科普:土星探测器发展史

土星探测器(saturn detector)是对土星系进行探测的空间探测器,主要研制的国家是欧美等国。已有先驱者十一号探测器、旅行者号探测器、卡西尼号土星探测器等土星探测器。

土星是太阳系的第二大行星,直径是地球的9.5倍,质量是地球的95倍。它周围对称匀整的光环绚丽多彩,是一大天文奇观。从地球到土星的距离达30亿千米,但人类对它的兴趣不因如此遥远而减弱,迄今已经有了3个探测器对土星进行了实地考察。

先驱者十一号探测器


美国的先驱者十一号探测器是以探测土星为主的航天器,重260千克。1973年4月6日自地球出发,探测器于1974年12月4日最接近木星,离木星最高云层34,000公里以内,借着木星的强大引力,探测器改变轨道朝向土星,于1979年9月1日最接近土星(当时旅行者1号及旅行者2号已经过木星,同时已经朝向土星进发),离土星最高云层21,000公里以内,第一次拍摄到了土星的照片。“先驱者”11号被设定会飞过土星的光环,其轨道将会与即将到达的旅行者一样,用以测试旅行者探测器的轨道。它的探测确定了土星的轨道和总质量,测量了土星大气成分、温度、磁场,发现了两个新光环。

“先驱者”11号探测器全长2.9米,设有一条直径2.74米的高增益天线,在其之前再装上一条中增益天线。 至于另外一条全方位低增益天线则装设于高增益天线接收器之下。探测器以两块放射性同位素热电产生器(RTG)作为能源,在拜访木星时仍能产生144瓦特,但到达土星时只能产生100瓦特的功率。探测器上还设有三个感应器:恒星(老人星)感应器及两个太阳感应器,藉以根据相对于地球及太阳的位置,及以老人星的位置作后备,用以计算探测器的位置。“先驱者”11号的恒星感应器及起点设定,是按“先驱者”10号的经验而被重新修改的。探测器上的三对火箭推进器,负责控制转轴(4.8rpm)及为探制器提供动力。三对火箭推进器都可以按指令持续燃点,或暂停燃点亦可。探测器甫在发射后就使用备用的发射天线。探测器在1985年二月因电池提供的电力开始下降,而开始需要与其他仪器共用电力。最终,基于放射性同位素热电产生器所提供的能源不足以再进行任何实验后,探测器的运作及遥测数据于1995年9月30日终止传送。在终止运作之前,探测器当时正处于离开太阳约44.7天文单位的距离,与太阳赤道面形成17.4度的倾斜角,并正以每年2.5天文单位(每秒12公里)的速度飞行。

旅行者号探测器


1977年8月20日和9月5日,美国发射了一对旅行者号探测器——“旅行者“2号和1号,获得探测土星的新成果。这对探测器在考察了木星之后,于1980年11月13日和1981年8月26日飞近土星考察。“旅行者”1号掠过土星时,发现成千上万的光环群,形成一组交错在一起的环形彩带。这样密集繁多的光环是由无数大小不一的砾石微粒组成的。旅行者1号还着重探测了原来认为是太阳系最大的一颗卫星——土卫六,从拍回的照片上发现土卫六的直径只有4828千米,而不是过去认为的5760千米,因此判定它小于木卫三,从而退居为太阳系的第二大卫星。此外,还发现了土星和几颗新卫星。“旅行者”2号则对新发现的土星环和几个卫星作了近距离探测,向地球发送回1万多张照片。

“旅行者”号探测器本身重816千克,携带有105千克科学探测仪器。它的主体是扁平的十面棱柱体,顶端装有一直径为3.7米的抛物面天线,左右两侧各伸出一根悬臂,长的一根是磁强计支柱,短的一根是科学仪器支架。探测仪器有10种,主要是行星及其卫星的摄像设备和各种空间环境探测设备。它们的土星探测之行,初步揭示了土星家族的面貌。

“旅行者”1号于1980年11月略过土星,于11月12日最接近土星,距离土星最高云层124,000公里(77,000英里)以内。太空船探测到土星环的复杂结构,并且对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层,喷气推进实验室的控制人员最终决定了让旅行者1号驶近一点土卫六进行研究,并随之终止了它继续探访其余两颗行星。结果造访天王星和海王星的任务只得交予旅行者2号。这次靠近土卫六的决定使太空船受到了额外的引力影响,最终使太空船离开了黄道,终止了它的探索行星任务。

“旅行者”2号在1981年8月25日最接近土星。当太空船处于土星后方时(相对地球而言),它以雷达对土星的大气层上部进行探测,并量度了气温及密度等资料。旅行者2号发现高层位置(气压相当于7百帕时)的气温为70 K(?203°C),而在低层位置(气压相当于120百帕)则量度出143K(?130°C)。北极会多冷10K,但仍会出现季节性变化。略过土星后,船上的拍摄平台有点卡住了,使前往天王星和海王星的任务产生变量。幸好,地面的工作人员最终把问题解决,那是因为过度使用而令润滑油暂时耗尽。最终太空船仍是接到继续前进的指令,前往天王星。

目前,“旅行者”号探测器都已飞出太阳系,飞向茫茫宇宙深处。

卡西尼号土星探测器


据国外媒体报道,美国宇航局、欧洲空间局以及意大利航天局共同开发的卡西尼号土星探测器已经在土星轨道上运行了10年,这是一艘专门调查土星及其卫星系统的行星际探测器,也是人类历史上研制的最先进航天器之一。“卡西尼号”直径3米,高7米,重6.4吨,携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了探测土星最大卫星土卫六的探测器,取名为“惠更斯号”。 “卡西尼”号在1997年10月15日发射升空,地点位于佛罗里达州卡纳维拉尔角航天发射场,7年后抵达土星轨道,“卡西尼”的到来使得土星及其卫星许多未解之谜被揭开,而且还发现了土星的一些新卫星。“卡西尼”任务的关键在于释放惠更斯号探测器,对土卫六的表面进行登陆考察。

自从“卡西尼”号抵达土星系统后,取得了许多突破性的发现,比如发现了土卫六上存在“湖泊”和巨大的风暴,调查并观测土星上的季节性变化,在前所未有的极端环境中开展科学任务。“卡西尼”号是国际合作的土星探测器,总耗资达到32亿美元,其中美国宇航局提供80%的费用,欧洲空间局为15%,意大利空间局为5%。“卡西尼”号在飞往土星的过程中,利用了行星引力场进行加速,飞掠了金星、月球以及木星。

2004年,“卡西尼”号进入土星附近的轨道,并释放了惠更斯号着陆器,2005年1月14日,惠更斯号进入土卫六“泰坦”的大气层,成为第一艘在太阳系较外侧天体上着陆的飞船,调查结果发现了土卫六表面存在液体物质,成分为液态烷烃,与地球早期的模样类似,科学家认为土卫六是一个时光机,记录了地球早期的状态,从中我们甚至可以找到生命起源的线索,土卫六也是太阳系中最像地球的地方。

“卡西尼”号的主要调查对象仍然是土星,其任务期将延续到2017年,此前“卡西尼”号为我们呈现了土星上各种奇异的大气现象,比如一个六边形的超级风暴,还有土星一些卫星上的羽状喷流等。2017年后,“卡西尼”号的燃料将耗尽,不足以维持在土星的绕行轨道上,科学家将控制探测器坠入土星大气层中。

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责任编辑:马嘉悦
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