卡西尼號（the Cassini probe）探測器是由美國航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和意大利太空總署（Agenzia Spaziale Italiana（ASI））聯(lián)合研制、發(fā)射并運營的土星系探測器惠更斯號探測器的主體部分。其任務(wù)目標(biāo)是進入土星系，對土星、土星環(huán)、土衛(wèi)六（Titan）、土星的其他衛(wèi)星和土星的磁場進行詳細的探測，并將其所攜帶的惠更斯號探測器投放到土衛(wèi)六上進行著陸。
卡西尼號空重2125千克，對接上惠更斯號探測器并加注滿推進劑后重5712千克，高6.8米，寬4米，安裝有磁強計的支架展開后長13米；探測器底部安裝有兩臺445牛推力主發(fā)動機和16臺小型姿控發(fā)動機；卡西尼號上共搭載了12臺各種科學(xué)儀器，惠更斯號上另搭載了6臺儀器，滿足各類科學(xué)探測需求；探測器和搭載的科學(xué)儀器由三枚核電池（放射性同位素熱電發(fā)電機, radioisotope thermoelectric generator, RTG）提供電能，以便在土星系微弱的太陽光照下維持工作。
卡西尼號于1997年10月15日發(fā)射升空。此后兩次飛越金星，一次飛越地球，一次飛越木星，最終在2004年6月30日成功進入土星軌道，成為第一顆圍繞土星飛行的人造航天器。在此后兩次獲批延長、共持續(xù)13年的三個任務(wù)階段中，卡西尼號探測器對土星系開展了詳盡探測，獲得了土星大氣、磁場的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了6顆新的土星衛(wèi)星，揭示了土星衛(wèi)星的大氣、地形、結(jié)構(gòu)等信息與土星環(huán)的詳細結(jié)構(gòu)和構(gòu)成，獲得了包含總共453048張圖像在內(nèi)總計635GB的科學(xué)數(shù)據(jù)。
2017年9月15日，為了防止耗盡推進劑的探測器失控墜落在土星衛(wèi)星上造成微生物污染，卡西尼號在指令控制下墜土星大氣燒毀。
“近20年間，“卡西尼”探測任務(wù)大幅刷新了人類對土星、環(huán)境和生命的認識。”美國航空航天局前副局長托馬斯·楚比興（Thomas Zurbuchen）如此評價卡西尼號探測器的歷史意義。
項目背景
在先驅(qū)者十一號、旅行者1號探測器和二號分別于1979年、1980年和1981年先后飛越并探測了土星系，并成功獲得了大量高價值的科學(xué)數(shù)據(jù)后，許多科學(xué)家認定土星是一個適合進行專門探測的高價值目標(biāo)，其多樣的衛(wèi)星、巨大的土星環(huán)，乃至土星本身的結(jié)構(gòu)、組成和磁場，都有可能深入揭示各行星乃至太陽系的起源和演化。
1982年，歐洲科學(xué)基金會和美國國家科學(xué)院的聯(lián)合科學(xué)小組中，歐洲科學(xué)家戈蒂耶(D. Gautier)和依普(W. Ip)提出了土星環(huán)繞探測器加土衛(wèi)六著陸探測器的組合，并建議由NASA和歐洲航天局合作完成這一任務(wù)；1983年，所屬于NASA的太陽系探索委員會（Solar System Exploration Committee, SSEC）向NASA提出，NASA的土衛(wèi)六探測器項目中應(yīng)當(dāng)包含一個土星環(huán)繞探測器；1984-1985年，NASA和ESA正式就這一任務(wù)概念進行了研討；1986年，ESA的科學(xué)項目委員會批準(zhǔn)對任務(wù)進行預(yù)研；1988年，NASA完成了對卡西尼號探測器任務(wù)的預(yù)研驗證，任務(wù)初步獲得通過；同年，歐洲航天局正式向NASA表示有意愿參與這一任務(wù)計劃；1989年，美國國會通過了卡西尼號任務(wù)的預(yù)算案，ESA選擇了參與合作，并將負責(zé)研發(fā)的探測器命名為“惠更斯號”；1992年至1995年間，卡西尼號任務(wù)受到了眾議院的干涉，任務(wù)預(yù)算被削減，任務(wù)安排和探測器的設(shè)計和建造不得不進行了相應(yīng)的修改；1997年，卡西尼號完成組裝，正式定型，同年10月成功發(fā)射。
命名來源
卡西尼號的命名是為了紀(jì)念意大利數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、工程師喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini，1625-1712）。喬瓦尼·卡西尼發(fā)現(xiàn)了木星衛(wèi)星中的四顆：土衛(wèi)八（Lapetus）、土衛(wèi)五（Rhea）、土衛(wèi)三（Tethys）和土衛(wèi)四（Dione），揭示了將土星環(huán)分割成兩部分的“卡西尼環(huán)縫（Cassini Division）”，并正確預(yù)言了造成土衛(wèi)八明暗變動的原因：土衛(wèi)八的一側(cè)半球上覆蓋有深色的物質(zhì)。
惠更斯號探測器以荷蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、工程師、天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）命名，以紀(jì)念他首先發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六。惠更斯也是第一個提出土星變化的星相是由于其具有一個“薄而平，與土星本身不接觸，且與黃道面有轉(zhuǎn)軸傾角的環(huán)帶”理論的人。
研發(fā)過程
卡西尼號探測器本體由美國航空航天局的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）負責(zé)研制，在初期設(shè)計中，JPL計劃設(shè)計研制一款能夠通用于各種深空探測任務(wù)的探測器來接續(xù)水手計劃中的水手一號和二號，并批量生產(chǎn)，以均攤、降低研制開銷，這款通用型探測器被命名為“水手2型（Mariner Mark 2）”，水手2型將會采用核電池、擁有高數(shù)據(jù)傳輸速率、搭載頂尖水平的科學(xué)儀器平臺、安裝具備任務(wù)中重新編程功能的先進飛行控制計算機和高度可靠的冗余系統(tǒng)，具備執(zhí)行為期十年以上的長期任務(wù)的能力。
但是由于國會拒絕批準(zhǔn)預(yù)算，并為卡西尼號制定了16億美元的預(yù)算帽，JPL被迫取消了水手2型的研制，卡西尼號不得不采取更為特化的設(shè)計；可動的科學(xué)儀器掃描平臺被從設(shè)計中移除，木星飛越前的部分科學(xué)任務(wù)也被取消以滿足預(yù)算帽限制，發(fā)射時間也從原計劃的1995年11月25日被延后至1997年10月以降低年均預(yù)算量。
卡西尼號同期的很多探測計劃被當(dāng)時的布什政府以節(jié)省聯(lián)邦預(yù)算為由取消，卡西尼號本身也因為使用了含有劇毒放射性元素钚239的核電池而遭到公眾抗議，但是由于其美歐合作項目的性質(zhì)，顧及到歐洲航天局在同意參與計劃時期表現(xiàn)出的對美國主導(dǎo)國際航天科學(xué)項目的不平衡傾向的不滿，卡西尼號得以從1995年眾議院撥款委員會關(guān)于取消任務(wù)計劃的動議下幸存。
1996年年初，卡西尼號的子系統(tǒng)已基本完成，開始在JPL的航天器組裝設(shè)施（Spacecraft Assembly Facility）的超凈車間內(nèi)進行組裝，姿態(tài)與指向控制子系統(tǒng)（Attitude and Articulation Control Subsystem，AACS）、指令與數(shù)據(jù)子系統(tǒng)（Command and 數(shù)據(jù) Subsystem，CDS）和供能與火工子系統(tǒng)（功率 and Pyro Subsystems）被首先整合到一起。同年2月，計劃中的各種科學(xué)儀器開始被陸續(xù)安裝到飛行器主體上。3月，惠更斯號的組裝在德國開始，同期，卡西尼號開始進行各項測試。7月，由洛克希德馬丁公司完成可靠性與泄露驗證的推進模塊子系統(tǒng)（Propulsion Module Subsystem，PMS）被運至JPL。9月25日，卡西尼號的主要部件完成組裝整合。10月11日，惠更斯號也完成組裝。隨后，負責(zé)團隊卡西尼號和惠更斯號進行了大量測試和試驗工作，以確定其在發(fā)射時嚴苛的噪聲、振動環(huán)境和過載下不會損壞，以及在極端的空間環(huán)境中能夠正常工作。1997年4月21日，卡西尼號搭載在美國空軍C-17運輸機上運抵肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center），并完成了最后的高增益天線、PMS的安裝和惠更斯號的對接，隨后進行了最后的驗證測試和檢查。
發(fā)射升空
卡西尼的發(fā)射窗口從1997年10月6日開啟，持續(xù)到當(dāng)月月末，但是由于惠更斯號的隔熱材料在運輸時被意外損壞，發(fā)射日期被推遲到不早于10月13日。13日當(dāng)日，由于高空橫風(fēng)風(fēng)速過快，不滿足發(fā)射安全發(fā)射條件，發(fā)射被再次推遲到10月15日。
1997年10月15日，美國東部夏令時（EDT）上午4時43分，卡西尼號搭載在泰坦4B/半人馬座火箭上發(fā)射升空。
任務(wù)與成果
任務(wù)目標(biāo)
從卡西尼-惠更斯號探測器任務(wù)的提出和預(yù)研階段開始，美國航空航天局和歐洲航天局就根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)水平和科學(xué)界對土星系的了解狀況制定了大致的任務(wù)目標(biāo)；隨著探測器定型和顏值工作的開展，圍繞著具體的探測對象，這些目標(biāo)被明確下來，并成為了實際任務(wù)中有科學(xué)觀測機遇時如何安排任務(wù)的參考。
土衛(wèi)六任務(wù)目標(biāo)
磁層任務(wù)目標(biāo)
冰衛(wèi)星任務(wù)目標(biāo)
土星環(huán)任務(wù)目標(biāo)
土星任務(wù)目標(biāo)
重要節(jié)點與成果
金星飛越
1998年4月26日，卡西尼號完成了計劃中的第一次金星飛越，飛越過程中與金星表面最近距離僅284千米。飛越金星的目的是獲得引力彈弓輔助，此次金星飛越為卡西尼號提供了共7千米/秒的加速。
1999年6月24日，卡西尼號完成第二次金星飛越，與金星表面最近距離600千米，飛越過程中卡西尼號上的科學(xué)儀器對金星進行了觀測。
在卡西尼號進入金星背后的遮掩區(qū)的過渡階段，其向地球發(fā)射的無線電信號切向穿過金星的大氣層，通過檢測此時無線電信號的變化，科學(xué)家們得以分析金星大氣的成分；此外，在距離金星最近的幾個小時里，卡西尼號搭載的無線電于等離子體譜儀對金星大氣進行了近距離觀測，發(fā)現(xiàn)金星大氣中極少發(fā)生閃電現(xiàn)象。
地球飛越
1999年8月17日，卡西尼號飛越地球，與地表最近距離1171千米，獲得了5.5千米/秒的引力彈弓輔助加速。
在飛越過程中，卡西尼號對磁強計、成像設(shè)備和雷達進行了測試和標(biāo)定，并通過等離子體譜儀對地球磁層中的電子密度進行了高精度測量。
小行星探測
2000年1月23日，卡西尼號飛越了2685號小行星馬蘇爾斯基（Masursky），并對其進行了成像；根據(jù)成像結(jié)果推斷，馬蘇爾斯基的直徑在15千米到20千米之間。
木星飛越
2000年12月30日，卡西尼號飛越木星，與木星最近距離970萬千米。在靠近、飛越和離開木星系的六個月中對木星開展了科學(xué)探測工作。
卡西尼號對木星的探測包括測量了母星磁層的結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、詳細觀測了木星大氣結(jié)構(gòu)和動態(tài)、與伽利略號探測器配合對稀疏的木星環(huán)進行了觀測以獲得關(guān)于木星環(huán)起源的線索、觀測了木星的衛(wèi)星。
進入土星軌道
2004年6月30日，卡西尼號進入環(huán)繞土星軌道，成為第一個環(huán)繞土星的人造飛行器。
首次飛越土衛(wèi)六
2004年10月24日，卡西尼號首次近距離飛越土衛(wèi)六，距土衛(wèi)六表面最近距離1200千米，隨后傳回了飛躍過程中采集的科學(xué)數(shù)據(jù)和圖像。
釋放惠更斯號
2004年12月23日，惠更斯號探測器與卡西尼號成功分離，開始為期三周的自主航行，為著陸土衛(wèi)六進行準(zhǔn)備。
登陸土衛(wèi)六
2005年1月14日11時30分UTC（協(xié)調(diào)世界時，Universal 時間 Coordinated），惠更斯號探測器成功在土衛(wèi)六表面著陸，下降著陸共耗時27分鐘，著陸后惠更斯號成功正常工作了72分鐘，經(jīng)卡西尼號中繼，傳回了在土衛(wèi)六表面采集的圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)。
近距飛越土衛(wèi)二
2005年7月14日，卡西尼號對土衛(wèi)二（Enceladus）進行了最近距離175千米的飛越，首次拍攝并傳回了了土衛(wèi)二的近距離照片。
第一次任務(wù)延長
2008年5月31日，卡西尼號原定的主要任務(wù)完成。美國航空航天局獲批將任務(wù)延長至2010年，這一階段的延長任務(wù)被稱為“卡西尼春分點任務(wù)（Cassini Equinox Mission）”，因為在這一任務(wù)階段中土星北半球正值春分點。
第二次任務(wù)延長
2010年9月，卡西尼號春分點任務(wù)結(jié)束，NASA獲批再次延長任務(wù)至2017年，第二次延長階段的任務(wù)被命名為“卡西尼夏至點任務(wù)（Cassini Solstice Mission）”，因為這一任務(wù)階段持續(xù)到2017年土星北半球夏至?xí)r期。
意外故障
2010年11月2日，一次高能射線導(dǎo)致的內(nèi)存位翻轉(zhuǎn)使得卡西尼號指令與數(shù)據(jù)子系統(tǒng)（CDS）的主控程序中出現(xiàn)了不可屏蔽中斷錯誤（non-maskable interrupt，NMI），進而使得CDS進入保護模式，將全部非必要儀器和子系統(tǒng)關(guān)機并對天線進行了重新定向；次日，地面的控制團隊成功恢復(fù)了對卡西尼號的控制，并重新打開了被緊急關(guān)閉的各子系統(tǒng)，隨后控制團隊確認卡西尼號恢復(fù)正常運行。
“終場演奏”
2017年9月15日，完成任務(wù)的卡西尼號在既定指令控制下，墜入土星大氣燒毀，結(jié)束了總計近20年的任務(wù)。這一安排是為了避免卡西尼號耗盡推進劑或者失去地面控制后意外墜落在土星衛(wèi)星上，由于探測器上可能留存有靠休眠在太空環(huán)境中幸存的地球微生物，如果意外墜落在土衛(wèi)二、土衛(wèi)六這樣具有潛在的微生物生命的衛(wèi)星上，將會造成污染，破壞未來科學(xué)探測任務(wù)的可能成果。
探測成果
在跨越半個土星公轉(zhuǎn)周期、總計接近二十年的任務(wù)歷程中，卡西尼號在土星系內(nèi)進行了127次土衛(wèi)六飛越，結(jié)合惠更斯號的短暫的著陸探測，詳細地揭示了土衛(wèi)六的地形地貌，發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六上由液態(tài)甲烷形成的江河湖海和大氣循環(huán)，獲得了土衛(wèi)六地表的高清成像，并從土衛(wèi)六上探測到了與生命的起源具有關(guān)系的復(fù)雜有機物質(zhì)；進行了23次土衛(wèi)二飛越，發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)二具有稀薄大氣層的跡象，觀察到了土衛(wèi)二南極的水冰噴發(fā)，并確定了土衛(wèi)二釋放的水冰物質(zhì)是土星E環(huán)帶的形成原因，通過穿越土衛(wèi)二的水冰噴發(fā)羽流，使用質(zhì)譜儀檢測了噴發(fā)物的成分，綜合這些探測數(shù)據(jù)，推斷出土衛(wèi)二的冰層地表之下有活躍的液態(tài)水海洋，具有產(chǎn)生原始生命的可能條件；對于土星環(huán)，卡西尼號詳細測繪學(xué)了其結(jié)構(gòu)，幫助科學(xué)家對土星環(huán)各環(huán)帶進行了詳細劃分，并發(fā)現(xiàn)了過往的天文觀測中沒有發(fā)現(xiàn)的新環(huán)帶，揭示了環(huán)帶的起源和演化，以及其中反映出的太陽系早期演化的規(guī)律；除此之外，卡西尼號還以前所未有的清晰度傳回了對土星本身的成像和觀測，記錄到了土星大氣中的季節(jié)性風(fēng)暴和顏色轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象，包括土星奇異的正六邊形北極氣旋和2012年發(fā)生的“大白斑”風(fēng)暴等。
2025年10月2日，研究人員重新仔細研究了美國航空航天局“卡西尼”號飛船在2008年接近土星衛(wèi)星土衛(wèi)二飛行時獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)更多證據(jù)表明，土衛(wèi)二或許能夠支持生命存在，相關(guān)研究報告發(fā)表在英國《自然-天文學(xué)》雜志上。研究人員稱，在土衛(wèi)二噴射出的冰粒和氣體中發(fā)現(xiàn)了以前沒有發(fā)現(xiàn)過的新型有機化合物，這些類型的分子在合適環(huán)境下可以參與形成更復(fù)雜有機化合物的過程，而有機化合物是生命的基本組成部分。
技術(shù)特點
總體布局
卡西尼號探測器全高6.8米，寬4米，有一條13米長的桁架向外支出，用于安裝磁強計，另有三根Y形布局、各10米長的天線桿從探測器主體上向外伸出，發(fā)射過程中桁架和天線桿處于折疊狀態(tài)，入軌后再陸續(xù)展開。探測器表面覆蓋有多層具有金屬鍍膜的聚酰亞胺保溫薄膜，用以在太空的極端環(huán)境中保持探測器關(guān)鍵系統(tǒng)的溫度正常，同時也對微流星體的撞擊起到一定的保護作用。探測器頂端是碟形的高增益天線，同時也充當(dāng)天基雷達作為科學(xué)儀器之一。探測器底部是包含主發(fā)動機的推進子系統(tǒng)，用以提供探測器變軌、修正軌道所需的推力。天線與主發(fā)動機間有上層和下層兩個設(shè)備段，容納部分科學(xué)儀器和其他探測器的重要子系統(tǒng)。探測器外部有一個搭載遙感設(shè)備的托盤和一個場與粒子探測儀器托盤，使用其上的科學(xué)儀器時探測器需要調(diào)整整體姿態(tài)以對準(zhǔn)探測目標(biāo)。三枚核電池在卡西尼號尾段周向布置。惠更斯探測器在卡西尼號中段一側(cè)對接搭載，防熱護盾朝外。
工程子系統(tǒng)
卡西尼號探測器包含12個工程子系統(tǒng)，負責(zé)控制信號傳輸、電力供應(yīng)、數(shù)據(jù)計算、遙測與通信、導(dǎo)航和推進等功能。
任務(wù)載荷
卡西尼探測器總共搭載了12臺科學(xué)儀器，大部分位于兩個儀器托盤上，其余的安置在探測器上互相獨立的位置。
核電池
由通用電力公司（General Electric）負責(zé)生產(chǎn)的三枚多用途熱源-放射性同位素熱電發(fā)電機（General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator, GPHS-RTG）為卡西尼號提供電力。土星距離太陽14.2億千米，而太陽光強度對距離成二次方關(guān)系衰減，如果用太陽能電池板取代核電池為卡西尼號供電，將需要面積相當(dāng)于兩個網(wǎng)球場大小的電池板，使得探測器變得笨重、難以機動，阻礙探測器攜帶的科學(xué)儀器進行觀測，并造成顯著的電磁和靜電干擾。
每枚GPHS-RTG中包含18個相互獨立的熱源模塊，每個模塊包含4個核燃料顆粒，核燃料顆粒的核心是被封入合金殼的耐高溫二氧化钚陶瓷，其所含的83.5%濃縮的238發(fā)生的alpha衰變產(chǎn)生熱量，外面包覆有高強度石墨耐撞擊殼體，其外再包覆碳碳復(fù)合材料隔離層和細編穿刺織物層構(gòu)成的外殼，以保證探測器在遭遇意外再入和地面撞擊時，燃料顆粒中的钚燃料絕對不會泄漏到環(huán)境中。
在熱源模塊外是溫差電堆（thermopile），每組溫差電堆由572個硅鍺-硅鉬半導(dǎo)體熱電偶、隔熱材料和結(jié)構(gòu)框架組成；溫差電堆在1273卡爾文的熱端溫度和566卡爾文的冷端溫度下工作，將熱源模塊產(chǎn)生的熱量通過熱電效應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能。在于1997年發(fā)射升空時，卡西尼的三枚核電池總共能產(chǎn)生887瓦的電能，隨著燃料顆粒中钚238的不斷衰變消耗，核電池的輸出功率會不斷下降，在2017年任務(wù)結(jié)束時，三枚核電池的總輸出功率為640瓦左右，仍能滿足探測器上各子系統(tǒng)的能耗需求。
惠更斯號
作為卡西尼-惠更斯號探測器的另一半組成部分，惠更斯號探測器包括著陸探測器本體和與卡西尼號連接的支撐裝置，總計重達320千克；惠更斯號負責(zé)穿透土衛(wèi)六厚重的大氣層并安全著陸，分析著陸點的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過卡西尼號中繼傳回地球。
歷史意義
“卡西尼號的探測成果革命性地改變了人類對土星、其復(fù)雜的環(huán)帶結(jié)構(gòu)、多樣的衛(wèi)星和動態(tài)的磁層的理解。作為史上最遠的行星環(huán)繞航天器，卡西尼號從到達土星系的那一刻開始，直到任務(wù)結(jié)束，無時不刻不在產(chǎn)生令人驚嘆的新發(fā)現(xiàn)：土衛(wèi)二噴入太空的水冰射流、土衛(wèi)六上液態(tài)碳氫的湖泊與海洋與其中蘊含的復(fù)雜有機物質(zhì)、土星環(huán)上高聳壯觀的三維結(jié)構(gòu)，和在土星大氣中肆虐了一整年的超級風(fēng)暴。這些發(fā)現(xiàn)不僅改變了人類對土星的認識，也改變了人類對太陽系的起源和演化的基本認知和理論。卡西尼號留給了我們一份豐富的科學(xué)和工程學(xué)遺產(chǎn)。”（NASA 噴氣推進實驗室）
參考資料 >
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