10年漫漫“追星”路歐洲“羅塞塔”8月進入目標彗星軌道

（北京空間科技信息研究所）

10年漫漫“追星”路歐洲“羅塞塔”8月進入目標彗星軌道

劉嘉寧（北京空間科技信息研究所）

2014年8月6日，飛行了10年的歐洲航天局（ESA）的“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測器成功進入目標彗星—67P/楚留莫夫-格拉西門克彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko，以下簡稱67P彗星）軌道，它還將于11月11日向該彗星表面釋放著陸器“菲萊”(Philae)，附著其表面開展探測工作。

歐洲指揮控制中心于2014年1月20日接收到發(fā)自“羅塞塔”的首個信號，屏幕中的綠色橫線即為“羅塞塔”傳回的信號

1 彗星—見證太陽系演化的“時間膠囊”

46億年前，宇宙中心膨脹發(fā)散的微粒開始減速，它們之間碰撞和結合如滾雪球般形成了早期太陽系中的行星、衛(wèi)星及數(shù)以百萬計的小行星和彗星。接下來的數(shù)十億年間，太陽系演化期，由于行星自身產(chǎn)生的強大重力，其內(nèi)部結構和理化性質都發(fā)生了巨大的變化。而由于彗星質量小（彗星由彗頭和彗尾組成。彗頭包括彗核及彗發(fā)兩部分：彗核是中央明亮的部分，似圓球形；而彗發(fā)則是包裹著彗核外圍的云霧狀結構，形狀亦近似球形。彗尾是彗頭向外延伸的部分，宛如一條長長的尾巴，總是在背向太陽的一面伸延），并且大部分時間是在遠離太陽的軌道運行，所以保持很低的溫度，就像冰箱一樣“冷藏”了星云形成初期的原始物質。同時，彗星上有豐富的揮發(fā)性物質，它們在飛向太陽的時候開始蒸發(fā)產(chǎn)生彗尾。這便于用光譜儀進行元素分析，所以這是它們備受科學家們青睞的原因。

在過去20年里，人類對彗星和小行星的認識有了極大的增加。20世紀80年代，ESA的“喬托”（Giotto）和俄羅斯的“維加”（Vega）探測器首次對哈雷彗星進行了飛越式探測。1991年，NASA的“伽利略”（Galileo）木星探測器還在前往木星的途中首次與小行星蓋斯普拉進行了一次近距離相會。與此同時，地面和地球軌道上的天文望遠鏡，如ESA/美國航空航天局（NASA）的“太陽與日光層觀測臺”（SOHO）和“哈勃”（Hubble）空間望遠鏡也增加了對這兩種小天體的觀測，使科學家們能對多種天體的觀測結果進行比較，并對彗星活動進行更廣泛的研究，從而為認識這些小天體打下了基礎。

2 解讀宇宙起源的“羅塞塔”計劃

測試中的“羅塞塔”

在古代，有一個名叫“羅塞塔”的石碑，它制作于公元前196年，其上用希臘、古埃及和通俗體文字刻了同樣的內(nèi)容，近代考古學家通過對照各語言版本內(nèi)容，解讀出失傳千余年的埃及象形文，成為研究古埃及歷史的里程碑。

1985年1月，ESA各成員國負責空間事務的部長召開會議，批準了一系列富有雄心和遠見的科學技術研究項目。這些重大決策之一是一項長期科學計劃，后來被稱作“地平線2000”。與會部長們草擬的一份決議是這樣陳述的：同意在今后10年里加強歐洲的空間科學活動，以便使科研機構能保持在空間科學研究的最前沿。在歐洲空間科學機構參與的基礎上，這項革命性的計劃還要求在20世紀90年代中期到21世紀初開展一些“基石性”工作，其中一項任務就是對原始天體進行考察和取樣。

早在“喬托”探測器考察哈雷彗星之前，ESA就一直在尋求通過帶回彗星或小行星的樣本，來確立太陽系小天體探測領域的領先地位。1986年，“喬托”探測器飛越哈雷彗星取得巨大成功，使探測活動的重點轉移到彗星采樣返回上。但是，完成這項任務的費用對歐洲來說太過昂貴。于是，ESA管理層開始尋求與NASA合作開展這一高風險項目的可能性。到1991年，由ESA和NASA合作實施的“羅塞塔”彗核采樣返回計劃確立下來，科學家希望此次探測能像“羅塞塔”石碑解讀古埃及歷史一樣打開一扇解讀宇宙起源的“時空之門”。后來，NASA遇到了財政困難，空間科學項目經(jīng)費遭到削減，使ESA不得不依靠自己的力量來實施“羅塞塔”項目，并取消了原定將樣品送回地球的打算。1993年11月，該項目得到批準，總經(jīng)費為10億歐元。

3 幾經(jīng)變換的追蹤目標

歐洲“羅塞塔”近距離拍照的67P彗星圖片

“羅塞塔”最初打算探測的彗星是46P/威爾塔寧（46P/Wirtanen，簡稱46P彗星）。2002年12月，阿里安－5（Ariane－5）火箭發(fā)射失敗，造成后續(xù)的發(fā)射推遲，而原定于2003年1月31日前進行的“羅塞塔”發(fā)射首當其沖。發(fā)射推遲后，由于46P彗星將運動到可探測范圍之外，所以ESA決定從另外5～6顆短周期彗星中再選擇一個新的探測目標。經(jīng)常訪問太陽系的67P彗星最終脫穎而出，成為將迎來人類探索使者的“幸運兒”。

67P彗星是1969年被發(fā)現(xiàn)的。當時蘇聯(lián)的幾位天文學家來到阿拉木圖天體物理研究所進行彗星觀測，9月20日，其中一位名叫克里木·楚留莫夫的蘇聯(lián)天文學家在對斯維特蘭納·格拉西門克拍攝的32P/科馬斯·索拉彗星（32P/Comas Solà）照片進行研究時發(fā)現(xiàn)，照片邊緣有一個像彗星的天體。楚留莫夫回到蘇聯(lián)基輔后進行了仔細研究，最終確定這是一顆彗星，并將其命名為67P/楚留莫夫-格拉西門克彗星。

這顆彗星有著不同尋常的經(jīng)歷。1840年以前，它的近日點距離約是6.0×108km（4.0個天文單位），在地球上完全無法看到。1840年，由于與木星相撞，它的軌道發(fā)生了改變，近日點距離變?yōu)?.5×108km（3.0個天文單位）。1940年前后，它的近日點距離減小到了4.155×108km（2.77個天文單位）。1959年與木星再次碰撞，使其近日點距離減小到只有1.935×108km（1.29個天文單位）。到目前為止，從地球上人們已6次觀測到這顆彗星接近太陽，分別是1969年、1976年、1982年、1989年、1996年和2002年。

4 各類科學有效載荷助力彗星揭秘

軌道器

歐洲“羅塞塔”是一項國際性計劃，有美國及14個歐洲國家的50多家工業(yè)承包商參與。其主承包商是阿斯特留姆德國公司，而阿斯特留姆英國公司(負責探測器平臺)、阿斯特留姆法國公司(負責電子設備)和泰雷茲-阿萊尼亞空間公司(負責組裝與測試)是主要分包商。

“羅塞塔”由軌道器和著陸器組成，其中軌道器上的11臺科學儀器分別是：

1）紫外成像光譜儀（ALICE）。它用于分析彗發(fā)和彗尾中的氣體，測量彗星水和一氧化碳/二氧化碳的生產(chǎn)率，并獲取彗核表面成分數(shù)據(jù)。

2）射電波發(fā)射彗核探測實驗件（CONSERT）。

它用于研究由彗核反射和散射的射電波，借以探測彗星的內(nèi)部構造。

3）彗星次級離子質量分析儀（COSIMA）。它用于分析彗星散發(fā)出的塵粒特性，包括其成分以及是有機物還是無機物。

4）顆粒撞擊分析儀與塵埃收集器（GIADA）。

它用于測量來自彗核和其他方向(由太陽輻射壓力反射)塵粒的數(shù)量、質量、動量和速度分布。

5）微型成像塵埃分析系統(tǒng)（MIDAS）。它用于研究小行星及彗星周圍的環(huán)境，獲取粒子數(shù)量、尺寸、體積和形狀數(shù)據(jù)。

6）微波儀（MIRO）。它用于確定主要氣體的豐度、表面放氣率和彗核亞表面溫度，還用于測量所途經(jīng)的2顆小行星錫瓦和大田原的亞表面溫度。

“羅塞塔”載荷示意圖

7）光學、分光與紅外遠距離成像系統(tǒng)（OSIRIS）。它包括1臺廣角相機和1臺窄角相機，用于拍攝67P彗星彗核和飛往該彗星途中經(jīng)過的小行星的高分辨率圖像，并幫助選定最佳著陸點。

8）“羅塞塔”軌道器離子與中性分析光譜儀（ROSINA）。它包括3臺遙感器，用于確定彗星大氣與電離層成分、帶電氣體粒子速度以及有它們參加的反應，并將研究小行星可能存在的放氣現(xiàn)象。

9）“羅塞塔”等離子體組合儀（RPC）。它包括5臺遙感器，用于測定彗核的物理特性，探討彗發(fā)內(nèi)部的結構，監(jiān)測彗星活動，并研究彗星與太陽風的相互作用。

10）射電科學研究儀（RSI）。它利用探測器無線電信號的漂移測量彗核的質量、密度和引力，確定彗星的軌道，研究彗發(fā)的內(nèi)部情況。此外還將測量錫瓦小行星的質量和密度，并在通過太陽后方(從地球上看)的過程中研究日冕。

11）可見光與紅外熱成像光譜儀（VIRTIS）。它用于測繪和研究固態(tài)物質的性質以及彗核表面的溫度，測定彗星氣體，描述彗發(fā)的物理狀態(tài)，并幫助選定最佳著陸地點。

著陸器

“羅塞塔”攜帶的著陸器“菲萊”上帶有10臺科學儀器，總質量21kg。它還裝有一個鉆探裝置，用于采取亞表面物質的樣品。這些儀器的任務包括：測量彗星表面及內(nèi)部物質的元素、分子、礦物學及同位素構成；測量彗核的特征，如近表面強度、密度、構造、多孔性、冰相及熱力學特征，其中構造測量包括對細微顆粒的顯微研究。這10臺科學儀器分別是：

1）阿爾法粒子與X射線光譜儀（APXS）。它將下放到著陸器行走時離彗核表面不到4cm的位置，用于探測阿爾法粒子和X射線，從而提供彗核元素成分數(shù)據(jù)。

2）彗核紅外與可見光分析儀（CIVA）。它利用6臺同樣的微型相機來拍攝表面的全景照片，另用一臺光譜儀來研究從表面采集的樣品成分、構造和反射率。

3）射電波發(fā)射彗核探測實驗件（CONSERT）。

它用于探測彗核的內(nèi)部結構。來自軌道器上同名儀器的射電波將穿過彗核，由著陸器上的1臺應答機發(fā)送回去。

4）彗星采樣與成分實驗件（COSAC）。它是2臺放出氣體分析儀之一，用于根據(jù)元素和分子組成來探測和確定有機分子絡合物。

5）穩(wěn)定同位素成分中輕元素確定與認識方法/托勒密實驗件（MODULUS/Ptolemy）。它也是1臺放出氣體分析儀，可對輕元素的同位素比率進行精確測定。

6）表面與亞表面科學多用途遙感器（MUPUS）。它利用位于著陸器錨定裝置上、探頭上和外部的遙感器來測量彗表的密度、熱力學和力學特性。

“菲萊”載荷示意圖

7）“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)（ROLIS）。它是一臺電荷耦合器件（CCD）相機，用于在下降過程中獲取高分辨率圖像，并獲取其他儀器采樣區(qū)的立體全景圖像。

8）“羅塞塔”著陸器磁強計與等離子體監(jiān)測儀（ROMAP）。它用于研究當?shù)卮艌龊湾缧桥c太陽風間的相互作用。

9）樣品與分發(fā)裝置（SD2）。它可鉆探到表面下20cm或以下位置采集樣品，并交給不同的加熱爐或用于顯微鏡觀察。

1 0）表面電、震動與聲學監(jiān)測實驗件（SESAME）。它用4臺儀器測定彗星外層特性。其中，彗星聲探測表面實驗件用于測定聲通過彗表的傳播方式，介電常數(shù)探測儀用于研究其電特性，而塵埃回落監(jiān)測儀則用于測量回落到表面上的塵埃。

5 巧妙設計：“魚叉”裝置實現(xiàn)探測器在彗星表面附著

小行星和彗星這樣的小型天體沒有大氣，并且重力微弱，因此在其表面的降落任務稱之為“附著”而非“著陸”。雖然這類任務相對于火星這樣的著陸任務要容易許多，但也有特殊的困難，例如目標小，對深空測控的精度要求相當高；形狀不規(guī)則帶來的重力場分布不均，很難利用小行星的重力來制動，尤其是由冰和塵埃構成內(nèi)核的彗星結構松散，在朝向太陽飛行時會由于熱量增加造成表面物質剝離與噴射，導致探測器的接近困難重重。迄今為止，不包含取樣返回在內(nèi)，唯一一次單純的小行星附著任務是由“近地小行星交會”（NEAR）小行星探測器完成的。它先是飛掠了253號小行星梅西爾德，然后進入433號小行星愛神星的環(huán)繞軌道，并最終附著其上。

不出意外的話，質量100kg的著陸器“菲萊”將是第一個在彗核表面上軟著陸的航天器。在“羅塞塔”到達67P彗星之前，盒形的“菲萊”將一直呆在軌道器的側面。一旦軌道器到達目的地，并調(diào)整到正確的方位，地面站就會發(fā)出指令，讓“菲萊”自動彈離母探測器，展開它的3條“腿”，以備在完成彈道式下降飛行后在彗星上輕輕地著陸。它的“腿”可吸收掉大部分動能，減小發(fā)生彈跳的可能性，并能旋轉、抬高或傾斜，以使著陸器回到直立位置。由于彗星引力很小，因此在著陸瞬間，“菲萊”會彈出一個魚叉式的裝置，像停靠港口的航船拋錨一樣把著陸器錨在彗星表面上，防止飄走。“菲萊”實施科學考察的最短時間為幾星期，但也可能會持續(xù)數(shù)月。在此期間，它必須調(diào)整好太陽電池翼，因為在那之后它就必須依靠太陽能發(fā)電維持工作。但這將是一項重大的考驗，因為它身處碎屑噴射的環(huán)境下，太陽電池翼將很容易被塵埃覆蓋而影響發(fā)電效率。

6 借助行星引力加速，完成“龜兔”角色轉變

“菲萊”著陸過程

目前還沒有一種運載火箭能把像質量約3 t的“羅塞塔”直接送往67P彗星，阿里安－5大推力火箭也不例外。如龜兔賽跑一樣，67P彗星以高達1.0×109km/h的速度繞太陽旋轉，“羅塞塔”剛啟程時，速度慢得根本沒有希望趕上它的目標。為了追上目標的步伐，10年中“羅塞塔”3次飛掠地球，2次飛掠小行星，2次進入小行星帶，4次飛掠太陽，巧妙地利用“引力彈弓”效應為自己增加動能。

“羅塞塔”發(fā)射1年之后的2005年3月，它與地球首次再會，飛越距離為300～14000km。其間要完成的主要操作包括跟蹤、軌道確定和有效載荷測試，飛越前后還要進行軌道修正機動。首次飛越地球之后，“羅塞塔”在2007年2月從相距約200km處飛過火星，并開展一些科學觀測。火星對地球的遮擋會造成約37min的通信中斷。此后，“羅塞塔”還分別在2007年11月和2009年11月2次飛越地球。

在飛往小行星帶的途中，“羅塞塔”進入被動巡航模式。飛過小行星帶時探測器重新工作，在距小行星幾千千米遠處對其進行觀測。記錄下來的科學數(shù)據(jù)將在飛越小行星后傳回地球。

在內(nèi)太陽系環(huán)繞了整整4圈之后，“羅塞塔”的速度已經(jīng)超過1.35×105km/h，跟它要追趕的目標已經(jīng)不相上下了。當它獲得足夠速度，踏上準備與67P彗星相會的軌道時，已位于距離太陽超過上億千米的地方，陽光已經(jīng)微弱到無力再維持其正常運轉了。于是，在2011年5月進行了一次大型深空機動后，ESA的任務團隊于2011年7月讓“羅塞塔”進入休眠期，以保存能源，直到2014年1月被喚醒。在此期間，“羅塞塔”與太陽和地球的距離都將達到最大值，分別為約8×108km和1.0×109km。

7 至關重要：多次軌道修正機動，完成星器最終匯合

“羅塞塔”的外形是一個大型鋁制箱體，尺寸為2.8m×2.1m×2.0m，箱體中央是主推進系統(tǒng)，其中包括分別裝有燃料和氧化劑的2個大型推進劑貯箱。軌道器還攜帶阿斯特留姆公司設計的24臺雙組元軌道與姿態(tài)控制推力器，每臺推力為10N，用于精確姿態(tài)調(diào)整與軌道修正，推進劑總質量是整個探測器發(fā)射質量的1/2強（約1.7t）。

2014年5月7日，“羅塞塔”距目標67P彗星約2.0×106km，并以相對于彗星775.1m/s的速度向前追趕。由于“羅塞塔”和67P彗星處于不同的軌道，若地面操控中心不執(zhí)行任何操作，按照目前兩者的位置和速度，在6月4日的時候“羅塞塔”在距67P彗星50000km的地方飛過，那么整個任務將竹籃打水一場空。因此，在接下來的2個月時間里，地面指控中心必須完成對“羅塞塔”的數(shù)次軌道修正和速度修正，讓其能夠在8月6日與67P彗星會合并保持相同速度。

“羅塞塔”任務的地面指控人員從2014年5月中旬到7月底執(zhí)行了8次推力器點火，在最開始的2周執(zhí)行4次點火，之后每周1次。在點火的初期階段，為了防止出現(xiàn)1次或多次點火失敗的狀況，時間窗口設計的相對較寬，留有多次點火的時間來保證軌道修正機動和探測器降速的成功實施。初期過寬的時間窗口壓縮了后幾次的點火時間，因此留給后續(xù)的點火時間窗口越來越窄，也就是說后來的點火必須嚴格按照時間執(zhí)行。從推力器點火計劃也可以發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律，初始幾次彗星與“羅塞塔”的相對速度減少最多，相對距離縮短最快，消耗推進劑也最多，后面將逐漸減少。這樣的設計雖然給后幾次點火帶來了很大壓力，但是遞減的任務量也有效地規(guī)避了風險。

為了讓“羅塞塔”更加靠近67P彗星并環(huán)繞飛行，地面人員于2014年8月3日進行了一次點火，將“羅塞塔”和67P彗星的距離從200km縮小到150km左右，相對速度減小到1m/s；8月6日又進行了一次點火，將星器間距離進一步縮小到100km，并進入67P彗星軌道。

“羅塞塔”的運行軌道

“羅塞塔”釋放“菲萊”著陸器示意圖

歐洲空間運行中心（ESOC）的“羅塞塔”任務地面指控人員強調(diào)指出，發(fā)動機點火至關重要，任何軟件上的小毛病、意想不到的安全模式和通信問題都會推遲推力器點火，延遲點火的時間越長，后面所需要的補救工作也就越復雜。但“羅塞塔”發(fā)動機點火很順利。

“羅塞塔”現(xiàn)階段工作正常，但由于2009年6月反作用控制系統(tǒng)發(fā)生燃料泄漏，導致目前推進器燃料供給系統(tǒng)壓力比原計劃低。

推力器點火時間

8 “羅塞塔”遠征大事記

“羅塞塔”于2004年發(fā)射升空，其任務是追上丘留莫夫-格拉西緬科彗星，并實施彗核著陸探測。由于動力系統(tǒng)不足以將其直接送往彗星，探測器采取借助地球和火星引力的方法，4次調(diào)整速度和軌道，迂回抵達目標彗星，這一過程需耗時10年。

2005年3月，“羅塞塔”首次借助地球引力改變速度和軌道，并于2007年分別向火星和地球“借力”調(diào)整飛行。2009年11月，“羅塞塔”第三次也是最后一次飛掠地球，借力調(diào)速變軌。在此期間，它也對火星和沿途遇到的小行星進行了觀測。

2008年9月，“羅塞塔”近距離飛掠斯坦斯小行星，用所攜導航相機及光學和紅外成像系統(tǒng)對其進行了全方位觀測，并將數(shù)據(jù)傳回ESA。這些數(shù)據(jù)可以幫助科學家更深入地了解小行星的成分和形成過程，充實有關太陽系歷史的知識。

2010年7月，“羅塞塔”近距離飛掠魯特西亞小行星，并傳回首批高清照片。觀測結果證實，這顆小行星是個不斷旋轉的長橢球形天體，其表面布滿隕石坑，說明它曾多次遭受劇烈撞擊。

經(jīng)過31個月休眠后，“羅塞塔”的軌道重新接近太陽。2014年1月20日，探測器的鬧鐘系統(tǒng)依據(jù)ESA指令，按時啟動探測器上的重要系統(tǒng)，使其重新工作。

2014年5月14日，“羅塞塔”上所有的儀器都被喚醒，處于待命狀態(tài)。5月22日，“羅塞塔”成功完成了飛抵67P彗星前的第一次主要機動。

2014年8月16日17：00，“羅塞塔”在完成持續(xù)6min26s的點火制動后順利進入67P彗星的軌道，與其距離100km。

在接下來的6周時間里，“羅塞塔”將開始對彗星表面進行繪圖，并對其質量、引力場和形態(tài)等進行探測。根據(jù)觀測到的數(shù)據(jù)為著陸器“菲萊”選擇一個合適的著陸地點。如不出意外，“羅塞塔”將于11月11日向67P彗星釋放著陸器“菲萊”。此后，著陸器將緊緊附著在彗核上，一同飛向太陽，從而觀察彗核物質如何在陽光作用下蒸騰噴發(fā)。預計，此次探測任務將于2015年12月結束。

2008年9月，“羅塞塔”近距離飛掠斯坦斯小行星