[科普中國]-超期服役十年 卡西尼號今墜毀

卡西尼號即將受控墜入土星大氣，據(jù)美國宇航局最新消息，在美國東部時(shí)間9月15日上午4時(shí)55分，地球與卡西尼探測器的聯(lián)系將中斷，這就是意味著這艘價(jià)值近33億美元的探測器徹底告別我們，墜入土星上層大氣。

圖1.卡西尼探測器自拍照，注意圖中土星的六邊形氣旋

撞擊土星上層大氣位置大約在土星北緯10度附近，高度距離土星上層大氣云頂1915公里，速度為每小時(shí)11萬公里，大約為每秒30公里。據(jù)美國宇航局的推演，卡西尼號第一次接觸土星上層大氣時(shí)，調(diào)姿推進(jìn)器還會(huì)在短時(shí)間內(nèi)工作，并將探測器的蝶形天線對準(zhǔn)地球方向，目的是獲得土星大氣的寶貴數(shù)據(jù)。

畢竟這是一次死亡之旅，多少年來才有一次，就像LCROSS探測器撞擊月球那樣，NASA在揚(yáng)塵中發(fā)現(xiàn)了水。而這一次，卡西尼號也會(huì)帶給我們意想不到的驚喜。就像那句話，死亡并不可怕，那些對社會(huì)有貢獻(xiàn)的遺產(chǎn)才是人們敬仰你的原因。

當(dāng)卡西尼號與地球聯(lián)系中斷后，其生存時(shí)間只有30秒左右，高度從土星云頂上方1915公里下降至1500公里。隨著大氣逐漸稠密，卡西尼號開始解體，畢竟這不是一個(gè)符合空氣動(dòng)力學(xué)的玩意，在宇宙真空環(huán)境中運(yùn)行也根本不需要流體外形設(shè)計(jì)。只要幾分鐘，卡西尼號將變成一顆流星，在土星大氣中完全燒毀。

圖2.卡西尼號的死亡軌道

名副其實(shí)的“旗艦”

土星作為太陽系中外側(cè)軌道的氣態(tài)行星，遠(yuǎn)日點(diǎn)10個(gè)天文單位，相當(dāng)于15億公里。地球和太陽之間的距離為1個(gè)天文單位，由此看出，土星距離我們也挺遠(yuǎn)的，無線電信號傳輸需要80多分鐘。也就是說，卡西尼探測器在墜入土星大氣之時(shí)，在80多分鐘之后我們才知道。

確切地說，是美國宇航局在澳大利亞堪培拉安裝的深空網(wǎng)絡(luò)天線。這也是宇宙神奇的地方，所有的故事都發(fā)生在過去，由于光速恒定，加之宇宙空間的浩渺，電磁波的傳播也需要時(shí)間。我們所看到的所有光其實(shí)都來自過去，只不過我們感覺不到罷了。宇宙如此之龐大，而我們也只能從探索自己的恒星系統(tǒng)開始，美國宇航局為此制定了一系列覆蓋整個(gè)太陽系的探索計(jì)劃，并設(shè)置了旗艦級的項(xiàng)目。

圖3.美國宇航局在澳大利亞堪培拉安裝的深空網(wǎng)絡(luò)天線

旗艦級項(xiàng)目是相對而言，相對于那些中低端項(xiàng)目，旗艦級項(xiàng)目定位是最高的。

首先，探測器的造價(jià)最高，普遍在20億至30億美元，這個(gè)造價(jià)相當(dāng)一艘遼寧號這樣的中重型航母，比一般的探測器幾億美元造價(jià)要高得多。

其次，探測器的功能全面，可解決一個(gè)方向上的重大問題。比如卡西尼號就是，搭載了18臺(tái)各種科學(xué)儀器，并且攜帶了惠更斯號著陸器，對土衛(wèi)六泰坦進(jìn)行登陸考察。

第三，運(yùn)行時(shí)間長，卡西尼從1997年發(fā)射，2004年進(jìn)入土星軌道，2008年全部完全任務(wù)，然后開始超期服役。直到今天，已經(jīng)超期服役近10年，期間兩次延長任務(wù)期。超期服役讓NASA也比較尷尬，因?yàn)榈孛婵刂浦行囊?jīng)費(fèi)才能維持，深空通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營也要錢，機(jī)遇號就是因?yàn)槌诜厶?，差點(diǎn)讓NASA安排安樂死。

從1970年代以來，美國宇航局再有錢，也無法維持多個(gè)旗艦任務(wù)，比如1977年發(fā)射的旅行者系列就是旗艦任務(wù)，至今還沒掛，還在燒錢，從兩個(gè)方向上飛出太陽系，距地110億公里以上。還在運(yùn)行的最新旗艦任務(wù)就是好奇號火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，造價(jià)25億美元，核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，旨在尋找火星生命，現(xiàn)在還在火星赤道以南的蓋爾撞擊坑附近考察。

圖4.還在運(yùn)行的最新旗艦任務(wù)就是好奇號火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，造價(jià)25億美元，核動(dòng)力驅(qū)動(dòng) ，旨在尋找火星生命

飛出太陽系有訣竅

土星作為中外側(cè)軌道的行星，要想對其進(jìn)行探索，只有太陽能電池板肯定是不行的。這里的光照效率較低，一般都需要核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。但核動(dòng)力也不是萬能的，放射性同位素?zé)犭姍C(jī)最大輸出也才300多瓦，靠這點(diǎn)動(dòng)力想飛到土星是不可能的。

因此，在深空飛行的軌道設(shè)計(jì)中，**利用行星引力加速才是飛出太陽系的訣竅。**旅行者系列成功開啟了行星引力彈弓加速的序幕，卡西尼探測器也使用了引力彈弓加速。首先，卡西尼號雖然目標(biāo)土星，但是它要先往金星方向飛，利用兩次飛掠金星進(jìn)行加速，然后再飛掠地球和木星，利用后者引力進(jìn)一步加速，前往土星。

就在飛掠地球時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)插曲，由于卡西尼號使用钚-238作為核燃料，因此飛掠地球其實(shí)是有危險(xiǎn)的，如果卡西尼號突然發(fā)生故障并且撞上地球，那么33公斤的钚-238核燃料就會(huì)散布到大氣層中。美國宇航局還為此進(jìn)行了一次關(guān)于卡西尼號偏離軌道后钚-238對地球的影響，評估認(rèn)為至少5000人可能因此喪命，間接影響人群數(shù)量最高可達(dá)50萬人。

圖5.卡西尼號使用钚-238作為核燃料

美航天專家稱，幸好沒有撞上地球，雖然發(fā)生這樣事件的概率不到百萬分之一，但從概率學(xué)的角度看，還是存在發(fā)生的可能性，既然有可能發(fā)生，就要做好最壞的打算。而且還有那個(gè)神奇的墨菲定律，越擔(dān)心的事，越有可能發(fā)生，只要它存在發(fā)生的可能性。

1978年，蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星宇宙954墜毀加拿大，美加用了10個(gè)月時(shí)間在長800公里、寬50公里的區(qū)域內(nèi)找到3000多個(gè)放射性碎片，對地面造了一定的放射性污染。隨著深空核動(dòng)力裝置的普及，探測器制造的費(fèi)用也增加，但隨之帶來的高效模式讓后期探索變得更加從容，畢竟用了核動(dòng)力之后根本不需要擔(dān)心電力不足的問題，也只有這樣才能飛出太陽系，至少目前看是如此。

目前旅行者系列兩艘探測器已經(jīng)在太陽系邊緣，1號已經(jīng)飛出太陽系，2號在未來數(shù)年內(nèi)飛出，從兩個(gè)不同方向上離開太陽系。

圖6.核動(dòng)力衛(wèi)星

未來的旗艦項(xiàng)目

在2018年至2020年，美國宇航局計(jì)劃打造新一代火星車，旨在對火星的宜居性進(jìn)行全面評估，并且建立技術(shù)示范。從機(jī)遇號、勇氣號開始，經(jīng)過好奇號的進(jìn)一步強(qiáng)化，美國宇航局對火星的了解逐漸加深，新一代火星車有望掘地三尺發(fā)現(xiàn)火星生命。

2022年，木衛(wèi)二的飛掠任務(wù)也是一個(gè)旗艦級項(xiàng)目，在木星的一顆衛(wèi)星上大動(dòng)干戈確實(shí)有點(diǎn)大手筆，但考慮到木衛(wèi)二的全球性冰下海洋，就不那么吝嗇了。

圖7.2022年，木衛(wèi)二的飛掠任務(wù)也是一個(gè)旗艦級項(xiàng)目

該探測器還會(huì)釋放一個(gè)著陸器，具備鉆探能力，這里有望發(fā)現(xiàn)首個(gè)地外生命，其意義必然不亞于阿波羅登月。如果我們發(fā)現(xiàn)首個(gè)地外生命，對人類而言是個(gè)不小的撼動(dòng)，正如異形契約中所言，我們到底來自哪里？