飞往土星
“卡西尼”号用了七年时间飞达土星轨道，也就是在2004年，它飞抵土星，进入环绕土星运行的轨道。其时，它放出了一个名叫“惠更斯”的探测器，飞往土卫六。
卡西尼号土星探测器
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名称简介
携带仪器
热点问题
不登陆土星
问：我注意到，“卡西尼”号探测器的计划只是绕土星飞行，它为什么不登陆土星。
答：因为土星本身是一个“气球”。它的大气层厚达几万公里，内核很小。既然表面没有陆地，飞船也就无法登陆了。即使飞抵土星，飞船也可能被它巨大的气压所挤扁。
虽然这次不会深入土星大气，飞船携带的“惠更斯”号探测器将登陆土星最大的卫星——土卫六。土卫六与40亿年前冰天雪地的地球有些相似，希望它能带给我们惊喜。
人类能否到达土星
问：人类已经登上月球，并计划进军火星。那我们人类有可能到达土星吗？
答：人类到土星上去是不可能的，也没有这个必要，因为土星不是固体星球。当然，派遣宇航员前往土星环绕它飞行和观测的计划是可能的，也迟早会实现，只是还面临许多不能解决的问题：
第一，飞行时间太长，宇航员的日常生活怎么办？
第二，如前文所说，飞船无法在土星上着陆。
第三，“卡西尼”号探测器买的是一张“单程车票”，再也无法回到地球，而对于宇航员来说，安全返回是第一位的。
探测任务
简介
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。
围绕土星运行
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”号探测器计划于2004年12月24日脱离“卡西尼”号，飞往土卫六。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。探索结果将通过“卡西尼”号，传回给地球上的科学家。如果“惠更斯”能按计划成功着陆，它将是首个在月球以外的一颗天然卫星上登陆的人造探测器。
土卫六富含氮
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。
发现土星光环
简介
“卡西尼-惠更斯”号土星探测器上实现了环绕土星运行轨道飞行的计划，并发回了一组关于土卫六“泰坦”号的最新、最清晰的照片。科学家们为此感到既兴奋，又迷惑。
土星的光环和土卫六“泰坦”号成了科学家们最为关注的两个热门话题，并且，他们还发现了也许能帮助其发现土星光环产生及将来消亡的一些新线索。关于土星的最新发现 使科学家们产生了更多冲动：指使“卡西尼-惠更斯”号探测器再次接近土星。第二次接近土星的行动也许会在2012年12月底左右展开，那时候，来自欧洲的“惠更斯”号探测器将耗时2个半小时，穿越土卫六“泰坦”号的大气层，降落在土卫六的表面。
尽管没有发现土卫六有水的证据，但“卡西尼-惠更斯”号的最新发现已经让行星科学家们大开眼界了。负责“惠更斯”号探测器登陆土卫六表面项目的计划管理人员马克-李斯说：“在仅仅一个周末的时间内，我们改变了过去的看法，推翻了从地基观测站和哈勃天文望远镜所观测到的一些数据资料。”
研究土卫六构造
利用装有特殊滤光器的光学照相机，科学家们探测到了被厚厚云雾遮盖着的大片或明或暗的土卫六表面。很明显，这些明暗不同的地方是土卫六地表崎岖不平的一个证据。科学家们从“卡西尼”号发回的照片中，发现了至少一个圆形的图案，这也许是土卫六遭受太空不明来客撞
击所留下的一个大坑。除了圆形轮廓，照片上还有一些布满宽线条的图案。
美国科罗拉多州布尔德太空科学协会研究员、“卡西尼”号探测器图片小组组长卡洛林-鲍科认为，土卫六照片上的线条图案的东西，可能是研究“泰坦”号基本构造及其基本特征的最初资料。鲍科指出，太阳系里其它体积较大的月亮照片也有线条状图案，但“泰坦”号所具有的线条状图案非常独特。
研究人员警告说，从20多万英里的地方观察“泰坦”号，人们不可能将其表面的山脉、海洋或湖泊等地形特征分辨得十分清楚。“泰坦”号表面究竟是什么样的地形，还有待人类探测器更近距离的观测。不过，美国亚利桑那大学“卡西尼”号探测器光学成像小组行星科学家伊丽莎白-特托尔认为，既然没有从“泰坦”号上发现大量环形印痕，这表明“泰坦”号的地质活动十分活跃。
不一样的云层
科学家们发现，除了一片特别炫目的云外，“泰坦”号的天空几乎没有一丝云的痕迹。这片特别炫目的云面积跟美国的亚利桑那州大小差不多，位于“泰坦”号的南极，在土星的夏季，这里一天都可以得到光线的照射。这块罕见的云需要四五个小时才能形成，类似于地球上夏季出现的堆积云。但“泰坦”号上的云层主要由甲烷组成，而不是主要水组成。
“卡西尼”号探测器还通过分光计拍到了“泰坦”号的一些照片，分光计的波长从可见到红外线光不等。照片显示，土卫六表面到处分布着冰块和碳氢化合物。令科学家们感到奇怪的是，土卫六上发出碳氢化合物信号的地方，能够以某一波长向其它有冰块的地方“发报”。
稍早时候，研究人员对环绕土星的光环竟然如此美丽感到大为惊奇。鲍科博士表示，即便自己事先就有心理准备，但还是没想到土星的光环有那么漂亮，而且那么清晰，“实在令人震惊”。
科学家们还发现，位于土星光环之间的“卡西尼缝”充满了灰尘，这是迄今所发现的土星的最外层光环。就是这层光环，每秒可引发680次土星物质间的碰撞，也就是说，每秒可给土星留下10万个左右的大小土坑。
土星巨大氧气流
在“卡西尼”号探测器这次靠近土星的时候，科学家们发现土星的光环突然向外喷射出一股巨大的氧气流。这股氧气流来自何方，命归何处，科学家们觉得这是个新的谜团，需要今后逐步找到答案。负责收集“卡西尼”号探测器发回数据的科学小组成员唐纳德-谢曼斯基懊悔不已地说：“如果这是(土星上所发生的)一件大事，我们就错过了。”
谢曼斯基推测认为，这股巨大的氧气流也可能是土星光环中的两个三四英里长的物体发生碰撞后产生的。
另外一个问题：土星光环有多大年纪？各方对这一问题肯定会有不同的见解。据粗略计算显示，如果土星光环所具有的质量按照一定的比例逐渐消失，同时没有其它物质对其进行补充，象E环这样的土星光环将在未来1亿年内彻底消亡。
飞向土星行程
简介
地球距土星只有12.5亿公里，但飞往土星的 “卡西尼”号却走出了32亿公里的路程，这是什么原因？它为什么要首先两次掠过金星，而后又掠过地球和木星，最后才踏上前去土星的行程？
1997年10月15日，随着一声轰天巨响，20世纪最大、最复杂的行星探测器“卡西尼”号飞船携带探测器“惠更斯”由大力神4B运载火箭从美国肯尼迪航天中心发射成功，从此踏上耗时7年长达35亿千米的土星之旅。“卡西尼”飞船上载有12台科学探测仪器，子探测器“惠更斯”携带有6台科学仪器，它的主要任务是，对土星、土星光环及土星的卫星，尤其是其中的土卫6进行空间探测。
经过了将近7年孤独寂寞的长途奔波后，“卡西尼”号终于在2004年7月1日顺利进入土星轨道，成为首个绕土星飞行的人造飞船。此后，“卡西尼”号将对土星的大气、光环及其卫星进行为期4年的科学研究。
巨大的飞船加上漫长的旅程，使“卡西尼”号这7年的行程显得极为不平凡，它耗尽了科学家的智慧和心血：发射时间需要精心挑选、飞行路线需要认真计算、每一次轨道变化都要分毫不差、进入土星轨道的时间要恰到好处……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。因为，太空旅行并没有我们想象的那么简单，从一颗行星到另一颗行星需要考虑太阳和各行星的引力场、以及各行星运动状态等诸多因素。
从地球到其他行星
从地球到其他行星，我们首先就要计算这之间的距离。然而由于运行步伐不一致，地球与其它行星的距离总处于变化之中，我们怎么计算它们的平均距离呢？我们知道，太阳系中的九大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行，朝同一方向绕太阳公转。这样，计算每颗行星轨道距离的平均值，就是行星之间的平均距离了，按此计算，地球与土星之间的平均距离为12.5亿千米，地球与金星之间的平均距离为4150万千米。地球与火星之间的平均距离为7860万千米。
天文学家们把太阳系内的九大行星分为两大类：以地球为基点，一类为地内行星，一类为地外行星。顾名思义，地内行星就是运行轨道在地球以内的行星，包括水星和金星；地外行星是轨道在地球以外的行星，包括火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。虽然太阳系内所有行星都按相同方向绕太阳公转，但周期却不相同。在行星轨道上，地内行星比地球速度快、而且轨道短，所以它们是在持续地追赶并超过地球；相反，地外行星比地球速度慢、而且轨道长，所以它们总是被地球赶超过去。例如绕太阳公转一周，水星只要88天，金星要225天，地球要花费1年的时间，而土星却要花费29.5年，每隔378天，地球就能赶上土星一次。
掌握了行星的运行规律，我们就能利用这个规律前往各大行星旅行了。但是别急，还有一些问题需要认真考虑，例如太阳有强大的引力场，各大行星也有自己的引力场，这些引力场对探测器的飞行都有极大的影响，是我们发射探测器时都要认真考虑的因素。
首先，探测器从地球发射后，必须达到11.2公里/秒的第二宇宙速度以上，才能冲破地球引力的束缚，进入太阳系的行星际空间，而在这里它又受到强大的太阳引力场的影响。
毫无疑问，在我们的太阳系中，太阳的引力场是最为巨大的，太阳系所有的行星都被太阳吸引着在远近不同的轨道上运转。按照爱因斯坦的时空弯曲理论，我们可以把太阳的引力场比作一个圆形大盆地，太阳位于盆地的底部，地球位于中间，下头有水星、金星，上面有火星、木星和土星等。从到水星、金星，走的是下坡路，比较省劲；从地球到火星、木星和土星、要爬坡，比较费力。这样，从地球出发的探测器向火星等外行星进发是爬坡，需要一定的加速，发射火星探测器就要顺着地球公转的方向；反之，探测器向水星、金星等内行星进发是下坡，需要一定的减速，无法进入相应发射水星、金星探测器就要逆着地球公转的方向，否则速度太快，不是就跑过头了，就是一头扎进行星怀抱，坠落焚毁。
接下来，一个离开地球轨道的探测器进入另一个行星轨道时，很可能被这颗行星俘获，那么在接近该行星时给探测器一个适当的力，就可以使它被该行星捕获而改变轨道转而绕行星飞行。这就像火车换轨一样，探测器这时就是从一个轨道换到另一个轨道。但由于各大星体都是在不断地运动着，因而从地球通向众行星的道路，就不像地球上火车轨道那样简单直观。
利用引力跳板
掌握了各大行星的公转规律、以及太阳和各大行星引力场的秘密，我们真的可以开始发射探测器了。
由于从地球飞往行星的路途遥远，火箭不能带更多的燃料，必须尽可能节约燃料，选择一条飞往行星的捷径。1925年奥地利科学家霍曼首先提出飞向行星的最佳轨道只有一条，就是与地球轨道及目标星轨道同时相切的双切式椭圆轨道，这条椭圆轨道与两条公转轨道相切时倾角相同。这条最佳轨道叫霍曼转移轨道。它利用地球和行星的公转运动，使探测器仅在初始阶段得到必要的速度，然后大部分时间是惯性飞行，这就节省了燃料，只是飞行的时间较长。
如果被探测的天体离地球较远，为了节省发射能量，通常先用较小的速度飞行，然后在航行过程中借助行星的引力来加速或改变探测器飞行方向，从而最终飞向目标。这种借助行星引力支援的飞行，通常称为“引力助推”。这就是说，在星际航行中可以利用行星的引力作用改变探测器的运动速度和方向，从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速，从而继续行程。这就像蛙跳一样，不断从一颗行星跳向另一颗行星，因此引力助推又被形象地形容为“引力跳板”。
从地球到土星的情况正是如此，地球与土星之间即使最短距离也有12亿千米，从地球要穿越火星轨道、小行星带、木星轨道才能到达土星，而且是逆着太阳引力场的方向飞行，所需的能量更大。
“卡西尼”号探测器长6.6米，宽3.9米，总重将近6吨，相当于三只成年大象的体重，在路途遥远并且逆太阳引力场飞行的情况下，即使用目前推力最大的“大力神4B”火箭也无法把这个庞然大物直接送达土星，连送达木星都不可能！因此它只能通过多次借力飞行，利用金星、木星等的引力来完成这次“长征”。
引力助推作用
那么，“引力助推”是如何起作用的呢？
“引力助推”可以帮助探测器在不耗费大量助推剂的情况下，飞往遥远的外行星执行探测任务。当探测器接近行星时，行星好像以一根弹力强大的橡皮筋套住宇宙飞船，拉住它一起快速绕着太阳跑。当探测器以切线飞越行星时，行星像是弹弓一样，将探测器以一定的角度由另一方向甩射出去，达到不费燃料就能加速并急转弯的目的。
为了准确利用借力飞行，科学家事先确定了探测器飞入行星的高度和角度，并进行跟踪、监测和调整，只要确切掌握探测器在任何时刻的位置和速度，就能对它的轨道进行必要的调整，保证探测器不被行星捕获，又能顺利获得加速。
那么探测器是如何借到了那么多速度的呢？或许简化在一个平面上来探讨这个问题更好理解，如果以静止的行星为参照，飞船切入行星轨道前并不受行星引力作用，因此速度是一个定量。当顺势切入行星轨道时，由于受到行星引力作用而加速飞行，当达到行星的逃逸边缘后，行星引力消失，飞船速度大小又回复到飞入行星时的定量。这个过程和我们骑自行车上下一个U坡的情形相似。当我们骑车从坡顶向坡底行进时，由于地球引力作用，速度会越来越快，到坡底时达到最大速度，但是当我们接着从坡底冲上对面的坡面的时候，速度又会逐渐地降下来，等到达对面的坡顶的时候，速度又回来原来的下坡前的速度。但这个时候我们的行进方向却产生了改变，原来我们是向下而行。
如果真是这么简单的过程，那么何来引力加速呢？秘密就在于行星并非真的静止不动，它以巨大的角动量绕太阳转动。如果我们把太阳系的运动看成一个整体，那么在太阳系整体的角动量中，太阳自身的角动量只占2%，其它98%的角动量都被围绕太阳的星体占有，可以想象，行星的角动量是大得惊人的！飞船切入行星轨道后，像行星的其它卫星一样也同时分得了行星的一部分角动量，如图所示，这个角速度分别加在了飞船飞入和飞出行星时的速度里，如果以太阳为参照，飞船最终飞出行星的速度不仅改变了方向，同时也增加了大小。行星损失了极小一部分角动量，对它本身来说微不足道，可是飞船得到的这些角动量对它可是意义非凡，这些能量足以支撑它飞抵下一个加油站，顺利到达目的地。
而且，引力助推技术也能减少飞船的轨道运行动力，比如像“伽利略”号就有过那样的经历。伽利略号曾在木星的最大的卫星爱莪前面作定点飞越，由于是从爱莪卫星前面定点飞越而不是从其后翼，所以情况和前面提到的正好相反。当飞船飞离时，其运行方向也会改变，但速度却降低了，这就如同我们骑车上下一个∩形的坡一样。在分析这个情况时，请大家别忘了，爱莪卫星也不是一个固定不变的点，只是它不是围绕太阳转动，而是围绕木星运行。这样，伽利略号就能利用引力助推降低飞行速度。
怪异的飞行曲线
根据引力助推原理，科学家们为“卡西尼”号设计了一条通往土星的智慧曲线，这条智慧曲线的奇特之处在于：首先是它没有直接向土星飞去，而是先向内跑到了金星上空；其次是它围绕地球绕了好几个圈子，才把目的地对准土星，整个行程达到了35.2亿千米，是地球与土星的实际距离的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，看起来就像田螺背上的螺旋。
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。
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。
回到地球借力
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。
终于来到土星
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。
助推一览表
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
高清图像
进入一条新轨道后，美国宇航局的“卡西尼”号飞船拍摄了一系列高清晰照片，展示土星及其最引人注目的特征——星环的壮观景象。星环是环绕土星的盘状结构，由水冰和尘埃构成。据悉，这是“卡西尼”号飞船两年来首次向地球传回高清晰土星照片。
借助于“卡西尼”号飞船拍摄的高清照片，科学家能够追踪星环内的“迷你卫星”。在环绕土星轨道运行时，“迷你卫星”会在星环内“雕琢”出轨迹。土星是太阳系内的第二大行星。“卡西尼”号飞船上一次捕捉到高清晰的土星环景象已经是两年前的事情。
宇航局“卡西尼”号项目组表示：“‘卡西尼’号之所以能够再次拍摄高清晰土星环照片是因为它改变了绕行土星的角度，从土星赤道面上方和下方穿过。‘卡西尼’号的急倾斜轨道允许科学家捕捉到更清晰的土星两极、大气层及其卫星的景象。借助于“卡西尼”号最近传回的土星环照片，一支科学家小组重新开始对星环内的推进器形间隙进行研究。这些间隙由体积小于已知卫星，同时又超过典型环内颗粒的物体形成。”
土星共有60颗卫星，超过除木星外太阳系内的其他任何行星。土卫六“泰坦”是太阳系内的第二大卫星，拥有大气层，主要由氮气构成。土星上的风暴极为猛烈，赤道地区的风速可达到每小时1000英里（约合每小时1600公里）。
“卡西尼”号于1997年发射升空，2006年起开始环绕土星轨道飞行。“卡西尼”号改变轨道，这也就是为什么能够在两年来首次传回高清晰的土星环照片。美国科罗拉多州玻尔得空间科学研究所的卡罗林·博克表示：“我们正在翻开‘卡西尼’号探索土星系统的一个新篇章。新传回的土星环照片只是一个开始，还会有很多引人注目的东西等待我们去发现。”值得一提的是，土星亮度较高，我们能够在晴朗的夜空用肉眼观察到这颗行星。
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