书城工业技术遥远的使命——空间探测器
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第15章 “卡西尼-惠更斯”号土星探测器

“卡西尼”号的十八般兵器

20世纪90年代,为了进一步考察土星和土星的卫星,美国国家航空航天局、欧洲空间局和意大利宇航局合作,研制了一颗飞向土星的空间探测器。为了纪念卡西尼和惠更斯当年发现土星光环,这颗太空探测器命名为“卡西尼-惠更斯”号土星探测器。

“卡西尼-惠更斯”号土星探测器由“卡西尼”号探测器和“惠更斯”号探测器两部分组成,发射重量5712千克。“卡西尼”号探测器只是围绕土星和土星的卫星飞行;“惠更斯”号探测器要降落到“土卫-6”卫星进行实地考察。

“卡西尼”号探测器是十八般兵器应有尽有,属于当时最先进的探测器。它长6.8米,宽3.9米,总重量2581千克,相当于一辆轻型卡车。“卡西尼”号由10万多个零件组成,其中有26台计算机。“卡西尼”号的主要探测仪器有:用于探测土星的电离层和磁场的等离子体光谱仪;用于探测土星附近的宇宙尘埃的宇宙尘埃分析仪;红外分光计、离子和中性粒子质谱仪、三种摄像机、双重技术磁场强度计、磁场成像仪、无线电探测和测距仪等。

“惠更斯”号探测器很小,直径约1.3米,重量348千克,由法国宇航公司制造。“惠更斯”号被包藏在一个像凉帽一样的防护罩里。它带有6台科学仪器,主要科学任务是对土星、土星光环及土星的卫星,特别是“土卫-6”进行空间探测。它要直接降落到“土卫-6”上,研究个清楚。

科学家对土星大气层内的大气温度、压力、气流和闪电等很感兴趣。“惠更斯”号上的大气层探测仪器十分精密,是专门为获取土星、“土卫-6”大气层数据而设计的。

“卡西尼-惠更斯”号的任务是环绕土星行,对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行入考察。为了表达地球人类的和平意愿,“卡尼”号还携带了一本《地球人签名簿》。上面来自全世界81个国家、超过61万人的签名。人希望通过“卡西尼”号给土星带去良好的祝愿。

怪异的飞行曲线

1997年10月15日,“卡西尼-惠更斯”号在美国肯尼迪航天中心搭乘“大神”运载火箭发射升空。近6吨的“卡西尼”号星际探测器飞往土星的轨道。这20世纪最后一颗行星际的大探测器。它凝聚着人类的智慧和希望,飞向遥远的一个星球。

从地球到土星最短距离也有12.5亿千米,其间要穿越火星轨道、小行星带木星轨道才能到达土星,而且是逆着太阳引力场,朝太阳相反的方向飞行。“卡西尼”号能安全到达吗?

如果看了“卡西尼”号从地球到土星的路线图,你会发现“卡西尼”号走的是一条怪异的飞行曲线。地球距土星12.5亿千米,但“卡西尼”号却走了35.2亿千米的路程。为什么要舍近求远呢?它为什么要首先两次掠过金星,而后又掠过地球和木星,最后才踏上前去土星的航线呢?

根据行星的引力能助推的原理,科学家们为“卡西尼”号精心计算设计了一条通往土星的智慧曲线。在几个行星间荡起了智慧的秋千。“卡西尼”号先向里面跑到了金星上空掠过,两次借助金星的引力助推;飞回地球后围绕地球绕了好几个圈子,借助地球的引力冲向木星;掠过木星的时候又向木星借了更多的力量,然后朝土星直奔而去。整个行程达到了35.2亿千米,是地球到土星的实际距离的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。

“卡西尼”号探测器在经过漫长的近7年航行,走过惊险、黑暗的太空旅行之后,于2004年7月1日12时12分发来一串信息:地面飞控中心,我是“卡西尼”号。我已进入环绕土星的轨道。

最美丽的光环

“卡西尼”号开始对土星大气、光环卫星进行历时4年的科学考察。

土星比地球大740倍,中间有一个岩核心。核心外面是浓密的大气层,高度万千米。土星其实是一个充满气体的行星土星的光环是由无数小颗粒构成的。土的表面温度为-140℃。

天文学家认为土星最多有20多颗星,“卡西尼”号却发现了土星一个又个的“孩子”,直到第60个“孩子”,还不包那些数不清的孙子辈的“孩子”。到2010年底,天学家发现土星共有69颗卫星。

土星最漂亮的是那道美丽的光环,像一顶宽边的巴拿马草帽。从艺术的角看,土星是太阳系中最美丽的行星。土星的光环被描绘成一种闪着华丽光芒的裾,一串镶有宝石的项链,而发现了它们的伽利略则形象地称之为“耳朵”。就是美丽的土星光环。

为什么土星的光环闪耀着钻石般的光芒?变换着大马哈鱼样的颜色?它们异的波纹后面隐藏着什么秘密?它们在土星轨道上存在多少年?“卡西尼”号会打开一个全新的世界,那些神秘莫测的东西也会变得逐渐清晰。

“卡西尼”号冒着生命危险,穿过那一道道美丽的光环。它发现:美丽的环是由冰块、岩石碎片组成的。小的如灰尘,大的像一张乒乓球桌那么大。正这些冰块,让整条光环闪闪发光,就像土星表面的光亮一样。土星的光环是由多个同心环带组成的。这些环带有的亮、有的暗,有的宽、有的很窄;有的边清晰、有的边缘模糊;有的表面泛起波纹,就像波纹纸板一样;有的表面却很滑,像油光纸一样。土星光环可能非常年轻,仅仅几千万年。

“卡西尼”号一直在土星与土星卫星之间穿梭,一直工作到2010年。2006 1月17日, “卡西尼”号探测器用窄视角相机拍摄了“土卫-5”号卫星。美国家航空航天局喷气推进实验室认为:这是“卡西尼”号拍摄的最漂亮珍贵的照片一。判图专家从照片中发现了火山口和冰火山挤压形成的山脉,在其神秘色彩又增添了许多不可思议。

土星有60多个“孩子

命悬一线“惠更斯”号

“土卫-6”也是一颗神秘的、不可思议的卫星,它总是发出美丽迷人的橘红色。“土卫-6”虽然在土星兄弟中排行老六,论个子却是老大,直径有5100千米,表面温度-17℃,是一个冰球。为什么地球人对“土卫-6”情有独钟?因为“土卫-6”上有一层400多千米的大气层。一听说有大气层,地球人就来劲头了。莫非那里是我们梦想的第二个家园?不好的消息是“土卫-6”号不会自转,一面永远朝着土星。

2004年12月25日,“卡西尼”号进行最后的健康检查,定时器在准确时间打开,释放出“惠更斯”号。为了节约电能,“惠更斯”号探测器分离时,还处于休眠状态。它要用22天的时间,在睡梦中慢慢地降低高度,飞往“土卫-6”卫星。在登陆“土卫-6”前几小时,美国地面飞控中心将唤醒“惠更斯”号。

“惠更斯”号准备降落在一个叫做“世外桃源”的地方。为了精确探测“土卫-6”,最好的地点就是“世外桃源”。“世外桃源”并不是一个山清水秀、小桥流水的仙境,而是怪石嶙峋、突兀参差、阴森恐怖的地方。

要探险就要敢冒险。科学家认为,“惠更斯”号在“土卫-6”登陆,只有20%的成功率。科学家们期待着“惠更斯”号能够幸运地活下来。

大胆的计划、命悬一线的行动开始了。2005年1月14日,“惠更斯”号冲入“土卫-6”稠密的大气层时,速度降低到1400千米/时,并产生3500℃的温度。“惠更斯”号要将信息发给“卡西尼”号再转发给地球,来往需要2.5小时。这时,信号中断……

“惠更斯”从1000千米高空急速下降,降落到“土卫-6”表面300千米的时候,打开1个减速伞;降到190千米的高度时,抛掉防护罩,打开直径8.3米主降伞;15分钟后,打开直径3米的降落伞,直扑土星最大的卫星——“土卫-6”。

“惠更斯”号的命很大,简直是个奇迹。19时24分,它撞击在“土卫-6”硬的岩石上,却毫发无损。“惠更斯”号用2.5小时,成功地在“土卫-6”的纬10°,东经160°的“世外桃源”着陆。在降落过程中,它拍摄了750多张照发送回地球。“惠更斯”号成为人类有史以来降落在最远的太阳系的星球的人物体,登陆误差不超过1千米。

1月14日1时25分,美国西弗吉尼亚州的“绿岸”射电望远镜用巨大的天线“听”见“惠更斯”号的声音。

1月14日11点25分,位于美国西弗吉尼亚州的“绿岸”射电望远镜听见了“惠更斯”号探测器发出的载波信号。同时,位于美国加利福尼亚州戈尔德顿、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的地面测控站都“听”到了“惠更斯”号呼唤。

“惠更斯”号的科学任务是:穿越大气层,着陆探测。在2.5小时的减速降过程中,它把探测大气层时所得到的数据和图像,用无线电信号传送给轨道的“卡西尼”号,然后再传回地球。人们希望知道,“土卫-6”的表面,是一汪洋,还是坚实的土地,或者有山有水,或二者兼有。研究土星的这颗卫星,有于了解地球的发展历程。

明亮的神秘光点

“土卫-6”的体积几乎与水星的体积相当,直径为5100千米。科学家们最为感兴趣的还是“土卫-6”表面有一片明亮的“大陆”,还有神秘的光点。科学家一直认为这片仅存在于“土卫-6”的半个球面上的“大陆”,有可能是山脉、海洋、平原,也可能就是一片大陆,还可能是被碳氢化合物组成的湖泊所覆盖。

“惠更斯”号向地球传输珍贵的“土卫-6”表面详细资料。天文学家们利用红外光谱对“土卫-6”表面进行研究后发现,“土卫-6”表面干旱而寒冷,不存在任何由液态烃构成的湖泊和海洋。它是一片荒漠。这一结果推翻了人们曾经的美好设想,令科学家有些沮丧。“惠更斯”号的图像和数据显示,今天“卫-6”的表面,与早期的地球表面十分相似。科学家仿佛看到了地球的昨天。

令人振奋的好消息于2008年7月底传来。美国和德国研究了“卡西尼”号探测器的最新观测数据,发现在“土卫-6”表面的大型湖泊中,至少有一个充满了液态碳氢化合物,而且可以肯定这个湖泊中含液态乙烷。2009年4月,美国斯坦福大学地球物理学家和电气工程师对探测器扫描数据分析和研究,通过3D全息技术和模拟技术重新对“土卫-6”进行分析。科学家发现,“土卫-6”蕴藏大量的地下海洋和丰富的“油气田”。

科学家认为,除地球以外,“土卫-6”是人类在太阳系中所观测到的唯一一个表面有湖泊的天体。新发现的湖泊,位于“土卫-6”的南极地区,面积约有两万平方千米。