卡西尼号的终章方案

晚上和同事看过卡西尼号华彩终章（Grand Finale）的直播，这架已在土星系统中飞行了13年的探测器终于走向了终结。犹记2004年夏天某日的中午，守在计算机前观看卡西尼号入轨、听得任务控制小组一片欢呼的场景。这些事情仿佛就发生在昨天，让人不得不感叹时光飞逝，犹如白驹过隙。艺术家笔下冲入土星大气、走向终点的卡西尼号土星探测器。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）去年11月底，卡西尼号在完成第125次土卫六飞掠后，完成了入轨以来的最后一次主发动机点火，开始进入光环飞掠轨道，为今年4月华彩终章的正式开启做准备。在之前的常规任务中，探测器的轨道设计都相对保守，一切以安全为要，并不会将卡西尼带到距离土星或者主要光环过近的区域。但光环飞掠轨道会从1000千米之外近距离穿越土星的F环，给近距离考察光环结构、组分和体量带来了独到的机会。卡西尼号执行夏至扩展任务期间的轨道（蓝色）与去年11月底到今年4月初的光环飞掠轨道（茶色）的对比。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）始于今年4月的华彩终章更是卡西尼号的拼死一搏。期间探测器以高增益通信天线充当防护罩，从土星光环最内缘与行星之间宽度2000多千米的缝隙中通过。考虑缝隙中可能存在的行星际颗粒，这无疑是高风险举动，也只有在任务即将完成之时才能放胆尝试。光环飞掠轨道（茶色）与华彩终章轨道（蓝色）的对比。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）卡西尼号像现在这样经由短周期终章轨道撞向土星从而结束使命，只是早年拟定的可能命运之一。早在2008年，探测器刚刚完成为期4年的预定任务后，NASA的工程师就设计了多种终章方案。单是撞击土星，就还有长周期轨道待选。此外更有撞击土星的冰态卫星、光环撞击、在土卫六/土卫九外围的稳定轨道上安家、脱离环绕土星的轨道进入日心轨道/环绕其他气体巨行星运行/前往半人马型小行星，等等。最终作出决定的依据是每个方案的实现难易程度、所需时间、可能的科研产出，还有最终的后果。像冰态卫星和土星光环的撞击无论从操作难度还是完成时间来说都相当不错——整个过程可以从任意时间和地点开始，只需花费最短半个月、最长三个月的时间，而且都能获取相应目标的一些近距离考察数据。但它们的善后工作都比较棘手，因为卡西尼号带有放射性同位素电机，可能会污染冰态卫星地下海洋中可能的生命形态；光环颗粒的破坏力又不能确保探测器能够最终解体，不致于改变土星周边的环境。所以这两个方案只好被废弃。让卡西尼号脱离土星引力束缚的操作就要麻烦很多了。前往日心轨道以及人马族小行星还好说一些，好歹前者不太要求最终的轨道倾角；后者目标数量庞大、任君选择。如果要前往其他巨行星的话，探测器环绕土星运行的起始轨道构型就要慎重挑选了。但这一类方案都有执行时间过长的通病，单纯离开土星就需要一两年，抵达目标更是可能花费数十年之久；但预期能够取得的科学成果又少得可怜（就算卡西尼号能够抵达其他气体行星后，因为种种原因，能够顺利撞击星球表面已经算是不错了，开展系统性的考察几乎是不可能的），于是都称不上合宜。那么进入环绕土星的远距离轨道怎么样？其实这种构想也不是那么容易实现。首先它对变轨前探测器的轨道性质有着极为严苛的要求；其次是变轨时间长得有些反直觉——如果要让卡西尼号抵达土卫九的外围，耗时甚至长达8年；更且变轨所需的速度改变量是所有方案中最大的，相应的燃料消耗相当可观。而这样一番折腾下来，探测器最终距离土星及其光环系统过远，又难以保证科学观测的有效开展，故而也非理想选择。最后只剩下让探测器撞击土星、彻底解体一条路了。若选择长周期撞击轨道，抛开变轨机动的难度不说，也不会有近距离考察行星光环内侧的机会，倒是会白白浪费长达3年的任务时间而一无所获。这样看来，短周期撞击轨道虽然实行起来较土卫撞击方案稍难稍繁，但却能让卡西尼号采集最多的科学数据，同时也在最大程度上抑制不良后果的发生，最终中选。事实证明，探测器最终选择的冒险举动并没有辜负任务小组的期待。在不到半年的时间里，第一次描绘出了土星光环内侧未知地带的模样，采集了土星高层大气中的样本，记录下了土星的磁场，并籍由自身的速度变化勾勒出了土星周边的引力环境。缝隙中的粒子数量较预期少得多，远远不如土星光环附近，所以也为今天卡西尼号华彩终章的圆满完成创造了条件。不知在此之后，来自地球的探测器何时能够重返这颗光环星球？土星光环中的粒子环境（左侧）与光环和行星之间的粒子环境（右侧）的比较，后者的尘埃数量要少得多。（图片提供：NASA/JPL-Caltech/University of Iowa）最后不得不说的是，果壳网的某某某和某某某，你们的直播水平还敢再业余一点吗？！不指望你们能像NASA那样全员统一着装、女员工还统一首饰，但这次你们两位守着一只售价39.9大洋的木头人和一堆莫名其妙的业余望远镜，油光满面地东拉西扯侃大山，又算几个意思？（嗯，说来本人的那位同事在看过果壳直播不到10分钟之后，就忍无可忍地切换到NASA电视台去了……）内容来自 Bo Zhang's Homepage

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