观察研究黄道光的人。
另外,他还计算出地球跟火星间的距离,又精确地推算出地球与太阳间的距离。

近况

据美国宇航局官方网站17日报道,2012年10月15日是美国宇航局的“卡西尼”号飞船升空15周年。自1997年10月15日发射以来,这颗行星际探测器的飞行距离已超过38亿英里(约合61亿公里),足以环绕地球15.2万次。在两次飞越金星、地球和木星之后,“卡西尼”号朝着土星进发,2004年进入土星轨道。迄今为止,这颗探测器对土星及其星环和卫星的观测已有8年时间。
卡西尼号环绕图形路线

卡西尼号环绕图形路线

卡西尼号“亲密接触”土卫五 超清晰拍摄冰冻表面
据英国每日邮报3月17日报道,上图是美国宇航局“卡西尼”号探测器近距离靠近土卫五表面时拍摄的原始照片。从照片中,我们可以清晰的看到土卫五的冰冻表面,并且有数以百万计的太空岩石碰撞形成的大陨石坑。“卡西尼”拍摄这些照片时,大约距离地球12亿公里。
当卡西尼号抵达土卫五表面上空997公里处时,拍摄到了土卫五崎岖不平的表面。据悉,土卫五是土星系统62颗卫星中的第二大卫星,直径有1500公里。第一大的土卫六体积是土卫五的3.5倍,土卫五的发射性非常好,它的表面有大量的冰层物质,同时也有许多陨石坑。据介绍,土卫五是太阳系内陨石碰撞最严重的星球之一。
土卫五是由岩石和冰水物质构成,表面温度较低,在零下218摄氏度至零下173摄氏度之间,其岩石硬度大于地球。除了测量土卫五引力场作用力,卡西尼探测器在飞越这颗卫星时还搜寻灰尘样本,从而确定微小陨石碰撞其表面的等级。
卡西尼号探测器捕捉金星从土星环中穿过
金星表面

金星表面

美国宇航局的“卡西尼”号飞船以前公布了这张壮观的土星图片,这是它从土星的阴影处飞过时拍摄的。相机面向土星和太阳的方向,因此这颗行星以及它的环是背光的
这是经常被称之为“地球的孪生兄弟”的那颗行星的独特肖像照。美国宇航局的“卡西尼”号飞船捕捉到的这张令人惊叹的金星图片显示,它正从土星环里穿过。
距离土星非常遥远意味着金星在图片中看起来只是一个白点,它位于图片的右上方。尽管金星拥有的由二氧化碳组成的大气温度高达近900华氏度(500摄氏度),地表压强是地球的100倍,但是它被认为是我们绿色家园的孪生兄弟,这是因为它们的大小、质量、岩石成分和轨道都相差无几。与水星、地球和火星一样,金星是太阳系里围绕太阳相对较近的轨道运行的一颗岩质“陆地”行星。它被一层厚厚的硫磺酸云团包裹住,因此显得很明亮。
美国宇航局表示,这个视角是从土星环下方大约17度角向土星环昏暗的一侧看。该图是
土卫五表面

土卫五表面

在2012年11月10日用“卡西尼”号飞船上的广角相机从可见光范围拍摄的。该局称:“图中明亮的弧线是土星的一部分。从图上可以看到土星背后的一部分环的轮廓,土星正面被土星环散射的阳光稍微照亮。
“卡西尼号”在土卫六发现微型“尼罗河
美国航天局“卡西尼”项目的科学家发现,地球之外似乎存在着一条与尼罗河相似但要小很多的河流:这条河位于土星的卫星土卫六上,从“源头”通向一片巨大的海洋,长度超过400公里。这是首次有如此高清的图像显示地球之外存在这样庞大的“水系”。
科学家推断这条位于土卫六北极地区的河流充斥着液态烃,因为在高清的雷达图像中,整条河流都呈暗色,说明表面很平坦。

拍地球

担负拍照重任的是“卡西尼”号土星探测器和“信使”号水星探测器。美国航天局18日发表声明说,这两个探测器正在调整状态,将于2008年19日和20日将镜头对准地球。美国航天局还专门在其官网上建立了一个“向土星挥手”专题,呼吁人们走出家门,迎接这一难得的“星际照相”机会。
“卡西尼”号给地球照相的时间是美国东部时间19日5时27分至5时42分(北京时间17时27分至17时42分),持续15分钟。届时,土星将遮挡住太阳刺眼的光芒,为“卡西尼”给地球照相提供了绝佳机会。当然,如果你届时没有做好拍照的姿势也没有关系,因为拍照时“卡西尼”距地球14.4亿公里,地球最终在照片上也只会是一个小点。

未来

2016年11月起,“卡西尼”号将开始一系列变轨机动,进一步靠近土星。这些机动将从F环(最外侧的土星主环)外开始。2017年4月,与“泰坦”的最后一次亲密接触将把“卡西尼”号飞船送上在土星最内侧星环飞越土星的轨道。经过22次近距离飞越,与远处“泰坦”最后一次接触受到的重力摄动将让“卡西尼”号进一步靠近土星。2017年9月15日,在进入土星大气层后,这颗探测器将坠落土星地面,最后被压力和高温蒸发殆尽,完全投入土星的怀抱。
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