举世瞩目的土星探测(二)
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作者: 司马杭仁
“卡西尼”曾被定为是美国发射的最后1个大探测器，此后美国只研制和发射小型空间探测器，但最近美国又计划研制“木星冰卫环行”核动力探测器，它将是美国航宇局有史以来所建造最大的空间探测器，估计造价在约30亿～40亿美元。
“卡西尼”轨道器
“卡西尼”轨道器包括下设备舱、发动机及推进剂贮箱、上设备舱、12个电子设备小舱和直径4米的高增益天线，由下往上垂直地叠放在支架上。此外还有一个11米长的磁强计伸杆和几副低增益天线。“惠更斯”着陆器安装在支架的侧面。
轨道器为三轴稳定姿态控制，用一组0.5牛顿推力器和反作用飞轮为执行机构；它用X频段高增益天线与地面深空网进行无线电通信，并用于无线电和雷达实验及同“惠更斯”通信；用2台容量1.8吉比特的固态存储器来储存各种工程遥测和科学探测数据。
其上的设备采用绝热包覆层、反射涂层和小型同位素加热器等措施，使温度保持在允许范围内，同时防止微流星碰撞。任务的头几年主要困难是温度控制，因为那时它是向着太阳飞去，离太阳很近，这期间高增益天线指向太阳，相当于遮阳帽，遮住了飞行器的剩余部分。在高增益天线上使用了几种涂料来反射阳光。绝热包覆层由26层材料组成，也能防护以每秒5千米到40千米速度飞行的微流星碰撞。
为了尽可能多地获得数据，“卡西尼”轨道器“全副武装”，配备了大量先进探测仪器；
由尘埃分析器和高速率探测器组成的宇宙尘埃分析器，用于研究到达土星轨道的行星际尘埃和土卫6对土星尘埃的效应，确定环附近尘埃和流星体的分布，以及冰冻卫星对环粒子源的作用等。
由离子质谱仪、离子束谱仪、电子谱仪和数据处理单元等组成的卡西尼等离子体谱仪，用于研究电离层等离子体流入、流出，磁层一电离层相互作用对电离层离子流的效应，极光现象和土星千米波辐射，土星磁层与太阳风的相互作用，土星磁层与土卫6高层大气和电离层的相互作用。还测量土星电离层和土卫6的电离分子，确定土星磁场的构形。其中离子质谱仪有很高的谱分辨率，能测量带电粒子的能谱、强度和辨别粒子的种类。
由远红外和中红外干涉仪以及望远镜组成的成分红外光谱仪，用于绘制土卫6和土星大气层的全球温度结构和气体成分，寻找土卫6和土星大气中的新成分，从而测量来自土星大气层、环和表面的红外辐射，以便确定他们的成分和温度。
由矢量和标量氦磁强计以及通量门磁强计构成的双操作磁强计，用于确定土星的内部磁场，建立土星磁层的三维模式，确定土卫6的磁状态，研究土卫6与磁层、太阳风的相互作用以及冰冻卫星与土星磁层的相互作用。
由宽角和窄角照相机组成的成像科学子系统相机，用于研究环和土星卫星之间的引力相互作用，确定环中能量、动量的输送率以及环的厚度、大小和成分，绘制土星和土卫6大气的三维结构图，寻找闪电、极光、气辉和行星大气震荡的证据，绘制卫星表面图形。
由闭源和开源两种四极质谱仪组成的离子和中性粒子质谱仪，用于测量土卫6高层大气中离子和中性气体的成分，从而研究土卫6大气的化学成分和变化等。
由低能磁层测量系统，电荷、能量、质量谱仪，离子和中性照相机以及高速率探测器组成的磁层成像仪器，用于检测磁层亚暴活动，研究磁层与电离层耦合，确定土星磁层等离子体的全球构形和动力学，研究土卫6大气的全球结构和温度变化等。
此外，轨道器上还载有无线电探测和测距仪器、无线电和等离子体波科学仪器、无线电科学子系统、紫外成像光谱仪、可见光与红外绘图光谱仪，它们分别用于研究土卫6固体表面的地质特征，确定土卫6是否有海洋存在；研究土星磁场的构形及其与土星千米波辐射的关系，土星电离层的日变化，在极尖区寻找外流的等离子体，确定土星磁层的电流系统等；研究太阳日冕和当“卡西尼”通过太阳后面时的广义相对论效应，进一步估算土星及其卫星的质量和位置，确定土星和土卫6大气的温度和成分剖面，确定土星和土卫6电离层的温度和电子密度；测量从土星大气、环和表面反射或发射的紫外光，确定它们的成分、分布、气溶胶含量和温度；确定冰冻卫星表面物质的成分和分布，土星深层大气的温度、内部结构和旋转，研究环的结构和成分，寻找土星和土卫6大气中的闪电并观测泰坦的表面。
“惠更斯”着陆器
直径2.7米的“惠更斯”外形呈铁饼状，重319千克，由防热外罩和降落舱组成，其中外防热罩由多层耐热材料制成，用于在进入大气层时保护罩内的降落舱。降落舱由上、下平台、前盖和后锥组成，其中上平台用于安装降落伞、S频段发射机和天线等服务系统，下平台的2个面用于安装科学探测仪器。其软件采用Ada程序语言，电源采用5组锂-二氧化硫蓄电池，总容量1600瓦时。
“惠更斯”具有能进入土卫6大气并在其中制动以及把1个满载设备的自动实验室降落到其表面的功能。该系统包括探测器本身和探测器支持设备，前者将降落到土卫6上，后者将与轨道器连接。在飞往土星的途中，除了一年两次的“健康检查”外，“惠更斯”在行星际航行中保持“休眠状态”。它与轨道器分离之前将完成最后一次健康检查。然后“惠更斯”与轨道器分离并靠惯性飞行到达土卫6，其间除了它的唤醒时钟外没有其他系统工作。
在进入土卫6轨道后，“惠更斯”着陆器将利用降落伞落到土卫6表面。探测器的无线电链路早在降落阶段就启动，轨道器在接下来的3小时，包括降落时间和着陆碰撞后的30分钟，会认真“倾听”“惠更斯”着陆器。这3小时的通信窗口结束后不久，“卡西尼”轨道器的高增益天线将从对着土卫6方向转而对着地球。
“惠更斯”着陆器上有6台用于探测的科学仪器：①“惠更斯”大气构造仪，它装有一套测量土卫6大气的物理和电特性的传感器；②多普勒风实验装置，它是用一个超稳定振荡器传给探测器中继链路一个非常稳定的载波频率，土卫6大气中的风引起的探测器漂移会使载波信号产生多普勒频移，通过降落伞下面的探测器的摇摆运动和其他效应(如大气特性引起的信号衰减)可探测到，由此可确定大气层的性质；③下降成像器／光谱辐射计，它将使用若干敏感器和视场来进行一系列成像和谱观察，通过测量向上和向下的辐射流，能推算出土卫6浓厚大气的辐射均衡性(或不均衡性)；④气体层析质谱仪，它是1个通用气体化学分析仪，能识别和定量测出大气成分，并装有气体采集器，在高空时采满样品，降落后进行分析；⑤悬浮微粒收集器和热解器，它是通过滤波器由大气吸入悬浮微粒，然后在炉子里加热被捕捉的样品(热解过程)，使挥发物蒸发，复杂的有机材料分解，然后将产品通过一根管子送到气体层析质谱仪进行分析，为了在不同的高度收集样品，其上装有两个滤波器收集样品；⑥表面科学装置，它含有若干个敏感器，目的是测量土卫6表面碰撞点的物理特性，不论该表面是固体的还是液体的。
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