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卡西尼号将“退休” 耕耘20年终化作太空尘土

2017-05-08 14:37 来源:南方日报

  4月26日,太空探测器卡西尼号第一次穿越土星与土星环之间的空隙,并传回了最新的发现:土星和土星环之间一片“空无”。美国国家航空航天局(NASA)的科学家们对该区域几乎不存在任何尘埃的现象感到“困惑”。

  值得关注的是,这次飞掠将会彻底改变卡西尼号的命运——在此之后,它将完成22次穿越土星与土星环之间空隙的轨道飞行,并且将在9月15日坠入土星大气层,最后一次深入地了解土星内部,可谓“春蚕到死丝方尽”。

  自1997年发射以来,卡西尼号已经离开地球在太空中兢兢业业地奔走整整20年,足迹遍及太阳系。这项由NASA、欧洲航天局、意大利太空署联合开展的探测任务,不但有很多充满遐想的发现,还拍下了很多惊艳的照片。

  ●南方日报驻京记者 王腾腾

  谁是卡西尼号?

  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,开始对木星和木星的四颗大卫星进行科学研究。受到伽利略号成功的鼓舞,美国和欧洲进一步合作,研制了一个飞向土星的太空探测器,并把它命名为卡西尼号——以此来纪念天文学家卡西尼当年发现土星光环的环缝。

  北京时间1997年10月15日,卡西尼号发射升空。它的最终目的地是太阳系的第二大行星土星:一个巨大的气态星球。土星与地球之间的距离,最近时是13亿千米,最远时达16亿千米。如果直线飞行,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,具备这种推力的火箭至今也没有被研发出来。

  因此,为了顺利抵达土星,卡西尼号必须曲线前行。

  借力前行 第一站金星

  卡西尼号要抵达土星,就必须借助无处不在的引力:在宇宙中不断地利用行星的引力弹弓效应前行。所谓引力弹弓效应,就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

  但引力也有相反的作用。当重达6吨的卡西尼号以12.4千米/秒的速度摆脱地球引力向太空飞去,如果它直接朝着太阳系的外围飞去,那么结局很可能就是在太阳的引力作用下,速度越来越慢,最后被太阳引力重新拉回到太阳系内侧,距离土星越来越远。

  因此,卡西尼号不得不先朝着太阳系的内侧飞去,寻求金星的第一次引力助推。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。

  值得注意的是,卡西尼号的发射时间也是经过精心安排——为了让卡西尼号在最佳的时间以最适当的角度与金星会合,从而顺利“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。

  所以卡西尼号发射后,就“南辕北辙”般朝着太阳系的内侧飞去,与金星会合,开启了它怪异的飞行线路。

  四次借力 七年终抵土星

  卡西尼号发射升空时,金星正好在与地球相对位置的太阳另一侧,“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)向金星轨道飞去。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。

  但这个速度还不足以让卡西尼号抵消太阳的引力给它的副作用,它还需要更多的助推。因此,它将第二次掠过金星,获取加速度。这次借力之后,卡西尼号的速度提高至42.3千米/秒,比之前更快了。

  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。由于在离开金星之后,卡西尼号已经呈逆向太阳引力场的姿态飞行,它的速度在太阳的引力效应下越来越慢。在地球助推前速度为35千米/秒,助推后速度为39.1千米/秒。

  2000年12月,卡西尼号在距木星约1000万千米处飞掠。这颗太阳系最大的行星给了卡西尼号最后的一次强有力的助推。

  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。

  卡西尼号的整个行程达到了35.2亿千米,是地球与土星实际距离的2.5倍以上。

  2次加班 飞行20年终要告别

  迄今为止,卡西尼号已经离开地球20年,虽然它有7年的时间都是在路上,而自2004年抵达土星轨道以来,卡西尼号就一直兢兢业业地进行探测,为科学家传送回许多珍贵数据和资料。

  卡西尼号对土星的探测任务,分为四个阶段,分别是主任务、春分任务、夏至任务和压轴收场阶段。

  其中,主任务(2004年7月1日—2008年6月30日)阶段,卡西尼环绕土星75圈,在环绕土星的过程中飞掠土卫六45次,飞掠土卫二3次,还飞掠了土卫九、三、七、四、十三和五。

  2008年4月15日,卡西尼号获得经费支持27个月的延长任务,从2008年7月1日开始。2009年8月,土星迎来了春分,即日光刚好直射土星环的边缘,也因为这个缘故,这次延长任务被称作“春分任务”。这一阶段中,卡西尼号环绕土星飞行60次,过程中26次近距离飞掠土卫六,7次飞掠土卫二,1次飞掠土卫四、五和十二。就像地球上同一个地方树的影子在日出时比正午时更长一样,春分时,日光以微小的倾角照射到土星环上,也能让土星环上小的凸起结构投下更长的影子。这会起到放大信号的作用,从而帮助我们更好地研究土星环结构,这正是春分任务的一个优势。

  2010年2月3日,NASA宣布第二次延期任务,从2010年10月至2017年4月共6.5年。由于1土星年约相当于29.5地球年,从春分到夏至需7地球年多,推算可知这一阶段任务最后会经历土星的夏至,因此这次延长任务被称作夏至任务。在这一阶段中,卡西尼号绕行土星155次,54次近距离飞掠土卫六、11次近距离飞掠土卫二。

  其中,2016年11月30日至2017年4月22日这个阶段被称作“掠过土星环”阶段。之所以被称作“掠过土星环”轨道阶段,是因为卡西尼号将逐渐降低轨道,多次穿掠过土星环的外部边缘,利用所携带离子和中性质量摄谱仪以及宇宙尘埃分析仪。将尝试分析土星环的成分,以及靠近土星环的暗淡气体分子。

  4月之后,经过“掠过土星环”阶段的过渡,卡西尼号将正式进入它的压轴收场阶段:当卡西尼号的燃料低于某个程度,就会陷入失控状态。而为了避免卡西尼号与土卫六和土卫二这些可能有生命线索的卫星相撞,造成生物污染,也为了让卡西尼号继续发挥探测作用,科学家们趁着卡西尼号还受控制时,为卡西尼号设计了最后阶段任务——于2017年9月15日坠入土星大气层,结束其20年兢兢业业的工作生涯。

编辑: 邹长森
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