卡西尼之行

Space Exploration - - 卡西尼号专题 -

公元 1997 年 10 月 15日,协调世界时上午 8 点 43 分,携带着惠更斯着陆器的卡西尼探测器由大力神4B运载火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场第40号工位发射升空。这场推迟多次的发射终于在这一天将卡西尼探测器送上了漫漫征程。

大力神4号运载火箭由两枚大型固体火箭助推器与两级使用液体火箭 发动机为动力的芯级构成。点火后,硕大的USRM固体火箭助推器产生了 151.2 万牛的推力。131秒后,火箭飞到了 58.5 千米的高空,大力神4B运载火箭的芯一级的2 台 LR-87发动机点火。这种以50%的肼混合50%的偏二甲肼作为燃料,以四氧化二氮为氧化剂的燃料配方带有浓郁的洲际弹道导弹的风格。实际上,大力神运载火箭家族与美国的洲际弹道导弹项目有着千丝万缕的联系,而直到如今,所有的大力神运载火箭依然由美国空军来管理。

143秒后,两台固体火箭助推器燃尽分离,此时火箭的飞行高度为68.3 千米。323秒后,大力神运载火箭一二级分离。在第二级点火的时候,火箭飞到了 167.3 千米的高度,早已越过了 100千米的卡门线。

随后,半人马座上面级接力工作,赋予了卡西尼探测器挣脱地球引力束缚的速度。看上去,这是一次比较常规的发射活动。而实际上,这次发射的报价高得令人咋舌:4.22亿美元。用发射一个卡西尼探测器的钱,差不多可以发射7枚猎鹰9号运载火箭了。没办法,卡西尼探测器与惠更斯着陆器的总发射质量达到了惊人的5.712吨,这是美国宇航局和欧空局有史以来发射的最重的深空探测器,更何况要把这么重的探测器送到距离太阳足足有9个天文单位之遥的土星。

为了探索未知,你愿意付出多大的代价?又肯经过怎样漫长的等待?卡西尼探测器或许能够给我们答案。

虽然大力神4B运载火箭与半人马座上面级的组合几乎是1997 年人类能够拿得出手的运载能力最强的航天器了,但是由于卡西尼号探测器实在太重,依然还得需要设计巧妙的轨道来成功实现奔向土星的愿望。

这条轨道,需要6次飞掠太阳系中的自然天体,以便充分借助引力弹弓的效应来节省燃料。

卡西尼探测器分别在1998 年 4月 26 日和 1999 年 6 月 24日两次飞掠金星。这两次飞掠的引力弹弓效应确保了卡西尼探测器能够有足够的动能来穿越小行星带。

1999年8月18日,卡西尼探测器先后飞掠月球和地球。这两次飞掠,可谓惊心动魄。卡西尼探测器到月球的最近距离只有37.7 万千米,已经小于了地球到月球的平均距离。而卡西尼探测器飞掠地球时,到地球的最近距离仅有 1171 千米。这个距离接近于地球直径的1/11。

为什么叫惊心动魄呢?这就得从卡西尼探测器身上带着的神秘能量来源说起了。土星到太阳的平均距离为9个天文单位(也就是地球到太阳距离的9倍)。太阳能帆板接收太阳辐射的能量与电池板到太阳距离的平方成反比。这样来算的话,环绕土星的探测器如果使用太阳能帆板的话,其产生电能的效率将仅仅是环绕地球的 同等规格太阳能帆板的1.23%。而受运载火箭能力的限制(实际上即使运载火箭能力足够,科学家也更倾向于把更多的重量指标分配给用于观测土星及其卫星的各种仪器设备),卡西尼探测器不能带着面积巨大的太阳能帆板。

于是,工程师们打起了核能源的主意。卡西尼探测器上并没有太阳能帆板。整个卡西尼探测器在将近20 年的飞行过程中,几乎所有的电能都来自于3块核电池。这些核电池的核心部件是以二氧化钚形态存在的足足有32.7千克重的钚 -238。钚 -238 在不停地进行放射性衰变,这会产生大量的热,使得钚核心始终处于红热状态。通过热电机效应,这样的热量能够转换为供卡西尼使用的直流电。实际上,依附在卡西尼探测器上面的惠更斯着陆器在奔向土星的漫漫征程中也同样依靠卡西尼身上的这些核电池的电力。只有在分离之后,惠更斯才 会启动自身的化学电池系统,这就是后话了。

也就是说,在1999年的8月18日,太空中有32.7 千克的钚-238以每秒 10千米以上的速度在地球上方1171千米的地方与地球擦肩而过。美国宇航局是做过最坏的打算的。一旦卡西尼探测器这次飞掠的弹道没能计算正确,或者期间出了其他一些意外,这些钚就有可能再入地球稠密大气层。当时地球总人口是50亿人,这些钚 -238如果泄露出来的话,其辐射量换算成罹患癌症的比例,相当于5000人会因此而遭殃。当然,发生这种悲剧的概率经多方计算,被认定为低于百万分之一,而且美国宇航局在飞掠弹道这方面,几乎还没怎么失过手,当年如果把钚-238 的事情公布出来反而会引起不必要的恐慌,因此有关 1999年那次飞掠地球的引力弹弓没有引起大家的广泛注意。如今,卡西尼探测器已经寿终正寝了,此时说起这些倒也无妨了吧。

2000 年 1 月 23日,卡西尼探测器飞掠小行星2685,顺便对该小行星拍了一些照片。

2000 年 12 月 30日,卡西尼探测器飞掠木星。这次飞掠让人类得到了十分难得的仔细观测木星的机会。卡西尼不负众望,借助自身强大的探测设备,在飞掠过程中,对木星拍摄了 2.6万张照片。其中,一些高分辨率照片是当时人类能够获得的有关木星的最为清晰的照片。(3年后,在2003 年 3 月 6 日,这些照片被陆续公布出来。)

2004 年 6 月 11日,卡西尼探测器飞掠土卫九,成为继旅行者2号探测器之后,第二个近距离飞掠这个天体的探测器。

2004 年 7 月 1 日,科学家宣布卡西尼探测器正式进入绕土星的轨道。此时,卡西尼探测器已经在太空中飞行了将近7年。

卡西尼号探测器

▲携带惠更斯着陆器的卡西尼探测器飞越木星光环的概念图

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