卡西尼号 （多国合作的土星系探测器）

简介

卡西尼号空重2125千克，对接上惠更斯号探测器并加注满推进剂后重5712千克，高6.8米，宽4米，安装有磁强计的支架展开后长13米；探测器底部安装有两台445牛推力主发动机和16台小型姿控发动机；卡西尼号上共搭载了12台各种科学仪器，惠更斯号上另搭载了6台仪器，满足各类科学探测需求；探测器和搭载的科学仪器由三枚核电池（放射性同位素热电发电机, radioisotope thermoelectric generator, RTG）提供电能，以便在土星系微弱的太阳光照下维持工作。

卡西尼号于1997年10月15日发射升空。此后两次飞越金星，一次飞越地球，一次飞越木星，最终在2004年6月30日成功进入土星轨道，成为第一颗围绕土星飞行的人造航天器。在此后两次获批延长、共持续13年的三个任务阶段中，卡西尼号探测器对土星系开展了详尽探测，获得了土星大气、磁场的数据，发现了6颗新的土星卫星，揭示了土星卫星的大气、地形、结构等信息与土星环的详细结构和构成，获得了包含总共453048张图像在内总计635GB的科学数据。

2017年9月15日，为了防止耗尽推进剂的探测器失控坠落在土星卫星上造成微生物污染，卡西尼号在指令控制下坠入木星大气烧毁。

“近20年间，“卡西尼”探测任务大幅刷新了人类对土星、环境和生命的认识。”美国航天局前副局长托马斯·楚比兴（Thomas Zurbuchen）如此评价卡西尼号探测器的历史意义。

项目背景

在先驱者十一号、旅行者一号和二号分别于1979年、1980年和1981年先后飞越并探测了土星系，并成功获得了大量高价值的科学数据后，许多科学家认定土星是一个适合进行专门探测的高价值目标，其多样的卫星、巨大的土星环，乃至土星本身的结构、组成和磁场，都有可能深入揭示各行星乃至太阳系的起源和演化。

1982年，欧洲科学基金会和美国国家科学院的联合科学小组中，欧洲科学家戈蒂耶(D. Gautier)和依普(W. Ip)提出了土星环绕探测器加土卫六着陆探测器的组合，并建议由NASA和ESA合作完成这一任务；1983年，所属于NASA的太阳系探索委员会（Solar System Exploration Committee, SSEC）向NASA提出，NASA的土卫六探测器项目中应当包含一个土星环绕探测器；1984-1985年，NASA和ESA正式就这一任务概念进行了研讨；1986年，ESA的科学项目委员会批准对任务进行预研；1988年，NASA完成了对卡西尼号探测器任务的预研验证，任务初步获得通过；同年，ESA正式向NASA表示有意愿参与这一任务计划；1989年，美国国会通过了卡西尼号任务的预算案，ESA选择了参与合作，并将负责研发的探测器命名为“惠更斯号”；1992年至1995年间，卡西尼号任务受到了众议院的干涉，任务预算被削减，任务安排和探测器的设计和建造不得不进行了相应的修改；1997年，卡西尼号完成组装，正式定型，同年10月成功发射。

命名来源

卡西尼号的命名是为了纪念意大利数学家、天文学家、工程师乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini，1625-1712）。乔瓦尼·卡西尼发现了木星卫星中的四颗：土卫八（Lapetus）、土卫五（Rhea）、土卫三（Tethys）和土卫四（Dione），揭示了将土星环分割成两部分的“卡西尼环缝（Cassini Division）”，并正确预言了造成土卫八明暗变动的原因：土卫八的一侧半球上覆盖有深色的物质。

惠更斯号探测器以荷兰数学家、物理学家、工程师、天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）命名，以纪念他首先发现了土卫六。惠更斯也是第一个提出土星变化的星相是由于其具有一个“薄而平，与土星本身不接触，且与黄道面有倾角的环带”理论的人。

研发过程

卡西尼号探测器本体由NASA的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）负责研制，在初期设计中，JPL计划设计研制一款能够通用于各种深空探测任务的探测器来接续水手计划中的水手一号和二号，并批量生产，以均摊、降低研制开销，这款通用型探测器被命名为“水手2型（Mariner Mark 2）”，水手2型将会采用核电池、拥有高数据传输速率、搭载顶尖水平的科学仪器平台、安装具备任务中重新编程功能的先进飞行控制计算机和高度可靠的冗余系统，具备执行为期十年以上的长期任务的能力。

但是由于国会拒绝批准预算，并为卡西尼号制定了16亿美元的预算帽，JPL被迫取消了水手2型的研制，卡西尼号不得不采取更为特化的设计；可动的科学仪器扫描平台被从设计中移除，木星飞越前的部分科学任务也被取消以满足预算帽限制，发射时间也从原计划的1995年11月25日被延后至1997年10月以降低年均预算量。

卡西尼号同期的很多探测计划被当时的布什政府以节省联邦预算为由取消，卡西尼号本身也因为使用了含有剧毒放射性元素钚239的核电池而遭到公众抗议，但是由于其美欧合作项目的性质，顾及到ESA在同意参与计划时期表现出的对美国主导国际航天科学项目的不平衡倾向的不满，卡西尼号得以从1995年众议院拨款委员会关于取消任务计划的动议下幸存。

1996年年初，卡西尼号的子系统已基本完成，开始在JPL的航天器组装设施（Spacecraft Assembly Facility）的超净车间内进行组装，姿态与指向控制子系统（Attitude and Articulation Control Subsystem，AACS）、指令与数据子系统（Command and Data Subsystem，CDS）和供能与火工子系统（Power and Pyro Subsystems）被首先整合到一起。同年2月，计划中的各种科学仪器开始被陆续安装到飞行器主体上。3月，惠更斯号的组装在德国开始，同期，卡西尼号开始进行各项测试。7月，由洛克希德马丁公司完成可靠性与泄露验证的推进模块子系统（Propulsion Module Subsystem，PMS）被运至JPL。9月25日，卡西尼号的主要部件完成组装整合。10月11日，惠更斯号也完成组装。随后，负责团队卡西尼号和惠更斯号进行了大量测试和试验工作，以确定其在发射时严苛的噪声、振动环境和过载下不会损坏，以及在极端的空间环境中能够正常工作。1997年4月21日，卡西尼号搭载在美国空军C-17运输机上运抵肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center），并完成了最后的高增益天线、PMS的安装和惠更斯号的对接，随后进行了最后的验证测试和检查。

发射升空

卡西尼的发射窗口从1997年10月6日开启，持续到当月月末，但是由于惠更斯号的隔热材料在运输时被意外损坏，发射日期被推迟到不早于10月13日。13日当日，由于高空横风风速过快，不满足发射安全发射条件，发射被再次推迟到10月15日。

1997年10月15日，美国东部夏令时（EDT）上午4时43分，卡西尼号搭载在泰坦4B/半人马座火箭上发射升空。

任务与成果

任务目标

从卡西尼-惠更斯号探测器任务的提出和预研阶段开始，NASA和ESA就根据当时的技术水平和科学界对土星系的了解状况制定了大致的任务目标；随着探测器定型和颜值工作的开展，围绕着具体的探测对象，这些目标被明确下来，并成为了实际任务中有科学观测机遇时如何安排任务的参考。

土卫六任务目标

• 确定大气成分，包括惰性气体和主要元素成分的同位素构成比例；揭示土卫六及其大气层的形成和演化过程

• 观测痕量气体的垂直和水平分布情况；寻找复杂有机物分子的迹象；调查支持土卫六大气化学反应的能量来源；建立平流层中光化学反应的模型；研究大气中气凝胶的成分和形成

• 测量土卫六全球的风速和温度；调查云层运动、大气循环和季节循环对土卫六大气层的影响；寻找大气放电现象

• 判明土卫六表面的物质状态、地形和物质组成状况，以此推断土卫六的内部结构

• 调查土卫六高层大气的电离现象，以及其在土星磁层中不断注入带电粒子和中性物质的现象

磁层任务目标

• 判明土星几乎轴对称的磁场的构成，以及其和土星千米波辐射（Saturn Kilometric Radiation (SKR)）的关系

• 判明磁层中带电粒子的电流系统、组成、来源和去向

• 调查向阳面磁层的动力学特征和波-粒子相互作用现象；调查磁尾及其与太阳风、土卫星和土星环带的相互作用

• 调查土卫六与太阳风和磁层等离子体的相互作用

• 调查土卫六的大气层和外逸层（exosphere）与周边等离子体的相互作用

冰卫星任务目标

• 判明土星诸冰卫星的大致特征和地质历史

• 判明内外因素对冰卫星壳层和地表形貌的影响

• 调查冰卫星表面物质的成分构成，尤其是深色、可能富含有机物的物质和凝结积累的低熔点易挥发物质

• 建立关于冰卫星构成成分和内部结构的大致模型

• 调查冰卫星和磁层、土星环系统的相互作用，以及确定冰卫星是否有向磁层中释放气态物质

土星环任务目标

• 研究土星环的结构，和对结构的形成有影响的各种动态过程

• 测量土星环中物质的构成和尺寸分布

• 调查土星环和土卫的相互关系，包括镶嵌在土星环中的土卫

• 判明土星环周围尘埃颗粒和微星体的分布情况

• 研究土星环与土星磁层、电离层和大气层的相互作用

土星任务目标

• 判明土星大气层的温度场、构成和云层性质

• 测量土星全球风场，包括波纹和漩涡结构；观测云层的天气学特征和过程

• 推断深层大气的结构和旋转

• 研究土星电离层的日夜变化和其对磁层的影响

• 根据对气体构成、同位素比例、热流密度等特征的观测，为推断土星的形成和演化情况提供线索

• 调查土星放电现象（Saturn Electrostatic Discharges (SED)）的来源和形态学特征

重要节点与成果

金星飞越

1998年4月26日，卡西尼号完成了计划中的第一次金星飞越，飞越过程中与金星表面最近距离仅284千米。飞越金星的目的是获得引力弹弓辅助，此次金星飞越为卡西尼号提供了共7千米/秒的加速。

1999年6月24日，卡西尼号完成第二次金星飞越，与金星表面最近距离600千米，飞越过程中卡西尼号上的科学仪器对金星进行了观测。

在卡西尼号进入金星背后的遮掩区的过渡阶段，其向地球发射的无线电信号切向穿过金星的大气层，通过检测此时无线电信号的变化，科学家们得以分析金星大气的成分；此外，在距离金星最近的几个小时里，卡西尼号搭载的无线电于等离子体谱仪对金星大气进行了近距离观测，发现金星大气中极少发生闪电现象。

地球飞越

1999年8月17日，卡西尼号飞越地球，与地表最近距离1171千米，获得了5.5千米/秒的引力弹弓辅助加速。

在飞越过程中，卡西尼号对磁强计、成像设备和雷达进行了测试和标定，并通过等离子体谱仪对地球磁层中的电子密度进行了高精度测量。

小行星探测

2000年1月23日，卡西尼号飞越了2685号小行星马苏尔斯基（Masursky），并对其进行了成像；根据成像结果推断，马苏尔斯基的直径在15千米到20千米之间。

木星飞越

2000年12月30日，卡西尼号飞越木星，与木星最近距离970万千米。在靠近、飞越和离开木星系的六个月中对木星开展了科学探测工作。

卡西尼号对木星的探测包括测量了母星磁层的结构的性质、详细观测了木星大气结构和动态、与伽利略号探测器配合对稀疏的木星环进行了观测以获得关于木星环起源的线索、观测了木星的卫星。

进入土星轨道

2004年6月30日，卡西尼号进入环绕土星轨道，成为第一个环绕土星的人造飞行器。

首次飞越土卫六

2004年10月24日，卡西尼号首次近距离飞越土卫六，距土卫六表面最近距离1200千米，随后传回了飞跃过程中采集的科学数据和图像。

释放惠更斯号

2004年12月23日，惠更斯号探测器与卡西尼号成功分离，开始为期三周的自主航行，为着陆土卫六进行准备。

登陆土卫六

2005年1月14日11时30分UTC（协调世界时，Universal Time Coordinated），惠更斯号探测器成功在土卫六表面着陆，下降着陆共耗时27分钟，着陆后惠更斯号成功正常工作了72分钟，经卡西尼号中继，传回了在土卫六表面采集的图像和科学数据。

近距飞越土卫二

2005年7月14日，卡西尼号对土卫二（Enceladus）进行了最近距离175千米的飞越，首次拍摄并传回了了土卫二的近距离照片。

第一次任务延长

2008年5月31日，卡西尼号原定的主要任务完成。NASA获批将任务延长至2010年，这一阶段的延长任务被称为“卡西尼春分点任务（Cassini Equinox Mission）”，因为在这一任务阶段中土星北半球正值春分点。

第二次任务延长

2010年9月，卡西尼号春分点任务结束，NASA获批再次延长任务至2017年，第二次延长阶段的任务被命名为“卡西尼夏至点任务（Cassini Solstice Mission）”，因为这一任务阶段持续到2017年土星北半球夏至时期。

意外故障

2010年11月2日，一次高能射线导致的内存位翻转使得卡西尼号指令与数据子系统（CDS）的主控程序中出现了不可屏蔽中断错误（non-maskable interrupt，NMI），进而使得CDS进入保护模式，将全部非必要仪器和子系统关机并对天线进行了重新定向；次日，地面的控制团队成功恢复了对卡西尼号的控制，并重新打开了被紧急关闭的各子系统，随后控制团队确认卡西尼号恢复正常运行。

“终场演奏”

2017年9月15日，完成任务的卡西尼号在既定指令控制下，坠入土星大气烧毁，结束了总计近20年的任务。这一安排是为了避免卡西尼号耗尽推进剂或者失去地面控制后意外坠落在土星卫星上，由于探测器上可能留存有靠休眠在太空环境中幸存的地球微生物，如果意外坠落在土卫二、土卫六这样具有潜在的微生物生命的卫星上，将会造成污染，破坏未来科学探测任务的可能成果。

探测成果

在跨越半个土星公转周期、总计接近二十年的任务历程中，卡西尼号在土星系内进行了127次土卫六飞越，结合惠更斯号的短暂的着陆探测，详细地揭示了土卫六的地形地貌，发现了土卫六上由液态甲烷形成的江河湖海和大气循环，获得了土卫六地表的高清成像，并从土卫六上探测到了与生命的起源具有关系的复杂有机物质；进行了23次土卫二飞越，发现了土卫二具有稀薄大气层的迹象，观察到了土卫二南极的水冰喷发，并确定了土卫二释放的水冰物质是土星E环带的形成原因，通过穿越土卫二的水冰喷发羽流，使用质谱仪检测了喷发物的成分，综合这些探测数据，推断出土卫二的冰层地表之下有活跃的液态水海洋，具有产生原始生命的可能条件；对于土星环，卡西尼号详细测绘了其结构，帮助科学家对土星环各环带进行了详细划分，并发现了过往的天文观测中没有发现的新环带，揭示了环带的起源和演化，以及其中反映出的太阳系早期演化的规律；除此之外，卡西尼号还以前所未有的清晰度传回了对土星本身的成像和观测，记录到了土星大气中的季节性风暴和颜色转变等现象，包括土星奇异的正六边形北极气旋和2012年发生的“大白斑”风暴等。

技术特点

总体布局

卡西尼号探测器全高6.8米，宽4米，有一条13米长的桁架向外支出，用于安装磁强计，另有三根Y形布局、各10米长的天线杆从探测器主体上向外伸出，发射过程中桁架和天线杆处于折叠状态，入轨后再陆续展开。探测器表面覆盖有多层具有金属镀膜的聚酰亚胺保温薄膜，用以在太空的极端环境中保持探测器关键系统的温度正常，同时也对微流星体的撞击起到一定的保护作用。探测器顶端是碟形的高增益天线，同时也充当雷达作为科学仪器之一。探测器底部是包含主发动机的推进子系统，用以提供探测器变轨、修正轨道所需的推力。天线与主发动机间有上层和下层两个设备段，容纳部分科学仪器和其他探测器的重要子系统。探测器外部有一个搭载遥感设备的托盘和一个场与粒子探测仪器托盘，使用其上的科学仪器时探测器需要调整整体姿态以对准探测目标。三枚核电池在卡西尼号尾段周向布置。惠更斯探测器在卡西尼号中段一侧对接搭载，防热护盾朝外。

工程子系统

卡西尼号探测器包含12个工程子系统，负责控制信号传输、电力供应、数据计算、遥测与通信、导航和推进等功能。

任务载荷

卡西尼探测器总共搭载了12台科学仪器，大部分位于两个仪器托盘上，其余的安置在探测器上互相独立的位置。

核电池

由通用电力公司（General Electric）负责生产的三枚多用途热源-放射性同位素热电发电机（General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator, GPHS-RTG）为卡西尼号提供电力。土星距离太阳14.2亿千米，而太阳光强度对距离成二次方关系衰减，如果用太阳能电池板取代核电池为卡西尼号供电，将需要面积相当于两个网球场大小的电池板，使得探测器变得笨重、难以机动，阻碍探测器携带的科学仪器进行观测，并造成显著的电磁和静电干扰。

每枚GPHS-RTG中包含18个相互独立的热源模块，每个模块包含4个核燃料颗粒，核燃料颗粒的核心是被封入铱合金壳的耐高温二氧化钚陶瓷，其所含的83.5%浓缩的钚238发生的alpha衰变产生热量，外面包覆有高强度石墨耐撞击壳体，其外再包覆碳碳复合材料隔离层和细编穿刺织物层构成的外壳，以保证探测器在遭遇意外再入和地面撞击时，燃料颗粒中的钚燃料绝对不会泄漏到环境中。

在热源模块外是温差电堆（thermopile），每组温差电堆由572个硅锗-硅钼半导体热电偶、隔热材料和结构框架组成；温差电堆在1273卡尔文的热端温度和566卡尔文的冷端温度下工作，将热源模块产生的热量通过热电效应直接转化成电能。在于1997年发射升空时，卡西尼的三枚核电池总共能产生887瓦的电能，随着燃料颗粒中钚238的不断衰变消耗，核电池的输出功率会不断下降，在2017年任务结束时，三枚核电池的总输出功率为640瓦左右，仍能满足探测器上各子系统的能耗需求。

惠更斯号

作为卡西尼-惠更斯号探测器的另一半组成部分，惠更斯号探测器包括着陆探测器本体和与卡西尼号连接的支撑装置，总计重达320千克；惠更斯号负责穿透土卫六厚重的大气层并安全着陆，分析着陆点的环境数据并通过卡西尼号中继传回地球。

历史意义

“卡西尼号的探测成果革命性地改变了人类对土星、其复杂的环带结构、多样的卫星和动态的磁层的理解。作为史上最远的行星环绕航天器，卡西尼号从到达土星系的那一刻开始，直到任务结束，无时不刻不在产生令人惊叹的新发现：土卫二喷入太空的水冰射流、土卫六上液态碳氢化合物的湖泊与海洋与其中蕴含的复杂有机物质、土星环上高耸壮观的三维结构，和在土星大气中肆虐了一整年的超级风暴。这些发现不仅改变了人类对土星的认识，也改变了人类对太阳系的起源和演化的基本认知和理论。卡西尼号留给了我们一份丰富的科学和工程学遗产。”（NASA 喷气推进实验室）

注释

以卡西尼团队选择，按卡西尼主控基地所在地加利福尼亚本地时间计算