32.7公斤核燃料与地球擦肩而过：卡西尼的惊险之旅
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共3420字，38图。预计阅读时间：25分钟。
公元2017年9月15日，在茫茫太空飞行了20年的卡西尼-惠更斯探测器一头扎入土星内部，结束了自己光荣的一生。这颗拍摄了453048张高清照片，向地球传回了635GB数据的探测器，在飞行了78.86亿公里之后，终于在土星的怀抱中寻得了最后的安宁。
上图为卡西尼拍摄的最后一张可见光照片。
这是卡西尼探测器拍摄的最后一张红外照片。图中的椭圆区域就是预计投入土星怀抱的切入点。
小火箭风格：这个点在土星上的具体坐标为
北纬9.4°N，西经53°W。
小火箭在本月给出卡西尼系列文章，来探讨卡西尼之名、之行、之功、之命，来回顾她的荣耀和传奇。
在本系列的第1篇，小火箭将与大家一起探讨了一个问题：这个如此重要的土星探测器，为什么取名为卡西尼？并阐述了卡西尼祖孙四代皆为巴黎天文台台长，都做出了突出贡献的过往。
本文是小火箭卡西尼系列文章的第2篇。
小火箭将与大家一起回顾卡西尼从出发到进入绕土星轨道的征程。
出发
公元1997年10月15日，协调世界时上午8点43分，携带着惠更斯着陆器的卡西尼探测器由大力神4B运载火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场第40号工位发射升空。
这场推迟多次的发射终于在这一天将卡西尼探测器送上了漫漫征程。
大力神4号运载火箭由两枚大型固体火箭助推器与两级使用液体火箭发动机为动力的芯级构成。
这张摄于1997年的珍贵的照片向我们展示了一个事实：用于发射卡西尼探测器的这枚美国大力神4号运载火箭也是用两台火车头从总装测试厂房中拉出来的！
这种配置，有着浓浓的苏联味道，而火车头上白色的美国空军字样不禁让小火箭浮想联翩。有关美国早期洲际弹道的种种典故，详见小火箭的公号文章《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》。
点火后，硕大的USRM固体火箭助推器产生了151.2万牛的推力。
131秒后，火箭飞到了58.5公里的高空，大力神4B运载火箭的芯一级的2台LR-87发动机点火。这种以50%的肼混合50%的偏二甲肼作为燃料，以四氧化二氮为氧化剂的燃料配方带有浓郁的洲际弹道导弹的风格。
实际上，大力神运载火箭家族与美国的洲际弹道导弹项目有着千丝万缕的联系，而直到如今，所有的大力神运载火箭依然由美国空军来管理。
143秒后，两台固体火箭助推器燃尽分离，此时火箭的飞行高度为68.3公里。323秒后，大力神运载火箭一二级分离。在第二级点火的时候，火箭飞到了167.3公里的高度，早已越过了100公里的卡门线。
随后，半人马座上面级接力工作，赋予了卡西尼探测器挣脱地球引力束缚的速度。看上去，这是一次比较常规的发射活动。而实际上，这次发射的报价高得令人咋舌：4.22亿美元。
用发射一个卡西尼探测器的钱，差不多可以发射7枚猎鹰9号运载火箭了。没办法，卡西尼探测器与惠更斯着陆器的总发射质量达到了惊人的5.712吨，这是NASA（美国宇航局）和ESA（欧空局）有史以来发射的最重的深空探测器，更何况要把这么重的探测器送到距离太阳足足有9个天文单位之遥的土星。
惊险
为了探索未知，你愿意付出多大的代价？又肯经过怎样漫长的等待？卡西尼探测器或许能够给我们答案。
虽然大力神4B运载火箭与半人马座上面级的组合几乎是1997年人类能够拿得出手的运载能力最强的航天器了，但是由于卡西尼号实在太重，依然还得需要设计巧妙的轨道来成功实现奔向土星的愿望。
这条轨道，需要6次飞掠太阳系中的自然天体，以便充分借助引力弹弓的效应来节省燃料。
卡西尼探测器分别在1998年4月26日和1999年6月24日两次飞掠金星。这两次飞掠的引力弹弓效应确保了卡西尼探测器能够有足够的动能来穿越小行星带。
1999年8月18日，卡西尼探测器先后飞掠月球和地球。这两次飞掠，可谓惊心动魄。卡西尼探测器到月球的最近距离只有37.7万公里，已经小于了地球到月球的平均距离。而卡西尼探测器飞掠地球时，到地球的最近距离仅有1171公里！这个距离接近于地球直径的1/11。
另外，小火箭强调的是，这种行星间的飞行，任务强度非常大，卡西尼飞掠地球的这次擦肩，距离她上一次与金星的亲密接触仅55天！
为什么叫惊心动魄呢？这就得从卡西尼探测器身上带着的神秘能量来源说起了。土星到太阳的平均距离为9个天文单位（也就是地球到太阳距离的9倍）。太阳能帆板接收太阳辐射的能量与电池板到太阳距离的平方成反比。
这样来算的话，环绕土星的探测器如果使用太阳能帆板的话，其产生电能的效率将仅仅是环绕地球的同等规格太阳能帆板的1.23%。而受运载火箭能力的限制（实际上即使运载火箭能力足够，科学家也更倾向于把更多的重量指标分配给用于观测土星及其卫星的各种仪器设备），卡西尼探测器不能带着面积巨大的太阳能帆板。
于是，工程师们打起了核能源的主意。卡西尼探测器上并没有太阳能帆板。整个卡西尼探测器在将近20年的飞行过程中，几乎所有的电能都来自于3块核电池。上图就是卡西尼的核电池。
这些核电池的核心部件是以二氧化钚形态存在的足足有32.7公斤重的钚-238。
钚-238在不停地进行放射性衰变，这会产生大量的热，使得钚核心始终处于红热状态。通过热电机效应，这样的热量能够转换为供卡西尼使用的直流电。
实际上，依附在卡西尼探测器上面的惠更斯着陆器在奔向土星的漫漫征程中也同样依靠卡西尼身上的这些核电池的电力。只有在分离之后，惠更斯才会启动自身的化学电池系统，这就是后话了。（整个系统有120个核装置。）
上图为环境工程师詹米在这些钚核电池装在卡西尼探测器上之前，做最后一次辐射测量时的场景。
工程师们正在小心翼翼地为卡西尼探测器安装核电池。
也就是说，在1999年的8月18日，太空中有32.7公斤的钚-238以每秒10公里以上的速度在地球上方1171公里的地方与地球擦肩而过。
NASA是做过最坏的打算的。一旦卡西尼探测器这次飞掠的弹道没能计算正确，或者期间出了其他一些意外，这些钚就有可能再入地球稠密大气层。
当时地球总人口是50亿人，这些钚-238如果泄露出来的话，其辐射量换算成罹患癌症的比例，相当于5000人会因此而遭殃。
当然，发生这种悲剧的概率经多方计算，被认定为低于百万分之一，而且NASA在飞掠弹道这方面，几乎还没怎么失过手，当年如果把钚-238的事情公布出来反而会引起不必要的恐慌，因此有关1999年那次飞掠地球的引力弹弓没有引起大家的广泛注意。
如今，卡西尼探测器已经寿终正寝，此时说起这些倒也无妨了吧。
在1999年在世的，地球上的所有生物，都为了探索未知的事业承担了一定程度的风险。从这个角度来说，大家都对卡西尼探测器的成功有所贡献。
2000年1月23日，卡西尼探测器飞掠小行星2685，顺便对该小行星拍了一些照片。
2000年12月30日，卡西尼探测器飞掠木星。这次飞掠让人类得到了十分难得的仔细观测木星的机会。
卡西尼不负众望，借助自身强大的探测设备，在飞掠过程中，对木星拍摄了2.6万张照片。其中，一些高分辨率照片是当时人类能够获得的有关木星的最为清晰的照片。（3年后，在2003年3月6日，这些照片被陆续公布出来。）
上图为卡西尼探测器拍摄的木星大红斑。这是在向天文学家卡西尼致敬。352年前，也就是公元1665年，卡西尼正是借助这块大红斑计算出了木星的自转周期。
2004年6月11日，卡西尼探测器飞掠土卫九，成为继旅行者2号探测器之后，第二个近距离飞掠这个天体的探测器。
2004年7月1日，科学家宣布卡西尼探测器正式进入绕土星的轨道。此时，卡西尼探测器已经在太空中飞行了将近7年。
进入土星轨道的卡西尼探测器开启了舞蹈模式。小火箭在这里仅给出部分轨道（上图和上上图），实际上卡西尼探测器仅飞掠土星的各种天然卫星的弹道就足足有162次。
卡西尼探测器拍摄到了土星光环细节
卡西尼号于2011年拍摄到的土星风暴。
土星瑰丽又神秘的极地大风暴。
土星晨曦中的薄雾
上面这些仅仅是卡西尼惠更斯探测器取得的令人迷醉的探测结果的冰山一角。在小火箭卡西尼系列的第3篇文章中，小火箭将与大家一起总结卡西尼和惠更斯在这20年的时间中的所得。感谢大家！
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