卡西尼-惠更斯-20年研究的结局

9月20日，莫斯科时间14:54（世界标准时间11:54）， 卡西尼号 20年任务-卡西尼-惠更斯自动行星际站的轨道“一半”（惠更斯着陆探测任务于2005年1月14日完成，没有一个月就完成了）降落在泰坦上一小时后）。 这是继先驱者11号和两个旅行者之后的第四次土星飞行任务，也是该装置进入其轨道的唯一任务。 土星系统的下一个任务应该在2029年之前进行 。

在执行任务期间，该设备在土星周围进行了293次旋转，其中在卫星附近进行了162次通行，并打开了7枚新卫星，将635 GB科学数据的453,048张照片发送到地球，并成为3,948张科学出版物的来源。 他在土卫二上发现了海洋，并在泰坦上发现了海洋，三大洋和数百个小湖。 来自27个国家/地区的约5,000人参加了该项目，总成本为39亿美元，最初的份额分配为：美国NASA机构26亿美元，欧洲ESA 5亿美元，欧洲ESA 1.6亿美元。意大利ASI。

卡西尼设计

卡西尼－惠更斯仪器在测试过程中。 前景中的橙色圆形部分是惠更斯降落在土卫六上，白色部分是4米长的卡西尼号天线/雷达


该探测器以乔瓦诺·卡西尼 （ Giovanno Cassini）的名字命名（他发现了土星的第二至第五颗卫星），高度高达6.8 m，宽度达4 m，干重为2150 kg（这是继一对苏联之后第三大行星际探测器“ Phobos” ）。 土星仅能到达地球轨道上提供给我们的太阳能的1.1％，因此该探测器以3 枚与设备本身大小相同的RTG为食-它们含有32.7千克p 238（比以前高3.6倍）一开始是两个旅行者，比好奇号高 6.8倍，可能是目前NASA可获得的最多most： 1、2 ）。 该设备具有1630个独立的电子组件和22,000条电线连接，电缆总长度为14 km，并由复制的16位1750A计算机（另一台受控的Titan IV发射飞行器将其发射到轨道上）控制。 科学设备包括12种仪器，这些仪器分为三类，分别设计用于27个单独的科学研究：

光学距离传感器：

1）复合红外光谱仪，包括3个范围的摄像机（ CIRS ）； 2）可见范围的广角和窄角（直径33厘米）相机，带有一组用于不同颜色和CCD的多个滤镜，分辨率为1024x1024像素。 （ ISS ）; 3）紫外光谱仪，包括4台望远镜（ UVIS ）； 4）可见和红外范围的映射光谱仪，将可见光划分为352个光谱区域（ VIMS ）；

磁场和带电粒子传感器：

5）等离子体光谱仪（ CAPS ）； 6）分析从微米到纳米（ CDA ）的宇宙尘埃固定颗粒的分析仪； 7）离子和中性粒子质谱仪（ INMS ）； 8）磁力计放置在11米长的介电臂上，旨在减少设备的设备对该传感器（ MAG ）的影响； 9）磁层可视化工具，由位于不同平面（ MIMI ）的三个离子和带电粒子传感器组成； 10）具有三个不同频率的接收机（ RPWS ）的无线电波和等离子体波检测器；

无线电波传感器：

11）设计用于测绘土星卫星的4米直径雷达（ Radar ）； 12）科学无线电子系统，包括使用4米主天线通过无线电波清除（ RSS ）观测土星，其环和卫星。 土星有一种信号延迟68-84分钟的方法。

注意：可通过链接获得每种工具的3D模型及其在设备上的位置示意图。

穿越荆棘到达土星

轨道和着陆探测器的重量太大，无法直接发射到土星（使用350千克的惠更斯装置，该装置的总重量为2.5吨）-即使考虑到卡西尼-惠更斯飞行的Titan IV的使用效率要高出40％比旅行者号飞行的泰坦IIIE还要重。 因此，这些车辆不得不在太阳系中徘徊很长时间，通过重力动作来加速与土星的相遇：1997年10月15日启动后，一辆5.7吨的两辆载有2978千克燃料的车辆与金星相遇。 在1998年4月26日和1999年6月24日进行了2次重力运动（它们分别仅飞离地球234和600公里），然后在1999年8月18日短暂回到了地球（距我们1171公里）。已经去了木星。


该装置的窄角相机在近紫外线下从约37.7万公里的距离和80μs的快门速度拍摄的月球照片。

该设备穿过小行星带，于1月23日与小行星Mazursky碰面：不幸的是，该距离为160万公里，小行星本身的大小仅为15x20公里，因此照片小于10乘10像素。 2000年12月30日，卡西尼·惠更斯会见了木星和他的同伴伽利略 ，后者的任务已经接近尾声（大约14年前，他以卡西尼即将执行的同样无私的壮举完成了任务）。 第四次重力操纵最终使这两个装置具有足够的速度来与土星在2004年7月1日相遇，当时土星已经行驶了34亿公里。

为了不浪费时间，任务小组使用了设备的无线电天线来阐明Shapiro效应 （降低无线电信号在重物的重力场中移动时的传播速度）。 可以将测量精度从以前的维京人和旅行者的1/1000结果提高到1/51000。 2003年10月10日发表的结果与广义相对论的预言完全吻合。


该图清楚地显示了与行星相遇的峰值（此后航天器的速度增加），在木星附近有一个小扭结的长时间下降（当航天器向土星飞行，逐渐将动能交换为势能，脱离了太阳的引力井）以及一系列末尾（当设备进入土星轨道并开始在其轨道中旋转时）。

期待已久的会议和主要任务

2004年5月27日，卡西尼号自1998年12月以来首次开启其主机，以给该装置提供34.7 m / s的脉冲，这是纠正这一轨迹所必需的，它于2068年6月11日离开了距离土星很遥远的卫星菲比 2068公里。据说是在柯伊伯带形成的，后来被土星的引力吸引住了。 由于卫星的轨道半径很大（平均约1250万公里），这是卡西尼号与卫星的唯一相遇。

7月1日，该装置的主引擎再次开启（已经进行了96分钟），以降低626 m / s的速度进入土星轨道。 当天， 帕林纳（Pallina ）发现并重新发现了梅丰（Mephon） ，这是在旅行者2号的一幅影像中发现的，但是由于不在另一幅影像中被发现，因此无法确定天体的轨道，并在25年内将其定为S / 1981 S 14.第二天，卡西尼号飞越了土卫六 ，10月24日，又发现了另一颗卫星（ Polydevk ），12月24日，惠更斯着陆探测器落下。

2005年1月14日，卡西尼号作为着陆探测器的中继器（将在下面进行讨论），第二天，该装置尽可能靠近土卫六，并使用其雷达在其表面发现了一个440公里的陨石坑。 5月6日，发现了Daphnis卫星，该卫星生活在Keeler缝隙的边缘：



在42公里差距的边缘，发现了由Daphnis的引力非常弱（其重量仅为770亿吨，产生的引力比地球低25-100千倍）引起的波浪：



土星的赤道及其环的平面相对于黄道倾斜27°，因此我们既可以观察土星的两极，也可以从上下两边观察其环。 但是，由于它们是从很大的角度和远距离（1.2-16.6亿公里，取决于地球和土星的相对位置）观察到的，因此根本看不到那里的任何东西，因此，可以说，土星的六边形仅被发现飞越旅行者。



土星的自然色照片，由2007年1月19日拍摄的36张卡西尼号照片和三种滤镜（红色，绿色和蓝色）组成。 镜头的快门速度基于戒指暗区的可见性，因此，土星的表面被证明曝光过度。

在2005年，发现每秒有约250公斤的水蒸气以高达600 m / s的速度每秒流经土卫二的间歇泉。 2006年，科学家们能够确定倒数第二个和最宽的E环到底是什么材料。



2006年7月22日，该装置飞越泰坦北部纬度，并在该装置制作的雷达地图上首次发现了暗区，表明甲烷湖位于这些表面上。 在设备制造的这颗卫星的127个跨度中，详细研究了其表面的许多部分，其中一些显示出动态变化。 其中包括Ligeya Sea ，其尺寸为420x350 km，平均深度约为50 m，最大深度超过200 m（雷达记录的最大深度）：



此类测量的最可能原因是波浪，表面下方或上方的固体，或大部分液体中的气泡（这会影响表面的反射率）。

2007年5月30日，发现了2公里的安法卫星，9月10日，该设备距离Iapetus仅1600公里，但是当图像传输到该设备的计算机时，一股宇宙射线击中了它，从而使其进入了安全模式。 幸运的是，没有图像丢失。 在活动开始前不久， 亚瑟·克拉克 （ Arthur Clark）对活动进行了视频祝贺（根据他最著名的小说之一： “ 2001：太空漫游” ，在伊帕特斯的表面上有一块巨石）。


Iapetus地图，每像素分辨率为400 m（原始5 MB）：



该卫星约40％的表面被黑暗区域占据，其反射率比明亮区域小10倍。 现在，这种巨大差异的根源是灰尘和冰分离的效果，当冰从黑暗区域蒸发并在光中沉淀时，光区域变得更亮，黑暗区域变得更暗。 其余卫星“正常”运行的原因是它们的白天持续时间较短，在此期间，地面没有足够的时间进行足够的预热。

扩展和卡西尼号春分任务

2008年7月1日，卡西尼号开始了为期27个月的任务，其中包括进行21次泰坦飞行，8次特菲伊飞行，7次土卫二，6次米马斯飞行以及一次狄奥娜，丽亚和埃琳娜飞行。

2008年8月15日，发现了Egeon ，尽管它是以一个拥有100个手臂和50个头的怪物的名字命名的，但直径几乎为500 m的“卵石”几乎是无害的（太小了，必须根据亮度进行设置，因此准确我们不知道这颗卫星的形状）。 10月9日，卡西尼号完成了他最危险的动作-距土卫二（Enceladus）仅25公里 （时速为17.7公里/秒！）。 为了直接分析间歇泉水蒸气的组成，任务小组采取了这样一个冒险的步骤。

在整个任务中，土卫二的23次飞行过程中（其中10次接近100公里以内），发现海底的pH值为 11-12个单位（不适用于陆地生命形式），但是氮气（4±1％），二氧化碳（3.2±0.6％），甲烷（1.6±0.6％）以及微量的氨，乙炔，氢氰酸和丙烷（这表明在土卫二表面下有机物质的活跃形成。 不幸的是，该仪器不包含用于注册复杂有机物的专用仪器（因为他们甚至无法在任务计划期间猜测找到这样的仪器），因此问题答案“土卫二可能存在生命吗？” 卡西尼号离开了他的追随者。

到2009年7月26日，发现的最后一颗卡西尼号卫星为300米S / 2009 S 1 ，这是由于将36公里的阴影投射到B环的远边缘（轨道所在的B环的边缘）而被检测到的：

第二次扩展和卡西尼号冬至任务

2010年2月，做出了关于延长任务期限的决定，该任务已于9月开始，并应持续到2017年5月，届时将决定该仪器的最终命运。 它包括另外的泰坦飞行54次和土卫二飞行11次。

400 $ 7 ( 4 $) : 2010 ( ). — 30 ( , — 2006 2010 ). 25 2012 , 83°C . , .

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着陆探测器以克里斯蒂安·惠更斯 （ Christian Huygens）的名字命名（他在1655年发现了土卫六，并着陆在其上），该探测器直径318米，直径2.7米，配有6套仪器：

1）设计用于通过多普勒效应测量风速的恒定频率发射机（多普勒风实验-DWE）；
2）测量大气密度，压力和电阻的大气物理特性传感器，以及沿所有三个轴的加速度传感器，可以与以前的设备一起建立大气密度（惠更斯大气结构仪-HASI）；
3）可见光谱和红外光谱的摄像机，同时获得涉及测量设备当前高度（下降成像仪/光谱辐射计-DISR）的光谱和照明的图像；
4）气溶胶颗粒热解器对从两个不同高度采集的样品进行加热，并将其重定向到下一个设备（气溶胶收集器和热解器-ACP）；
5）气相色谱-质谱仪，其测量钛气氛中各个成分的组成和浓度，并且在最后阶段-还通过加热器蒸发的表土（气相色谱质谱仪-GCMS）；
6）一套用于测量表面性质的仪器，包括一个声学传感器，该传感器根据表面反射的声音的性质来测量下降后最后100 m的大气密度/温度（Surface-Science Package-SSP）。



惠更斯号于2004年12月24日与卡西尼号分离，并于1月14日到达泰坦大气层。 在大气中下降需要2小时27分钟，在此期间，设备及其三个降落伞的热保护依次生效，着陆后，它又从地面传输了数据72分钟（直到充当信号中继器的卡西尼号探测器超出了视野）。


惠更斯探索国际合作

惠更斯的十大发现 ：

1）在测量从1400 km高度到地面的大气成分时，发现500 km以上的大气层比预期的要温暖和密集，此处的平均温度为-100°C，在高处下降10-20°C在250 km，温度达到-87°C的峰值（略高于地球的最低温度），然后在44 km的高度下降到-203°C。 表面温度为1.47个大气压，温度略高（-180°C）。

2）120 km高度的西风达到430 km / h，在60 km高度时该装置陷入强烈的湍流，此后风速开始稳定地从108 km / h减小55 km，降至30 km高度的36 km / h时速20公里时为14公里/小时。 在7 km的高度，风向发生变化，然后只有1-3.5 km / h的微风作用在探头上。 在下降期间，车辆从起始点拆除了165.8公里。

3）阳光应该在数千万年内销毁大气中的甲烷，科学家对它的补充来源很感兴趣。 测量结果表明，在40 km以上的海拔高度，大气是基于氮气的少量甲烷浸渍，然后甲烷浓度开始上升并在7 km的高度达到5％。 这是土卫六上存在冰冷狂的第一个间接证据。 在行星表面，GCMS还发现了痕量更复杂的碳氢化合物，例如乙烷，氰基和苯。

4）在大气中下降时，该设备发现了大气中存在氩36和38以及k和氙。 科学家认为，氮和稀有气体在钛形成过程中会进入大气层，但氩-36 /氮之比却比太阳大气层少百万倍。 这表明氮不是以纯净形式进入钛大气，而是以某些含氮化合物的形式进入。

5）在泰坦大气中，检测到0.05％的放射性氩40浓度，这也间接证明了存在冷媒腐蚀（由于其半衰期为130万年，在整个大气层中应该已经衰变）。

6）隐藏在其表面的土卫六的褐色烟雾被证明是甲烷，乙烷和氰化氢 （一种剧毒物质）的气溶胶。 在所有高度都检测到雾度，在80、30和21 km的高度有明显的浓度，在16和8 km的高度有甲烷云。

7）在130-35 km和25-20 km的高度，采集了两个大气气溶胶样品。 发现它们的主要成分是碳和氮。 随后对地球上气溶胶特性的再现，可以确定在80 km处其碱为氰化氢，在44 km处为乙烷，在8 km处以甲烷为基础。



阳光和土星带电粒子导致氮和甲烷分子的衰变，由于其化学活性，它们会与大气中的其他分子结合，从而形成更复杂的结构，直至聚芳烃 （固定在大气中和表面上）。 较大的分子具有较高的密度，并逐渐集中在大气的较低层中，从而有助于在那里形成更大的分子。

8）最初，该设备应该可以接收700张照片，但是由于设计错误，只收到了一半照片：在飞行过程中已经进行了测试，发现软件错误可能导致卡西尼号丢失传输频率惠更斯信号，应该在着陆期间相对于他移动。 已经不可能重写程序代码，因此对惠更斯的着陆轨迹进行了计数，以便在着陆期间它垂直于卡西尼号移动（以最大程度地降低设备的相对速度）。 为此，惠更斯必须比原计划晚一个月进行重置。

但是，已经着陆的事实已经揭示了另一个不幸：探测器具有两个通信系统，但是由于与照片相关的数据量非常大，因此它们通过两个通道同时传输，没有重复。 由于软件错误，卡西尼号没有收听其中一个频道，因为其中一半照片都丢失了。

但是，只有350张照片（包括3个探测相机和几个立体相机）就足够了：在深达100 m的干燥河流的河道上发现了非常陡峭的坡度，这表明这些地方湍急地流淌。 登陆点是一条河床，上面铺满了直径为10-15厘米的小卵石。



9）科学家对土卫六是否发生雷暴及其性质有兴趣。 因此，在设备上安装了超低频无线电以记录舒曼共振 。 尽管该设备未检测到单个闪电，但传感器记录的信号频率为36 Hz，以及电离层导电层在140至40 km的高度上延伸，峰值在60 km左右。 这表明下部反射层与行星表面（如在地球上）并不重合，但在其表面以下55-80公里处。



伦敦大学学院的多米尼克·福特雷斯 （ Dominic Fortres）根据惠更斯（Huygens）和卡西尼（Cassini）的数据制作的泰坦结构模型。 图中的Ice VI-尽管它在81°C时融化，但与Kurt Vonnegut的9号冰无关，也没有对我们构成威胁，因此即使存在，泰坦尼亚式的生命形式也不必害怕。

10）事实证明，找到探测器的着陆点非常困难，因为尽管惠更斯侧视摄像头可以记录长达450公里的表面细节，但卡西尼号的雷达完全看不到惠更斯摄像头捕获的浮雕特征。 发现这种现象被称为“鬼沙丘”，与不反射无线电信号的碳氢化合物表面沉积有关。 因此，卡西尼号实际上“穿过”了它们，只露出了位于行星表面下方的脏冰层，并且浮雕不太明显。

这使科学家们可以确定，最容易使用的钛沙丘建筑材料是碳氢化合物和/或丁腈颗粒，其水冰含量少，特征尺寸为0.1-0.3毫米（尺寸接近于地面沙 ），其运动源在地表附近风速非常慢的条件下-是盐分化 。

大结局

2017年5月，决定了该装置的命运：在第二次延长飞行任务结束时，它的燃料很少，并且研究了完成该任务的19种可能选择，包括与土星，其主要环或冰卫星的碰撞，从土星轨道到日心的轨道围绕泰坦/菲比（Titan / Phoebe）的轨道或稳定轨道（甚至是与水星碰撞的变体）。 结果，决定将设备送入土星大气层，以保护土星卫星免受可能的生物污染。 为了完成这项任务，该装置于4月22日在泰坦附近进行了一次机动，将其重新定向到土星与其最近的环之间的2,000公里间隙。

从那时起，他在距土星云只有1600-4000公里的距离内进行了21次转弯，不断接近土星的大气层，目前处于第22次转弯。 该设备将在进入大气层前几个小时拍摄最后一张照片，然后将其4米长的天线部署到地球上，并将从其光谱仪传输有关饱和大气成分的数据，直到可以抵抗大气干扰为止。 与他失去联系后不久，它会坍塌并在土星大气层的密集层中燃烧—在距我们14亿公里的蛇夫座星座的某个地方。

参考文献：

“大结局”任务倒计时
设备的交互式3D模型
设备的未处理照片 （395 328件）
该设备按年份（2011-2016年）拍摄的前10 张照片
年度（2005-2016年）的十大科学发现