借力飞行 卡西尼号轨道

土星探测器卡西尼号明日将＂自杀＂是真的吗？

2017年10月15日本该是“卡西尼”号的20周年纪念日，不过，它等不到这一天了。明日（北京时间9月15日傍晚），卡西尼号将执行来自美国国家航空航天局（NASA）的最后一条指令：自我焚毁。 这艘20世纪末的行星际飞船，将点燃推进器，一头扎进土星大气层，与这颗探测了13年的气态行星融为一体。

该任务的代号是：大终章（Grand Finale）。在逐渐燃烧、汽化，融进土星大气层的过程中，卡西尼号的高增益天线会保持对准地球，传输珍贵的数据，直至信号消失。

不过，由于距离遥远，当NASA接受到最后信号时，卡西尼号实际已经消失83分钟了。

为何要自我焚毁？其实，卡西尼号在2008年就达到了设计寿命，如今，迟暮的飞船行将“油尽灯枯”。为了避免失去动力的飞船撞向土星的卫星，破坏后续的探测任务，NASA决定令其“自杀殉道”。其中，土卫二和土卫六具备生命存在的条件，是重点保护对象。

1997年10月15日，卡西尼号从美国的卡纳维拉角发射升空，携带着欧洲空间局的土卫登陆探测器“惠更斯”号。

从地球到土星，卡西尼号飞了7年。它借用引力弹弓效应，先后两次掠经金星（1998年4月和1999年6月）、一次掠经地球（1999年8月）、一次掠经木星（2000年12月），最终抵达土星。

土星距离地球的最近距离约为13亿公里，而卡西尼号采取的这段迂回路线长达35亿公里。不过，这样借力飞行，并未更加耗时，且大大节省了燃料。

北京时间2004年7月1日12时，卡西尼号进入土星轨道。土星的公转周期是地球的29倍，也就是说，终其一生，卡西尼号差不多了陪伴了土星“半年”。此时此刻，土星北半球的冬天正开始消退。

2008年，完成了第一期4年任务后，科学家们给卡西尼号安排了第二期2年任务：观察土星抵达昼夜等分点，阳光照向土星环侧面时，土星和土星环的变化。这之后，卡西尼号的服役期又延长了7年，继续探索土卫二和土卫六。

土卫二（Enceladus）是一颗被冰雪覆盖的“冰月”，冰层下隐藏着流动的海洋。2015年，卡西尼号从冰层裂缝中喷射出来的羽流里检测到二氧化碳和大量氢气。科学家认为，这是冰层下的温软海洋和海底岩层之间的水热反应所致。水热反应可以为深海微生物提供能量。

氢气和二氧化碳可以合成甲烷。科学家们已经发现，地球的深海里存在独特的热泉生态系统。在太阳照不到的地方，甲烷也能养活海底热泉附近的微生物。

“泰坦”（Titan）是希腊神话中的巨人族，冠以泰坦之名的土卫六是土星最大的卫星，也是太阳系中第二大的卫星，仅此于木卫三。土卫六也是太阳系已知的唯一一颗拥有真正大气层的卫星。

科学家们一直想要知道，土卫六稠密的大气层下藏着什么？冰雪、海洋，甚至是生命？卡西尼号并非人类派来的第一个访客。目前已飞到太阳风边缘的“旅行者1号”和“旅行者2号”，都曾是匆匆过客。

2004年10月24日，卡西尼号传回了首批土卫六照片和数据。2004年12月23日，卡西尼号释放惠更斯号。2005年1月14日，惠更斯号成功登陆土卫六。

卡西尼号和惠更斯号一起，揭开了土卫六大气层下的真面目：这是一个在气候和地理上最接近地球的世界，存在关于生命的伏笔。

土卫六的地表温度约为零下179摄氏度，没有水只有冰，却有着“甲烷海”和“甲烷河”，下着“甲烷雨”，天上飘着“甲烷云”。

而这些“甲烷河”流经深深的峡谷，汇入“甲烷海”，冲刷出鹅卵石一般的冰块。

土卫六的赤道地区，充满了贫瘠的沙丘，与纳比米亚和撒哈拉地区的地貌相似，由来自大气层的有机物构成。此外，土卫六上还有疑似有火山的存在。如果那真是火山，那喷射的将不是岩浆，而是泥泞的沸水。

9月11日，卡西尼号在11.9万公里外飞掠土卫六，这是卡西尼号距离土卫六最近的一次，也是最后一次。借助土卫六的引力，卡西尼号直奔土星大气层而去，迎接最终命运。

与土星相伴13年，卡西尼号的主要任务就是拍拍拍。NASA官网上展示着卡西尼号拍摄所有的39万多张照片。

卡西尼号眼中的土星、土星环和土星月亮们是怎样的呢？让我们回顾一下其中的“名人堂”作品。

卡西尼号的怪异航行路线

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。 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 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。 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。 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。

卡西尼号从升空到到达土星轨道,共穿越了哪些行星的轨道?

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。

卡西尼

Giovanni Domenico Cassini

“卡西尼号”的土星之旅

“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

380多年前，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，美国和欧洲进一步合作，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