[科普中国]-超期服役十年 卡西尼号今坠毁

卡西尼号即将受控坠入土星大气，据美国宇航局最新消息，在美国东部时间9月15日上午4时55分，地球与卡西尼探测器的联系将中断，这就是意味着这艘价值近33亿美元的探测器彻底告别我们，坠入土星上层大气。

图1.卡西尼探测器自拍照，注意图中土星的六边形气旋

撞击土星上层大气位置大约在土星北纬10度附近，高度距离土星上层大气云顶1915公里，速度为每小时11万公里，大约为每秒30公里。据美国宇航局的推演，卡西尼号第一次接触土星上层大气时，调姿推进器还会在短时间内工作，并将探测器的蝶形天线对准地球方向，目的是获得土星大气的宝贵数据。

毕竟这是一次死亡之旅，多少年来才有一次，就像LCROSS探测器撞击月球那样，NASA在扬尘中发现了水。而这一次，卡西尼号也会带给我们意想不到的惊喜。就像那句话，死亡并不可怕，那些对社会有贡献的遗产才是人们敬仰你的原因。

当卡西尼号与地球联系中断后，其生存时间只有30秒左右，高度从土星云顶上方1915公里下降至1500公里。随着大气逐渐稠密，卡西尼号开始解体，毕竟这不是一个符合空气动力学的玩意，在宇宙真空环境中运行也根本不需要流体外形设计。只要几分钟，卡西尼号将变成一颗流星，在土星大气中完全烧毁。

图2.卡西尼号的死亡轨道

名副其实的“旗舰”

土星作为太阳系中外侧轨道的气态行星，远日点10个天文单位，相当于15亿公里。地球和太阳之间的距离为1个天文单位，由此看出，土星距离我们也挺远的，无线电信号传输需要80多分钟。也就是说，卡西尼探测器在坠入土星大气之时，在80多分钟之后我们才知道。

确切地说，是美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线。这也是宇宙神奇的地方，所有的故事都发生在过去，由于光速恒定，加之宇宙空间的浩渺，电磁波的传播也需要时间。我们所看到的所有光其实都来自过去，只不过我们感觉不到罢了。宇宙如此之庞大，而我们也只能从探索自己的恒星系统开始，美国宇航局为此制定了一系列覆盖整个太阳系的探索计划，并设置了旗舰级的项目。

图3.美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线

旗舰级项目是相对而言，相对于那些中低端项目，旗舰级项目定位是最高的。

首先，探测器的造价最高，普遍在20亿至30亿美元，这个造价相当一艘辽宁号这样的中重型航母，比一般的探测器几亿美元造价要高得多。

其次，探测器的功能全面，可解决一个方向上的重大问题。比如卡西尼号就是，搭载了18台各种科学仪器，并且携带了惠更斯号着陆器，对土卫六泰坦进行登陆考察。

第三，运行时间长，卡西尼从1997年发射，2004年进入土星轨道，2008年全部完全任务，然后开始超期服役。直到今天，已经超期服役近10年，期间两次延长任务期。超期服役让NASA也比较尴尬，因为地面控制中心要经费才能维持，深空通信网络运营也要钱，机遇号就是因为超期服役太久，差点让NASA安排安乐死。

从1970年代以来，美国宇航局再有钱，也无法维持多个旗舰任务，比如1977年发射的旅行者系列就是旗舰任务，至今还没挂，还在烧钱，从两个方向上飞出太阳系，距地110亿公里以上。还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动，旨在寻找火星生命，现在还在火星赤道以南的盖尔撞击坑附近考察。

图4.还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动 ，旨在寻找火星生命

飞出太阳系有诀窍

土星作为中外侧轨道的行星，要想对其进行探索，只有太阳能电池板肯定是不行的。这里的光照效率较低，一般都需要核动力驱动。但核动力也不是万能的，放射性同位素热电机最大输出也才300多瓦，靠这点动力想飞到土星是不可能的。

因此，在深空飞行的轨道设计中，**利用行星引力加速才是飞出太阳系的诀窍。**旅行者系列成功开启了行星引力弹弓加速的序幕，卡西尼探测器也使用了引力弹弓加速。首先，卡西尼号虽然目标土星，但是它要先往金星方向飞，利用两次飞掠金星进行加速，然后再飞掠地球和木星，利用后者引力进一步加速，前往土星。

就在飞掠地球时出现了一个插曲，由于卡西尼号使用钚-238作为核燃料，因此飞掠地球其实是有危险的，如果卡西尼号突然发生故障并且撞上地球，那么33公斤的钚-238核燃料就会散布到大气层中。美国宇航局还为此进行了一次关于卡西尼号偏离轨道后钚-238对地球的影响，评估认为至少5000人可能因此丧命，间接影响人群数量最高可达50万人。

图5.卡西尼号使用钚-238作为核燃料

美航天专家称，幸好没有撞上地球，虽然发生这样事件的概率不到百万分之一，但从概率学的角度看，还是存在发生的可能性，既然有可能发生，就要做好最坏的打算。而且还有那个神奇的墨菲定律，越担心的事，越有可能发生，只要它存在发生的可能性。

1978年，苏联核动力卫星宇宙954坠毁加拿大，美加用了10个月时间在长800公里、宽50公里的区域内找到3000多个放射性碎片，对地面造了一定的放射性污染。随着深空核动力装置的普及，探测器制造的费用也增加，但随之带来的高效模式让后期探索变得更加从容，毕竟用了核动力之后根本不需要担心电力不足的问题，也只有这样才能飞出太阳系，至少目前看是如此。

目前旅行者系列两艘探测器已经在太阳系边缘，1号已经飞出太阳系，2号在未来数年内飞出，从两个不同方向上离开太阳系。

图6.核动力卫星

未来的旗舰项目

在2018年至2020年，美国宇航局计划打造新一代火星车，旨在对火星的宜居性进行全面评估，并且建立技术示范。从机遇号、勇气号开始，经过好奇号的进一步强化，美国宇航局对火星的了解逐渐加深，新一代火星车有望掘地三尺发现火星生命。

2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目，在木星的一颗卫星上大动干戈确实有点大手笔，但考虑到木卫二的全球性冰下海洋，就不那么吝啬了。

图7.2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目

该探测器还会释放一个着陆器，具备钻探能力，这里有望发现首个地外生命，其意义必然不亚于阿波罗登月。如果我们发现首个地外生命，对人类而言是个不小的撼动，正如异形契约中所言，我们到底来自哪里？