卡西尼

卡西尼号（CAssini）是卡西尼—惠更斯号的一个组成部分，卡西尼号于1997年10月15日16时43分在东八区发射升空；卡西尼号探测器以天文学家乔凡尼·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。“卡西尼号”土星探测计划是人类进入空间时代以来的大型国际合作项目之一。2017年9月13日，NASA宣布卡西尼号完成使命，并于9月15日冲进土星大气层，结束它13年的土星探索旅程。

中文名：卡西尼号土星探测器

类型：探测器

探测对象：探测土星

研发国家：美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局

任务：对土星系进行空间探测

发射时间：1997年10月

1、简介

卡西尼号

“卡西尼”号任务是美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局的一个合作项目。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。美国宇航局位于华盛顿的科学任务委员会委托喷气推进实验室管理这项任务。“卡西尼”号及其搭载的两台照相机由喷气推进实验室设计、制造和安装。喷气推进实验室由帕萨迪纳的加州理工学院负责管理。

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。“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—惠更斯”号是截止2011年为止建造的最大飞船，它于1997年10月发射升空，并在完成金星、地球之旅之后，终于于2004年到达土星的轨道。这颗探测器将于2017年结束任务，通过与土星相撞，终结自己的生命，在这之前它会不断传回数据。

2、命名

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。

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。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”。

3、探测任务

使命

卡西尼号

卡西尼探测器的主要使命是：

研究土星光环的三维结构和动力学状态；

研究土星卫星的表面成分和地质史等；

对土星系进行空间探测，探明土星环的成因，有助于彻底解开大行星的光环之谜；

分析研究土卫六地面和大气的化学组成，以此了解地球演变的过程，有可能揭开土卫六上有没有生命的谜团。

任务

卡西尼探测器具体任务是：

就近研究土星31颗卫星中的7个，为其照相、拍光谱，了解它们的构造，探索它们的来源；

探测研究土星的巨大磁场，研究土星自转周期受该磁场的影响；

研究土星表层的白斑是如何形成的，以及它对大气的影响；

拓展人类生命发展史的视野。

拓展

2008年，NASA又批准了3年的拓展任务，在土星及其随从三分之一个环绕太阳的30年轨道周期内，让科学家有了观测土星季节变化的空前机会。

4、发射过程

发射升空

卡西尼号飞行轨迹

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，向去金星借力。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，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，再一次由金星的引力加速。

回到地球借力

卡西尼号拍摄的土星照片

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，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，它才向最终目的地土星飞去。

到达土星

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：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，科学家的计算是非常精准的。

2006年，卡西尼号开始环绕土星轨道飞行。

5、使用情况

卡西尼号任务过程

卡西尼号探测器于2004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。探索结果通过“卡西尼”号，传回给地球上的科学家。

2004年7月1日，美国加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室发布了“卡西尼”号飞船拍摄的土星照片。“卡西尼”号飞船于美国东部时间2004年7月1日零时12分按计划顺利进入土星轨道，成为首个绕土星飞行的人造飞船。

按计划，“卡西尼”号在从2007年开始的4年中围绕土星运行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45次飞经土卫六表面约950公里的上空，并向这颗卫星投下“惠更斯”号探测器。计划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。

2012年7月，美国宇航局的“卡西尼”号飞船拍摄了一系列高清晰照片，展示土星及其星环的壮观景象。这是“卡西尼”号飞船自2010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”。

2014年6月底，卡西尼号成功绕行土星10周年。在这期间，它向地球传回了数千亿字节数据。在2000多名公众的集思广益下，NASA为这个最后任务选出了一个恰当的名字--CAssiniGrandFinale。

卡西尼号土星探测器于2015年4月开启了新的任务模式，在地面控制中心的指令控制下进入新的轨道，由土星赤道上空通过，此举的目的在于让探测器能够对土卫五进行观测。

卡西尼号的最后任务将在2015年下半年开始，它将完成一套复杂的动作。届时，卡西尼号将上升到土星北极上方，并靠近该颗星球的F环。在从原先轨道切换到F环附近的过程中，探测器将收集间歇泉活跃度相关的数据，这样的过程将重复22次。

NASA希望卡西尼号的最后一个任能解开更多关于土星的秘密，其中包括星球内部结构、重力场和磁场。等到任务完成之后，卡西尼号控制中心将可能通过操控探测器的飞行轨道，让其在土星大气燃烧退役。

6、探测发现

探测土星卫星、光环、大气

卡西尼号拍摄到的土星六边形风暴

在临近入轨之前，2004年6月11日，它对土卫九进行了探测，拍摄了这颗卫星极其清晰的照片。土卫九是土星距离最远的一颗卫星，半径110千米，科学家猜想它是被土星俘获的一颗小行星。“卡西尼号”在离开它2000千米处经过，对它的质量和密度进行了测量。

2005年2月17日，“卡西尼号”将在离开土卫二1179千米处经过，而同年3月9日，距离更近到499千米。土卫二半径250千米，表面非常明亮，几乎能反射百分之百的阳光。科学家怀疑它的表面是光滑的冰层，“卡西尼号”将探测它的磁场，以判断它的表层下面是否有含盐分的水存在。

2005年4～9月，“卡西尼号”的轨道从土星赤道面改变到与这一平面成22度夹角，居高临下对土星光环和大气进行测量，进一步探测光环结构、组成光环的物质粒子和土星大气物理特性。

2005年9～11月，“卡西尼号”将逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三，分别对它们进行观测。土卫四半径560千米，土卫五半径870千米，它们的外表很像我们的月亮，密布环形山。土卫七位于土卫六与土卫八之间，形状不规则，最长处直径175千米，很像一颗小行星。土卫三半径530千米，密度和水一样，很可能是一个冰球。

2006年7月到2007年7月，“卡西尼号”将系统地监视和拍摄土星、土星光环、土星磁层的图像。2007年7～9月，它再次拍摄土星及其家族的电影，并在9月10日到离开土卫八约1000千米处对土卫八进行观测。土卫八半径为720千米，其表面一面颜色很暗，另一面却接近白色，很为奇特。

风暴、海洋、新卫星

2006年11月10日，美国宇航局宣布，卡西尼上的高清晰度照相机记录下了土星南极发生的带眼风暴，这是人类首次在地球以外的行星上观测到这种现象。风暴顺时针方向的风速达到了每小时550公里。“卡西尼”号还用了一些时间研究木星，给这颗巨型行星拍摄了大约2.6万张照片。科学家借助这些数据，对木星的大气状况有了更好的了解。

卡西尼号拍摄的土星照片

2007年3月13日，美国宇航局卡西尼项目小组报告说，卡西尼飞船上几部观测仪器拍摄发回的土卫六图像都显示，土卫六北纬高纬度地区存在海洋。7月20日，美国宇航局说，卡西尼飞船发现了土星的一颗新卫星。这使得土星的卫星数目达到60个。

土星环

2011年9月，“卡西尼·惠更斯”号飞船在围绕这颗行星运行时拍摄到一张精美绝伦的土星环照片，当时是在夜间，这艘飞船回望被土星遮挡住的太阳时捕捉到的画面，美国宇航局的一名宇航员将它称之为“绝无仅有”。

2012年，探测器携带的等离子体分光仪探测到土卫四上有氧离子存在的迹象。这个等离子体分光仪是伦敦大学研究人员参与设计和制造的，该校研究人员在和同行分析了相关探测数据后认为，在土卫四上确实存在稀薄的氧气。

2013年7月19日，卡西尼号在距离地球约15亿公里由高清晰度照相机拍摄了由土星回望地球照片。

土卫六峡谷

卡西尼号探测器发现土卫六（Titan）表面的深而陡峭的峡谷中充满了液态碳氢化合物。这些发现首次直接证明土卫六上存在被液体覆盖的沟渠，也首次观察到了土卫六上数百米深的峡谷。《地球物理研究快报》上2016年发表的文章，描述了科学家如何分析卡西尼号在2013年5月近距离飞掠土卫六时得到的数据。在飞掠过程中，卡西尼号的雷达设备对土卫六北极的巨大海洋——丽姬娅海（LigeiaMare）延伸出的分支沟渠进行了重点探测。

卡西尼通过雷达测绘器映射出的VidFlumina河谷

通过微波探测，NASA的卡西尼号探测器发现土卫六表面的某些沟渠其实是深而陡峭的峡谷，其中充满了液态碳氢化合物。

卡西尼号的发现揭示了这些沟渠都是些狭窄的峡谷，总体宽度都不到一千米，坡度却超过40度。同时，这些峡谷都非常深，从顶部到底部有约240至570米深。这些沟渠网络被命名为VidFlumina。

就像土卫六上那些富含甲烷的海一样，这些蜿蜒伸展的沟渠在雷达中显示较暗。科学家们由此认为这些沟渠可能充满了液体，但是此前并没有做过直接的探测。之前人们并不知道这些暗色部分是液体还是饱和沉积物。在土卫六的严寒之中，沉积物的主要成分更可能是冰，而非岩石。

卡西尼号的雷达经常被用作成像仪，能穿过稠密的雾霾获得雾霾下土卫六地表情况。但在这次飞掠中，卡西尼号的雷达则被用作测高仪，通过发射雷达波来测量重点区域的深度。研究人员将此次测高数据与此前的雷达图像结合，得出了新的发现。

卡西尼号发射的雷达信号如何从底部反射回来，是了解这些沟渠本质的关键所在。雷达设备观测到一次闪光，说明沟渠底部非常平滑，就如土卫六的碳氢化合物海一般。信号从沟渠边缘及底部回弹所用的时间，能直接提供关于沟渠深度的数据。

无论是何种原因造成的这种峡谷凹陷地貌，都表明了这个地貌活动进行了很久，亦或是这个区域向下侵蚀的速度远远快于土卫六的其它地区。研究人员猜测，这可能由地形上升或海平面改变导致，或者两者皆有。

罗马大学卡西尼号雷达团队的成员，也是此研究的领头人ValerioPoggiali说：“这种深谷可能是地形上升和海平面改变共同造成的，但是暂不清楚各对深谷成因占的比例。可以明确的是，无论哪种描述土卫六上地质演化过程的说法，都需要能够解释这些峡谷的成因。”

在地球上，这些形成峡谷的原因可以在美国亚利桑那州的科罗拉多河两岸看到。科罗拉多大峡谷就是以地形上升为主。数百万年来，地形上升致使科罗拉多河深深切入地下。鲍威尔湖（LakePowell）则是由于水平面变化造成的。每当水库水位下降，河流的侵蚀便会加剧。

“地球是由岩石构成的，有地表水的温暖星球。而土卫六则冰封寒冷，河流也由甲烷构成。能在两颗星球上发现如此相似的地貌，这真是不寻常。”卡西尼雷达团队成员，来自纽约康奈尔大学的合作作者AlexHayes如此感叹道。

测高仪数据也显示了丽姬亚海附近某些峡谷中的液体高度与丽姬亚海的海平面一致，一些峡谷中的液体高度会比丽姬亚海高出几十米。研究人员认为后者是支流，最后都会汇入主渠道中。

这项研究中所用到的方法，将在未来扩展应用土卫六上其他已探测到的沟渠。研究人员期望后续的工作能够得出土卫六地形形成的综合原因。

土星北极六边形

2016年10月，美国航空航天局（NASA）的卡西尼号土星无人探测器发回的高清图像向科学家揭示了土星北极著名六边形的细节。

卡西尼拍摄到的土星北极六边形图片来源：NASA

据悉，这个六边形涡旋从土星北半球北纬78度附近一直延伸开来，每一边边长都在1.38万公里左右，甚至超过了地球的直径。

卡西尼号发回的图像揭示了土星北极这个巨大六边形的组成。NASA指出，土星的大气由高速运动的气流以及不断变化的天气组成，偶尔会出现大风暴。而这个六边形由无数冰冷的小颗粒组成。

同时卡西尼号发回的两幅彩******象显示了这个六边形从蓝色变成了金色。科学家在研究其颜色变化的原因，其认为这跟土星的季节变化有关。

NASA认为，“当土星向2017年5月的夏至时节靠近时，北极六边形离阳光直射的位置也就越来越近。随着大气中光化学反应的增加，卡西尼号也就拍到了金******像。”

7、携带设备

卡西尼号

“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。

等离子体分光计(CAPS)：用于探测土星的电离层和磁场。

宇宙尘埃分析仪(CDA)：用于探测土星附近的宇宙尘埃。

复合红外分光计(CIRS)：用于测量被测物体的温度和成分。

离子和中性粒子质谱仪(INMS)：用于探测土星附近的离子和中性粒子。

成像科学子系统(ISS)：用于拍摄照片。

双重技术磁场强度计(MAG)

磁场成像仪(MIMI)

无线电探测和测距仪(RADAR)

无线电波和等离子体波科学仪器(RPWS)

无线电科学子系统(RSS)

紫外成像摄谱仪(UVIS)

可见光和红外线测绘分光计(VIMS)

8、最后任务

至2016年，“卡西尼”号探测器兢兢业业地为人类探索着土星系统已长达12年，按照任务计划，2017年，它将上演的“终场演出”——投身土星大气并在土星的怀抱中消殒。

“卡西尼”号2016年4月拍摄到的土星北半球。

“卡西尼”号是人类迄今最雄心勃勃的太空探索项目之一，亦是20世纪最后一艘行星际探测的大飞船。在美国太空网上，探测器团队近日公布了一段令人惊叹的视频，以此向探测器表达敬意。视频由“卡西尼”号拍摄而成，表现了土星在4个土星日（44小时）内大气层的变化，将土星大气中椭圆形的风暴、距土星最近的D环、其北极的大六边形射流——每一个边长都比地球的直径还大，清晰地展现给世人。

辉煌成就

“卡西尼”号在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空，本身是“卡西尼—惠更斯”号飞船的一个组成部分，主要任务是对土星系进行空间探测，包括环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察等。

如果仅仅依靠火箭的推力在7年之内飞到土星，“卡西尼”号使用的燃料不能少于70吨。于是，其采用了名为“智慧曲线”的办法——借用行星的引力来加快速度。在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后，“卡西尼”号于2004年7月1日按计划顺利进入环绕土星的轨道。

以此为起点，“卡西尼”号探测器陆续发现了土卫六上存在湖泊和巨大风暴，在土卫五上发现富含氧气的大气，调查并观测土星上的季节性变化，并在前所未有的极端环境中开展科学探测。它为生活在地球上的人们提供了大量来自浩瀚宇宙的神秘土星的图片，为科学家探索外太空带来了海量素材和珍贵资料。

毫无疑问，“卡西尼”号对土星最大的卫星——土卫六的探测将载入史册。

土卫六“泰坦”是土星最大的卫星，位列太阳系最有可能孕育生命的星体榜单前5名之内，而且除地球外，只有土卫六拥有原理与地球水循环相似的所谓“甲烷循环”。迄今，天文学家仍视“泰坦”为最接近地球环境的卫星——从“卡西尼”号返回的图片来看，这颗星球的湖泊、丘陵，甚至雾、霾和雨，与英格兰的天气和地貌很相像。

2004年，“卡西尼”号释放了“惠更斯”号着陆器。“惠更斯”号进入土卫六的大气层，成为第一艘在太阳系较外侧天体上着陆的飞船，并调查发现土卫六表面存在液体物质，成分为液态烷烃，与地球早期的模样类似。

2005年4月，“卡西尼”号飞船在最近一次飞过土卫六时，发现其外层大气中存在多种复杂有机物。当时“卡西尼”号掠过距土卫六表面1027公里处，它搭载的离子和中子质谱仪发现了有机物踪迹——这被认为是“卡西尼”号职业生涯中最激动人心的发现之一。

2012年7月初，随着探测器一遍又一遍地扫过土卫六，“卡西尼”号采集的数据表明，在这颗被浓雾环绕的卫星厚厚的冰壳之下，拥有一个晃动着的海洋。2015年，科学家们确认，该星球冰层下的确存在一个全球性海洋。

2016年8月，“卡西尼”号首次确认在土卫六表面流动着液态沟渠，这些陡峭峡谷很像美国亚利桑那州沿科罗拉多河一带。

正是借助“卡西尼”号，我们乘上了土卫六这艘“时光机”，领略到一个十分贴近早期地球的星体，其甚至要比我们现阶段的地球更像从前的“自己”，它让我们见证了地球早期的状态，帮助人类揭开自身诞生之谜。

任务倒计时已启动

从2016年11月末，“卡西尼”号探测器将开始执行它的最后两个任务。其中一项是变轨飞行，届时“卡西尼”号将从原先轨道“切换”到土星北极上方并靠近该星球的F环。从2017年4月27日起，探测器会飞掠F环20次，并在土星和土星环的间隙（约2400公里宽）中绕行22次。

预计在2017年9月15日，“卡西尼”号将进入土星的大气层，同时为我们发回前所未有的土星大气成分精确数据——但这也是我们和“卡西尼”号道永别的时候，地面会失去和这个探测器的联络，而它会在土星大气的摩擦下，如流星般燃烧殆尽。

终极使命的倒计时已启动，但“卡西尼”号的生命正进入到最辉煌时刻。对“卡西尼”号团队来说，这段旅程才是真正惊心动魄的决战。此阶段任务能解开更多关于土星的秘密，包括这颗星球的内部结构、重力场及磁场，“卡西尼”号将不负使命地回传数据，直至自身彻底消陨在土星的怀抱中。

完成使命

当地时间2017年9月13日，美国加州帕萨迪纳市，NASA召开发布会宣布，“卡西尼”号探测器正在逐渐接近完成它最后一次穿过土星及其光环之间狭窄缝隙的任务，随后“卡西尼”号燃料即将耗尽，并将于9月15日冲进土星大气层，结束它13年的土星探索旅程。

NASA发布会，宣布卡西尼号完成使命。