32.7公斤核燃料與地球擦肩而過：卡西尼的驚險之旅

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共3420字，38圖。預計閱讀時間：25分鐘。

公元2017年9月15日，在茫茫太空飛行了20年的卡西尼-惠更斯探測器一頭扎入土星內部，結束了自己光榮的一生。這顆拍攝了453048張高清照片，向地球傳回了635GB數據的探測器，在飛行了78.86億公里之後，終於在土星的懷抱中尋得了最後的安寧。

上圖為卡西尼拍攝的最後一張可見光照片。

這是卡西尼探測器拍攝的最後一張紅外照片。圖中的橢圓區域就是預計投入土星懷抱的切入點。

小火箭風格：這個點在土星上的具體坐標為

北緯9.4°N，西經53°W。

小火箭在本月給出卡西尼系列文章，來探討卡西尼之名、之行、之功、之命，來回顧她的榮耀和傳奇。

在本系列的第1篇，小火箭將與大家一起探討了一個問題：這個如此重要的土星探測器，為什麼取名為卡西尼？並闡述了卡西尼祖孫四代皆為巴黎天文台台長，都做出了突出貢獻的過往。

本文是小火箭卡西尼系列文章的第2篇。

小火箭將與大家一起回顧卡西尼從出發到進入繞土星軌道的征程。

出發

公元1997年10月15日，協調世界時上午8點43分，攜帶著惠更斯著陸器的卡西尼探測器由大力神4B運載火箭在美國佛羅里達州卡納維拉爾角發射場第40號工位發射升空。

這場推遲多次的發射終於在這一天將卡西尼探測器送上了漫漫征程。

大力神4號運載火箭由兩枚大型固體火箭助推器與兩級使用液體火箭發動機為動力的芯級構成。

這張攝於1997年的珍貴的照片向我們展示了一個事實：用於發射卡西尼探測器的這枚美國大力神4號運載火箭也是用兩台火車頭從總裝測試廠房中拉出來的！

這種配置，有著濃濃的蘇聯味道，而火車頭上白色的美國空軍字樣不禁讓小火箭浮想聯翩。有關美國早期洲際彈道的種種典故，詳見小火箭的公號文章《從美國最早的洲際彈道導彈看項目管理》。

點火後，碩大的USRM固體火箭助推器產生了151.2萬牛的推力。

131秒後，火箭飛到了58.5公里的高空，大力神4B運載火箭的芯一級的2台LR-87發動機點火。這種以50%的肼混合50%的偏二甲肼作為燃料，以四氧化二氮為氧化劑的燃料配方帶有濃郁的洲際彈道導彈的風格。

實際上，大力神運載火箭家族與美國的洲際彈道導彈項目有著千絲萬縷的聯繫，而直到如今，所有的大力神運載火箭依然由美國空軍來管理。

143秒後，兩台固體火箭助推器燃盡分離，此時火箭的飛行高度為68.3公里。323秒後，大力神運載火箭一二級分離。在第二級點火的時候，火箭飛到了167.3公里的高度，早已越過了100公里的卡門線。

隨後，半人馬座上面級接力工作，賦予了卡西尼探測器掙脫地球引力束縛的速度。看上去，這是一次比較常規的發射活動。而實際上，這次發射的報價高得令人咋舌：4.22億美元。

用發射一個卡西尼探測器的錢，差不多可以發射7枚獵鷹9號運載火箭了。沒辦法，卡西尼探測器與惠更斯著陸器的總發射質量達到了驚人的5.712噸，這是NASA（美國宇航局）和ESA（歐空局）有史以來發射的最重的深空探測器，更何況要把這麼重的探測器送到距離太陽足足有9個天文單位之遙的土星。

驚險

為了探索未知，你願意付出多大的代價？又肯經過怎樣漫長的等待？卡西尼探測器或許能夠給我們答案。

雖然大力神4B運載火箭與半人馬座上面級的組合幾乎是1997年人類能夠拿得出手的運載能力最強的航天器了，但是由於卡西尼號實在太重，依然還得需要設計巧妙的軌道來成功實現奔向土星的願望。

這條軌道，需要6次飛掠太陽系中的自然天體，以便充分藉助引力彈弓的效應來節省燃料。

卡西尼探測器分別在1998年4月26日和1999年6月24日兩次飛掠金星。這兩次飛掠的引力彈弓效應確保了卡西尼探測器能夠有足夠的動能來穿越小行星帶。

1999年8月18日，卡西尼探測器先後飛掠月球和地球。這兩次飛掠，可謂驚心動魄。卡西尼探測器到月球的最近距離只有37.7萬公里，已經小於了地球到月球的平均距離。而卡西尼探測器飛掠地球時，到地球的最近距離僅有1171公里！這個距離接近於地球直徑的1/11。

另外，小火箭強調的是，這種行星間的飛行，任務強度非常大，卡西尼飛掠地球的這次擦肩，距離她上一次與金星的親密接觸僅55天！

為什麼叫驚心動魄呢？這就得從卡西尼探測器身上帶著的神秘能量來源說起了。土星到太陽的平均距離為9個天文單位（也就是地球到太陽距離的9倍）。太陽能帆板接收太陽輻射的能量與電池板到太陽距離的平方成反比。

這樣來算的話，環繞土星的探測器如果使用太陽能帆板的話，其產生電能的效率將僅僅是環繞地球的同等規格太陽能帆板的1.23%。而受運載火箭能力的限制（實際上即使運載火箭能力足夠，科學家也更傾向於把更多的重量指標分配給用於觀測土星及其衛星的各種儀器設備），卡西尼探測器不能帶著面積巨大的太陽能帆板。

於是，工程師們打起了核能源的主意。卡西尼探測器上並沒有太陽能帆板。整個卡西尼探測器在將近20年的飛行過程中，幾乎所有的電能都來自於3塊核電池。上圖就是卡西尼的核電池。

這些核電池的核心部件是以二氧化鈈形態存在的足足有32.7公斤重的鈈-238。

鈈-238在不停地進行放射性衰變，這會產生大量的熱，使得鈈核心始終處於紅熱狀態。通過熱電機效應，這樣的熱量能夠轉換為供卡西尼使用的直流電。

實際上，依附在卡西尼探測器上面的惠更斯著陸器在奔向土星的漫漫征程中也同樣依靠卡西尼身上的這些核電池的電力。只有在分離之後，惠更斯才會啟動自身的化學電池系統，這就是後話了。（整個系統有120個核裝置。）

上圖為環境工程師詹米在這些鈈核電池裝在卡西尼探測器上之前，做最後一次輻射測量時的場景。

工程師們正在小心翼翼地為卡西尼探測器安裝核電池。

也就是說，在1999年的8月18日，太空中有32.7公斤的鈈-238以每秒10公里以上的速度在地球上方1171公里的地方與地球擦肩而過。

NASA是做過最壞的打算的。一旦卡西尼探測器這次飛掠的彈道沒能計算正確，或者期間出了其他一些意外，這些鈈就有可能再入地球稠密大氣層。

當時地球總人口是50億人，這些鈈-238如果泄露出來的話，其輻射量換算成罹患癌症的比例，相當於5000人會因此而遭殃。

當然，發生這種悲劇的概率經多方計算，被認定為低於百萬分之一，而且NASA在飛掠彈道這方面，幾乎還沒怎麼失過手，當年如果把鈈-238的事情公布出來反而會引起不必要的恐慌，因此有關1999年那次飛掠地球的引力彈弓沒有引起大家的廣泛注意。

如今，卡西尼探測器已經壽終正寢，此時說起這些倒也無妨了吧。

在1999年在世的，地球上的所有生物，都為了探索未知的事業承擔了一定程度的風險。從這個角度來說，大家都對卡西尼探測器的成功有所貢獻。

2000年1月23日，卡西尼探測器飛掠小行星2685，順便對該小行星拍了一些照片。

2000年12月30日，卡西尼探測器飛掠木星。這次飛掠讓人類得到了十分難得的仔細觀測木星的機會。

卡西尼不負眾望，藉助自身強大的探測設備，在飛掠過程中，對木星拍攝了2.6萬張照片。其中，一些高解析度照片是當時人類能夠獲得的有關木星的最為清晰的照片。（3年後，在2003年3月6日，這些照片被陸續公布出來。）

上圖為卡西尼探測器拍攝的木星大紅斑。這是在向天文學家卡西尼致敬。352年前，也就是公元1665年，卡西尼正是藉助這塊大紅斑計算出了木星的自轉周期。

2004年6月11日，卡西尼探測器飛掠土衛九，成為繼旅行者2號探測器之後，第二個近距離飛掠這個天體的探測器。

2004年7月1日，科學家宣布卡西尼探測器正式進入繞土星的軌道。此時，卡西尼探測器已經在太空中飛行了將近7年。

進入土星軌道的卡西尼探測器開啟了舞蹈模式。小火箭在這裡僅給出部分軌道（上圖和上上圖），實際上卡西尼探測器僅飛掠土星的各種天然衛星的彈道就足足有162次。

卡西尼探測器拍攝到了土星光環細節

卡西尼號於2011年拍攝到的土星風暴。

土星瑰麗又神秘的極地大風暴。

土星晨曦中的薄霧

上面這些僅僅是卡西尼惠更斯探測器取得的令人迷醉的探測結果的冰山一角。在小火箭卡西尼系列的第3篇文章中，小火箭將與大家一起總結卡西尼和惠更斯在這20年的時間中的所得。感謝大家！

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