本文共7584字，由Lekword编写

卡西尼-惠更斯号，一个你肯定熟悉的名字，它是第一个也算目前最后一个土星环绕探测器，同时也是世界上质量最大的成功的探测器。如果你热爱航天，那么你一定曾看过短片《卡西尼号之终章》。

卡西尼-惠更斯号的历程要从20世纪70年代开始说起。这时候，旅行者号探测器仍在研制中，NASA已经开始着手研究可行的轨道探测任务。1977年，旅行者一、二号发射，在旅途中，它们为我们揭开了木星、土星等气态行星的面纱，土卫六作为太阳系第二大的卫星，具有浓厚的大气和甲烷海洋，是科学研究的焦点，旅行者一号为了近距离接触土卫六，甚至放弃了飞掠天王星和海王星的机会。但由于土卫六大气十分浓厚，不能观测到其表面的任何细节。

1981年4月12日，航天飞机投入使用。同时期，世界上各种土星和土卫六探测方案被广泛研究，比如：携带氧化剂的热气球，到达土卫六后点燃周围的甲烷；也或者是气球，可以在土卫六探测和金星探测中使用。最后，NASA选择与ESA合作，在设想中：因为ESA从来没有研制过进入大气层的探测器，所以由NASA研制土卫六探测器，而ESA研制轨道器。（有趣的是，最后的结果恰恰相反）

人们对于正在飞行的伽利略号抱有很大期望，而且希望卡西尼-惠更斯号也采用大致的探测思路，最后甚至希望使用备份的伽利略号，但在太阳系探测委员会的报告中却表示不太可能重新使用伽利略号探测器。

卡西尼-惠更斯号的诞生

ESA于1982年发布了最初的项目建议征集书，6年后才选择了卡西尼号。在旅行者二号专栏提到过，在20世纪80年代，由于经费紧张，NASA在1978年到1989年间完全没有开展任何深空探测任务，航天飞机失事后，美国的深空探测更是全面停滞。深空测控站几乎停摆，深空探测陷入泥沼。最后，1989年麦哲伦和伽利略号升空，才最后给美国深空探测事业重新注入了信心。麦哲伦号根据金星大气浓厚的特点，研制了金星成像雷达，这为卡西尼号之后的土卫六成像雷达打下基础，同时大型在轨探测器伽利略号也为卡西尼号日后的探测提供宝贵经验。刚开始，卡西尼号决定使用两个扫描平台（类似于旅行者），但不断攀升的成本和不断下降的经费迫使所有仪器只能被固定安装。更因为伽利略号的高增益天线故障和经费问题，旗舰级（即使用单一大型全面的探测器进行长时间探测）探测器逐渐落后，NASA管理部门认为一个大型探测器出现故障所造成的经济损失是无法承担的，比如伽利略号的一个天线故障就导致科学产出大幅度下降，NASA提出了沿用至今的“更快、更省、更好”的任务理念，使用小型的探测器而产出一流的科学成果，深度撞击号、信使号则是经典的例子，而起源号却因为“更快、更省、更好”的任务理念导致测试不全面，导致任务失败。当然，旗舰级任务在冷战时期却是优于小型探测任务的，那时候有充足的资金和狂热的想法，一次大型任务就能让自己快速进步。在各种原因的支配下，卡西尼号成为最后的旗舰级探测器。为了节省成本，NASA也是煞费苦心。1992年4月，NASA取消了卡西尼号使用水手II型探测平台的想法，取消了扫描平台。另外，NASA将大部分飞行软件的全面开发推迟到发射之后（卡西尼号最终的土星探测计划最终在发射之后才定下来），而且这种方式可以让团队在飞行中学习经验，增加任务的灵活性。1993年，预算进一步缩减到9.76亿美元，为了分摊成本，NASA开始广泛的国际合作，与意大利航天局（ASI）签订了协议。最终，卡西尼-惠更斯号在一次次的预算缩减和美国国会的撤销提案中存活下来。任务的最终成本大约为33亿美元，ESA提供了5亿美元的资金，而ASI也提供了1.6亿美元的资金用于天线组件、大部分射频系统和半部成像雷达等。经最终批准，卡西尼-惠更斯号将于1997年10月发射。

卡西尼-惠更斯号的构造

卡西尼-惠更斯号重5650千克，其中燃料占3吨，惠更斯号占320千克。卡西尼-惠更斯号高6.8米，分为下仪器舱，长推进舱和上仪器舱三层。下推进舱有两台20世纪60年代的的主发动机—R4-D，单台推力445牛，在白沙试验场进行超过200分钟的试车，这两个发动机互为备份，能在10分钟内自动切换，同时有25度的矢量角度。喷嘴覆盖了一层耐火陶瓷，由于其极其脆弱，发动机安装了保护罩，能够多次开合，特殊情况下也可抛弃。RCS部分，安装了16台0.1N和8台1N的发动机。

科学探测部分共12台仪器，共362千克。包括相机、合成红外光谱仪、双通道紫外成像光谱仪、磁强计、射频和等离子体波实验、尘埃分析仪、土卫六成像雷达等。

设计最为困难而又最关键的组件是卡西尼头顶的固定高增益天线，它的直径有4米，由ASI提供，是空间应用中最大的非展开天线。天线由碳复合铝蜂窝材料制成，重量仅100kg。天线的设计尤为困难，既要在飞掠金星、经过近拱点时承受180摄氏度的高温，又要在土星-200摄氏度的低温环境下工作；既要在离太阳近时充当“遮阳伞”，又要在穿越土星环时作为“挡箭牌”使用。

惠更斯号，是第一个在外太阳系着陆的探测器，也可能是迄今为止搭载仪器最多的行星大气探测器。使用的部件由ESA的各成员国和美国提供。

惠更斯号质量为320千克，与卡西尼号连接的支撑系统重30千克，搭载了一个79千克的热防护罩。惠更斯号在巡航和下降期间采用自旋稳定的方式，这使得其仪器有360度的观测视角，且惠更斯号还安装了36个旋转叶片还有在分离装置上安装螺旋导轨以保证自旋。

惠更斯号安装了三套降落伞，第一套伞为引导伞，直径2.59米，把直径8.3米的主伞拉开。在大约15分钟之后，由于土卫六越来越浓厚的大气和较低的重力，8.3米的主伞让下降速度过慢，于是主伞拉开了直径3.03米的稳定减速伞来让惠更斯号更快到达地表。整个下降过程预计不超过2.5小时，而惠更斯的电池有1.8千瓦时的电量，能够保证任务持续153分钟且有适度的余量。为了保温，惠更斯号还安装了35个放射性同位素加热器。

惠更斯号装备了仪器以确定土卫六大气的成分、结构、温度和风。考虑倒土卫六上还可能有甲烷海洋，惠更斯号也有溅落在液体甲烷中的可能性。设计人员让惠更斯号能溅落之后仍然能够漂浮几分钟，相机也在液面之上。探测器底部的仪器会直接与液体甲烷接触。探测器搭载了气体色谱仪和质谱仪、多传感器光学仪器、多普勒风实验、表面科学包等仪器。虽然探测器没有能够直接测量土卫六表面液体成分的科学仪器，但也能通过光学折射计测量液体表面的折射率。

发射，踏上征程！

卡西尼号的发射窗口从1997年10月6日持续到11月4日。由于航天飞机的失事，使用航天飞机来发射卡西尼-惠更斯号已经是不可能的事情，所以发射卡西尼-惠更斯号的任务局交给了美国20世纪80到90年代最为强劲的火箭——大力神IV火箭，同时这也是该枚火箭第一次执行行星探测任务，这是一次冒险的发射，2月23日，升级版的大力神IVB火箭才进行第一次飞行试验，卡西尼-惠更斯号将成为它的第二个有效载荷。与此同时，天体力学专家正在忙于设计土星巡航轨道。每次飞掠土卫六的过程中必须要三次飞掠土卫而、多次飞掠其他卫星，且每次飞掠都要提供大多数其他冰态行星的非目标飞掠。

在最后的起飞时刻，火箭还是出现了一些小故障——火箭有一点小泄露，且整流罩冷空气循环空调设置错误，导致了惠更斯的隔热层被破坏，最后惠更斯号被取出、拆解和清理，发射被推迟。当火箭和载荷全部准备就绪后，为了避免高空风对发射的影响，发射又被推迟了两次。

UTC时间1997年10月15日8时43分，卡纳维拉尔角的黎明前，卡西尼惠更斯号从LC-40发射台起飞.，为了防止RTG落入非洲，火箭起初有一个方位角。8时56分，半人马座上面级分离。在起飞后11分钟，半人马座上面级进入高达大约200千米，倾角28.63度的近地轨道。19分钟之后，半人马座再次进行了长达7分15秒的逃逸点火。虽然造成了短时间的遥测丢失，但半人马座还是顺利进入金星转移轨道。在半人马座将位置调整好、使卡西尼号的天线对准太阳作为遮阳伞后。9时26分，卡西尼-惠更斯号正式分离，正式向土星出发。

漫长的巡航

发射后八天，卡西尼号展开了朗穆尔探针的悬臂和等离子体波探测仪的导线天线。11月9日，卡西尼号开展了一次轨道修正。由于这次很精确，修正的Dv仅有2.7米每秒，节省了大量燃料。1998年3月24日，卡西尼号进入了短暂的安全模式，在36小时后恢复正常。

4月26日，卡西尼号第一次飞掠金星，13时44分41秒到达最近点，最近点的星下点位于金星的北半球，高度为284千米，以最高11.8千米每秒的相对速度通过金星。这次飞掠改变了卡西尼号的倾角使卡西尼号的速度增加了7.1千米每秒，轨道偏转为71.3度，远地点上升到1.58AU，进入了一个接近金星一周年共振轨道的轨道。由于取消扫描平台、节省成本，近距离飞掠时大多数科学仪器正在休眠。

由于在第一次飞掠金星之后，卡西尼轨道的近拱点和远拱点均有上升，而且半长轴发生了旋转，这使得卡西尼号的轨道更加接近与金星轨道相切。这样的情况下再次飞掠金星就不会获得较大的速度增益，就不能到达地球和木星了。所以为了增大轨道偏心率，在离开金星后，1998年12月3日，卡西尼号到达了太阳远拱点，开展了一次长达88分钟的轨道机动，速度增量为450米每秒，这使得卡西尼号能够再次回到金星。

1999年6月24日，卡西尼号第二次飞掠金星，20时29分55秒到达最近点，最近距离为603千米，星下点位于金星南半球，最大相对速度为13.6千米每秒，轨道偏转为41.6度。这次飞掠使卡西尼号的日心速度增加了6.7千米每秒，远拱点提升到2.6AU。与第一次飞掠金星不同的是，卡西尼号的科学仪器均被激活，相机系统拍摄了24幅图像序列用于校准。

在飞掠金星之后，卡西尼号仍进行了四次轨道修正，以非常保守稳重的轨道巡航着，把卡西尼号飞掠地球高度低于1000千米的可能性降到百万分之一，以最大程度的确保装载钚的RTG不会进入地球大气。在飞掠地球前三天，卡西尼号的磁强计悬臂才展开，在地球磁层中进行校准。

第二次飞掠金星之后，卡西尼号在土星的探测方案才最终确定下来。主任务期间要环绕土星74圈，在950~2500千米的距离内飞掠44次土卫六，还有3次与土卫二的目标飞掠等等。

1999年8月18日，卡西尼号飞掠地球，3时28分26秒到达最近点，最近距离为1172千米，星下点位于地球南半球，最大相对速度为19千米每秒，轨道偏转为19.7度。这次飞掠使卡西尼号的日心速度增加了5.5千米每秒，远拱点提升到7.2AU，位于土星和木星轨道之间。

在经过地球阴影之后，卡西尼号被澳大利亚天文爱好者发现，飞掠过程中九台仪器被激活，进行校准工作，等离子波实验记录了闪电爆发产生的振动。卡西尼号还在距离月球375000千米的地方对月球进行成像。

离开地球13天后，卡西尼号进行了一次轨道修正，2000年1月1日，在卡西尼号离开地球，奔向木星的过程中，21世纪的序幕拉开了。

2000年2月，惠更斯号和卡西尼号开展了第一次无线连接测试。ESA工作人员生成模拟惠更斯探测器的多普勒频移、衰减等信号，NASA则将信号发送给卡西尼号。这时候问题出现了，卡西尼号的接收机无法锁定惠更斯号的信号，导致大部分数据丢失——卡西尼号的接收机宽带太窄，不能适应惠更斯号和卡西尼号相对运动而产生的多普勒频移的整个范围，这会严重威胁惠更斯号产出的科学研究成果。但在研究和测试过程中，一直没有发现此问题。一种可行的方案是选择在卡西尼号研究好土卫六的风向后再释放惠更斯号探测器，这将减少多普勒频移的峰值。这时，卡西尼号已经悄然穿过了小行星带。

5月，空间温度已经降低到不需要再使用高增益天线来充当遮阳伞的地步，这时候卡西尼号把所有通信都切换到高增益天线。

2000年年底，卡西尼号即将飞掠木星。这时候，伽利略号探测器将与卡西尼号开展一次联合探测。伽利略号在木星磁层内，卡西尼号在木星磁层外，它们会共同研究木星磁层，联合探测任务将于10月正式开始，同时卡西尼号对木星的探测任务也从10月开始。

12月15日，卡西尼号的姿态控制意外的从动量轮切换为推力器。一个动量轮承受着更大的摩擦，吸收了更大的电流，如果按照预期执行任务的话，将会消耗更多的燃料。由于这次故障，卡西尼号无法按照原计划确定木卫六的自转周期，也失去对木星环和其他木卫的观测机会。

2000年12月30日10时05分，卡西尼号到达木星近点，高度约为972万千米，相对速度为11.6千米每秒。这次飞掠使卡西尼号的速度增加了2.22千米每秒，远拱点提升至9.28AU。

在飞掠过程中，卡西尼号拍摄了超过500张木卫一的图像，进行了长时间了火山监测，并发现了两个巨大的烟柱。复合红外光谱仪分析的木星大气中碳氢化合物随着深度和纬度变化的情况。在卡西尼号远离木星后，卡西尼号仍与哈勃望远镜联合开展了木星极光的探测工作。2001年2月28日，卡西尼号进行了一次轨道修正。

再离开木星奔向土星的过程之中，卡西尼号的活跃度一直较低，为了防止灰尘和氧化物在发动机管道中聚集，卡西尼号安排了许多次小型轨道修正以冲刷管道。

虽说卡西尼号的活跃度较低，但还是有一些比较有意思的科学实验。在先驱者号探测过程中，科学家们发现先驱者号有一个极小的向太阳系外的加速度，一直都无法解释。而卡西尼号在2001年11月到2002年1月开展了探测穿过太阳系引力波的实验，精确的定位和跟踪使得科学家们能够确定RTG的热辐射引起的非常微小的加速度的量级约为10的-15次方m/s2。引起先驱者异常最有可能的原因是错误的RTG辐射加速度模型。

2002年，在卡西尼号合日期间，一个专门为此实验设计了深空网天线向卡西尼号发送了两个无线电载波，而卡西尼号则作出回应。根据相对论，太阳的引力会使太阳周围的空间扭曲，电磁信号往返的时间和距离有所延长。实验证明了此理论的误差在十万分之一之内，是迄今为止最为准确的。

为了应对卡西尼号的接收机无法锁定惠更斯号的信号的问题，科学家们将惠更斯号着陆土卫六的时间推迟了近两个月，在惠更斯号着陆时，卡西尼号与惠更斯的相对速度得到减少，使得多普勒频移现象减轻，卡西尼号得以与惠更斯号联系。

2003年12月，卡西尼号对土星开展系统性探测。2004年6月11日，卡西尼号以2068千米的距离飞掠了土卫九，土卫九被认为可能是一个被捕获的半人马小行星，在通过观测土卫九的质量和体积后，土卫九的平均密度仅比水大百分之60，这说明土卫九是冰和岩石的多孔混合物。比土卫六内的冰态卫星密度大，进一步说明了土卫九是被土星捕获的。

6月30日午夜，卡西尼号将它自身调转过来，把高增益天线作为防尘罩，随即，遥测信号被切断，它以22千米每秒的速度穿越了G环和F环的间隙。

为了保持与地球的下行链路，卡西尼号没有在最佳位置开始点火，而是在此之前30分钟，这还可以以特别有利的几何构型近距离观测土星环，这在主任务中是不存在的。1时12分，发动机点火，随后在2时28分来到离土星云层上线19800千米的最近点，最终探测器减速622千米每秒，进入倾角16.8°的大椭圆轨道。

在来到远共点后，8月23日卡西尼号进行了一次速度增量393米每秒的点火，把近拱点抬升至300000千米。

入轨探测

首先值得关注的是惠更斯号的着陆任务，在开展最后的检查后，12月16日，一次点火把卡西尼号送入了与土卫六相撞的轨道，12月25日，惠更斯号分离，并以7.5圈每分钟的频率旋转。12月28日，卡西尼号偏置点火，这让卡西尼号不会落入土卫六大气中，而是在惠更斯号进入大气时同时经过土卫六上方。

在2005年1月15日9时05分，惠更斯号距离土卫六地面1270千米，这作为进入土卫六大气的标记，此时飞行速度为6022米每秒。本来卡西尼号希望拍摄惠更斯号进入大气时的火球，可为了保持信号联系并没有实现，地面望远镜也没有拍到过于微弱的火球。过了约4.5分钟，惠更斯号的速度降到约400米每秒。在高度为155千米时，直径2.59米的引导伞打开，拉开了直径8.3米的主伞，随后丢弃了热防护罩。在周围气流平稳后，惠更斯号开始探测，并开始与卡西尼号联系。气相色谱仪开始采集数据，拍下照片，又用气溶胶热解器采集样品。

为了加快下落速度，惠更斯号丢弃了主伞，并换成直径3.03米的降落伞以在电池耗尽前到达土卫六表面。这时出现一个奇怪的问题，惠更斯号在下降中逐渐停止自旋，最后竟然以10圈每分钟的速度反向自旋。惠更斯号继续拍下图像，周围都是看不清的雾。雷达高度计同时作为气象雷达使用，但并未发现任何带雨水的云。

11时12分，卡西尼号以60003千米的高度飞掠土卫六。而惠更斯号则在离地表700米的高度打开了探照灯，最后在11时38分以4.54米每秒的垂直速度着陆在土卫六表面。

虽然比较期待能看到土卫六上的甲烷海，但惠更斯号恰好着陆在陆地上，全景相机中也没有发现甲烷海的踪迹，因此为溅落而设计的仪器的数据不是那么有意义。惠更斯号在土卫六上探测到了氰、苯和CO2。

看似顺利的任务却出现了一个尴尬的故障，上行序列中漏掉了接通卡西尼号遥测A通道超稳振荡器指令，导致A通道的所有数据丢失且无法恢复。在任务完成后的调查中发现，因为美国政府的《国际武器贸易条例》，使得美国与欧洲的科学家缺乏协调，没有及时发现问题。

其次值得关注的是土卫六探测，卡西尼号在整个任务中飞掠土卫六共127次，为了保证探测器安全，卡西尼号的飞掠最近点根据季节变化在950千米和1050千米之间变化。在飞掠期间，卡西尼号多次对土卫六展开雷达成像。

土卫二的间歇泉也同样值得关注。2005年7月14日，卡西尼号飞掠土卫二，它的质谱仪指向前方，神奇的是，它检测到了一个来自水分子的强烈信号，经过探测水分子的分布情况，所有的结果都显示出一个类似于彗星的过程，这次交会为土卫二存在间歇泉提供了一个有力的证据。

12月26日，卡西尼号向土卫二的背光面成像，发现了土卫二羽流存在的直接证据。

此后，卡西尼号近距离飞掠土卫二，最近的距离甚至达到了25千米，也成功穿梭了羽流。

最后的旗舰

在卡西尼号主任务结束后，卡西尼号仍处于良好的工作状态，剩余大量的推进剂，因此开展了扩展任务——春分任务。

春分任务结束后，卡西尼号仍有余力进行探测，于是开展第二次扩展任务——夏至任务，但卡西尼号不得撞击土卫六和土卫二。

2017年9月11日，卡西尼号以87000千米的高度最后飞掠一次土卫六，随后进入了再入土星大气层的轨道。

“现在，卡西尼号还要挑战一场勇敢者的游戏”

“卡西尼的终章是一场全新的旅程”

“在它轨道的尽头，卡西尼将投入于土星的最后较量，艰难的保持把天线指向地球，以此来传递最后的告别”

“土星的天空，是旅途的终点”

“卡西尼号将融入它最终的归宿——土星”

——卡西尼号之终章

2017年9月15日，任务结束