歐洲“羅塞塔”釋放“菲萊”成功著陸

劉嘉寧（北京空間科技信息研究所）

北京時間2014年11月13日06∶03，歐洲航天局（ESA）“羅塞塔”（Rosetta）探測器團隊最終確認(rèn)“菲萊”（Philae）著陸器已附著在彗星表面，偏離預(yù)定位置“J”點1000多米，著陸器位于懸崖底部位置，光照嚴(yán)重不足，導(dǎo)致包裹的太陽電池片不能提供足夠的電量。但“菲萊”若干科學(xué)載荷工作正常，在主電池電量消耗至休眠電量前傳回了關(guān)于67P/楚留莫夫-格拉西門克彗星（以下簡稱67P彗星）的大量重要數(shù)據(jù)。目前，“菲萊”已處于休眠狀態(tài)，盡管其著陸過程頗多曲折，但創(chuàng)造了歷史，成為人類首個軟著陸于彗星表面進行探測的飛行器。

1 著陸過程磨難重重，著陸地點差強人意

北京時間2014年11月12日16:35，“羅塞塔”成功釋放“菲萊”，28min20s延時之后，北京時間17:03，ESA控制中心收到確認(rèn)消息，“菲萊”已經(jīng)與“羅塞塔”安全分離。

由于67P彗星重力為10－3m/s2，逃逸速度僅為0.48m/s。為了防止著陸后被彈飛，“菲萊”以3.5km/h的速度做自由落體運動緩慢地朝著彗星表面下降，22.5km的路程走了約7h。

“菲萊”的著陸過程可謂磨難重重。在分離前的檢查中發(fā)現(xiàn)，“菲萊”頂部用于抵消其著陸時反沖力的冷氣噴射裝置（氮氣發(fā)動機）出現(xiàn)故障，且無法修復(fù)。“菲萊”的冷氣裝置由氣體貯存罐和穿刺機構(gòu)構(gòu)成，穿刺機構(gòu)含有2根刺針（1根冗余），用于刺破儲氣罐上的蠟封。但是傳感器傳回的數(shù)據(jù)顯示，罐內(nèi)氣壓并無變化，據(jù)“羅塞塔”團隊工程師分析原因可能是穿刺機構(gòu)失靈導(dǎo)致。經(jīng)過緊張研究之后，ESA的工程師們?nèi)匀粵Q定讓“菲萊”按計劃登陸。

當(dāng)快要接觸到彗星表面時，科學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)用于固定的2個“魚叉”裝置并沒有彈出，只剩下3個著陸腿上的冰螺栓能正常工作，原有的3個保險措施只剩下1個正常工作，這讓“菲萊”能夠附著在這顆重力微小彗星的希望變得渺茫。

接下來的著陸過程中可謂驚心動魄，第一次著陸（北京時間11月12日23:34）雖然準(zhǔn)確地落在了著陸點，但由于缺少固定裝置，“菲萊”沒有固定下來，而是以38cm/s的橫向速度向前彈跳翻滾了近113min，最遠時距彗星表面450m高。

“菲萊”上的“魚叉”裝置

“羅塞塔”團隊根據(jù)彗核紅外與可見光分析儀（CIVA）、“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)（ROLIS）兩者傳回影像的數(shù)據(jù)分析顯示，預(yù)定著陸點“J”表層并非原來預(yù)想的由多孔的砂石構(gòu)成，有很大可能是一層薄土覆蓋在一塊堅硬的巖石上，因此“菲萊”第一次著陸后被彈回了如此遠的距離。

根據(jù)搭載的“羅塞塔”磁強計與等離子體監(jiān)測儀（ROMAP）數(shù)據(jù)記錄，“菲萊”經(jīng)歷了第二次彈跳（北京時間11月13日01:25），以橫向速度3cm/s又向前翻滾了7min后才停在最終位置，偏離預(yù)定地點千米有余。

姿態(tài)穩(wěn)定后，“菲萊”上搭載的6臺彗核紅外與可見光分析儀拍攝到彗星表面的全景照片顯示，“菲萊”的左側(cè)地形較平緩，右側(cè)的“懸崖”距離很近，有可能一條腿懸空，一條腿撐在水平地面，另一條腿靠在崖壁上。

據(jù)“羅賽塔”項目主管Fred Jansen表示，“菲萊”目前處于懸崖的底部，那里陽光嚴(yán)重不足，“菲萊”上包覆的太陽電池片在1個67P彗星日（12.4h）里只能接收到1.5h的有效照射，而主電池電量只能維持60h。按照設(shè)計，“菲萊”在主電池電量耗盡后將依靠太陽電池供電，太陽光照不足意味著“菲萊”將無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

“菲萊”即將降落到彗星上

為了盡可能地延長“菲萊”的探測時間，工程師已發(fā)送包括利用3個著陸腿上的冰螺栓將探測器高度提升4cm、旋轉(zhuǎn)探測器主體35°的指令來調(diào)整太陽電池板的角度，使其能最大程度地接觸陽光。但這于事無補，而且在完成上述機動調(diào)整后電池電壓大幅下降，已接近21.5V的警戒線。

“菲萊”可能的著陸位置

不過，研究人員表示，即便電池耗盡而不再收發(fā)信號，“菲萊”著陸后完成了一些實驗并已傳回彗星表面和淺層物質(zhì)的分析數(shù)據(jù)，這已經(jīng)非常令人振奮。“菲萊”項目負(fù)責(zé)人Stephan Ulamec稱，“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)、彗星采樣與成分實驗件（COSAC）、托勒密實驗件（Ptolemy）等科學(xué)載荷已經(jīng)完成了大部分探測任務(wù)，樣品與分發(fā)裝置（SD2）上的鉆頭完成了從彗星表面以下25cm處取樣并送入成分分析室的預(yù)定任務(wù)，但表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器（MUPUS）未能達成試驗?zāi)繕?biāo)，該遙感器上探針的鉆取能力是基于20世紀(jì)80年代“喬托”（Giotto）探測器對“哈雷”彗星（1P/Halley）的認(rèn)識所設(shè)計的，但67P彗星表面實際硬度大于2MPa（抗拉強度：砂石5～15MPa，花崗巖5～20MPa），探針無法穿透，沒有獲取表層下的數(shù)據(jù)。

“盡管經(jīng)歷了3次著陸才最終穩(wěn)定下來，但探測器上的載荷在艱難的環(huán)境下表現(xiàn)很好，‘菲萊’目前已取得80%的主要科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，取得了難以置信的科學(xué)成功，我們?yōu)樗械饺f分驕傲。”Ulamec在接受采訪時說，“根據(jù)目前主電池的狀態(tài)，下次通信的可能微乎其微，團隊將‘菲萊’置于休眠狀態(tài)，希望在靠近太陽的過程中，太陽電池片能夠獲得足夠照射，重新激活‘菲萊’。”

2 著陸之后的工作

按照原計劃，著陸后“菲萊”上的設(shè)備將開始對彗星地表的密度和熱性質(zhì)進行觀測，氣體分析儀將幫助檢測并確認(rèn)那里可能存在的任何復(fù)雜有機質(zhì)。與此同時，其他設(shè)備也將對彗星的磁場以及彗星與太陽風(fēng)之間的相互作用進行觀測—太陽風(fēng)是一種源自太陽的高能粒子流。“菲萊”還攜帶有一部鉆機，其大約可以鉆進彗星地表之下20cm深，并將樣品送入其內(nèi)部的測試系統(tǒng)。

現(xiàn)在，“菲萊”已經(jīng)著陸在彗星上，但可惜的是由于3個固定裝置中的2個都出現(xiàn)故障，造成其未能平穩(wěn)地附著在預(yù)定著陸點，而是位于一個懸崖底部的位置。主電池電量耗盡和太陽能電池接受光照嚴(yán)重不足，以及著陸器姿態(tài)傾斜過度，導(dǎo)致部分科學(xué)實驗未能完成，但“菲萊”還是傳回了大量有效數(shù)據(jù)，只不過原計劃利用太陽能電池工作到2015年3月的擴展任務(wù)將無法實現(xiàn)。但“菲萊”也并不是完全沒有“蘇醒”的希望，由于目前彗星朝太陽飛去，預(yù)計2015年8月到達近日點，彗星與太陽的距離將縮小到1.8×108km以內(nèi)，期間彗星溫度會持續(xù)升高，使由冰和塵埃構(gòu)成松散結(jié)構(gòu)的彗星表面物質(zhì)剝離和噴射，此時彗星表面每秒鐘都將會噴射出數(shù)以百噸計的物質(zhì)，借此有可能幫助“菲萊”調(diào)整到一個較好的位置，但也有很大的風(fēng)險將其吹飛。

“菲萊”在彗星表面工作期間，“羅塞塔”將做分離后軌道（post-separation path）到環(huán)繞軌道的機動，并于2014年12月3日返回距彗心20km的圓形環(huán)繞軌道，進行為期10天的彗星整體高精度成像與噴發(fā)物質(zhì)收集工作，之后其將返回30km軌道。伴隨彗星繼續(xù)運行至少1年，觀察彗星在逐漸接近太陽時發(fā)生的變化。期間，它將進行若干次大膽的掠飛，最近處距彗心僅為8km，用攜帶的載荷對愈發(fā)“活躍”的彗星進行拍照和噴射物質(zhì)采樣分析。

3 一些啟示

深空探測任務(wù)實施難度大，設(shè)計面臨任務(wù)需求和探測目標(biāo)惡劣環(huán)境等方面的重大挑戰(zhàn)

地外星體的深空探測任務(wù)設(shè)計面臨著任務(wù)需求、星表環(huán)境和設(shè)計需求等方面的挑戰(zhàn)：

1）在任務(wù)需求方面，由于深空探測任務(wù)普遍耗資巨大，為了盡可能多地實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，提高投入產(chǎn)出比，因此都會采用“主任務(wù)＋擴展任務(wù)”的模式。這樣長周期的工作狀態(tài)，對探測器的熱控、電源、通信、自主控制等方面的設(shè)計壽命和可靠性都提出了很大的挑戰(zhàn)。

2）在環(huán)境局限方面，目標(biāo)星球的表面環(huán)境是影響像“羅塞塔”這樣需要軟著陸到行星表面進行原位探測任務(wù)的主要因素，表現(xiàn)在對重力、塵埃、長時間輻射、巨大溫差和多變地形的耐受力等方面。

3）在設(shè)計需求方面，深空探測器的設(shè)計面臨以下挑戰(zhàn)：保證探測功能的前提下做到質(zhì)量與尺寸的最小化；所有關(guān)鍵系統(tǒng)能長時間可靠運行；高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)保障寶貴的探測數(shù)據(jù)及時傳輸；持續(xù)的能源供應(yīng)與可靠的熱控系統(tǒng)。

同時我們注意到，“菲萊”在3次跳躍后落入“坑”中，雖經(jīng)過機身旋轉(zhuǎn)和抬升，但機身角度仍未得到有效校正，使太陽能電池未能接收足夠太陽光，擴展任務(wù)取消。因此，執(zhí)行原位探測任務(wù)的探測器應(yīng)模仿一些行星巡視器，增加可控彈簧、伸縮腿、小反沖火箭之類的裝置，實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的“脫困”。

高可靠的進入、下降與著陸技術(shù)是實現(xiàn)軟著陸探測的關(guān)鍵

“羅塞塔”計劃作為ESA深空探測的旗艦任務(wù)，其上搭載的科學(xué)載荷和探測器的軌道都經(jīng)過了精心的設(shè)計。10年中，“羅塞塔”3次飛掠地球，1次飛掠、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(yīng)為自己增加動能，達到追趕上67P彗星的目的，這些精準(zhǔn)的軌道機動可為完美。然而，萬里長征的最后一步卻差強人意。由于冷氣系統(tǒng)和錨定“魚叉”裝置的固定雙保險在著陸過程中均告失效，“菲萊”精確地落在著陸點后卻未能平穩(wěn)地停下來，導(dǎo)致一些重要的科學(xué)載荷未能正常工作以及后續(xù)擴展任務(wù)的取消。這個教訓(xùn)充分說明了對目標(biāo)星體實施探測成功的關(guān)鍵在于高可靠進入、下降與著陸（EDL）技術(shù)的保障，進入、下降與著陸方案還需根據(jù)目標(biāo)星體的表征環(huán)境和探測器結(jié)構(gòu)“因地制宜”。像67P彗星這樣不存在大氣，引力極低，并且存在表面碎屑噴射的環(huán)境，就與在火星著陸截然不同。

總裝中的“羅塞塔”與“菲萊”著陸器

需要建立健全探測目標(biāo)模擬仿真環(huán)境，對探測器的部分和整體進行全面的技術(shù)及可靠性驗證

“羅塞塔”上搭載的冷氣系統(tǒng)和錨定“魚叉”裝置的失效，致使其未能穩(wěn)定著陸，這是造成部分科學(xué)探測任務(wù)未能完成的主要原因。同時我們還應(yīng)注意到，由于對67P彗星表面環(huán)境的評估不足和基于老舊資料來設(shè)計科學(xué)載荷，使用其上攜帶的一些科學(xué)載荷，即使正常工作也不能物盡所能。“羅塞塔”在20世紀(jì)70年代開始規(guī)劃到今天實施，時間跨度超過40年，即便從正式被批準(zhǔn)進入實施階段，也已經(jīng)過去了超過20年的時間。漫長的設(shè)計周期帶來的問題是，仍使用之前探測器飛掠探測獲得其他彗星的少量資料來對67P彗星表面環(huán)境進行的評估，而且當(dāng)時的技術(shù)與設(shè)計水平也是限制載荷探測能力的重要原因。

ESA在1993年正式立項“羅塞塔”計劃前，僅僅進行過一次對于中周期彗星“哈雷”的探測（“喬托”），而當(dāng)時人類總共的彗星探測次數(shù)不超過5次，而且均為飛掠探測。“菲萊”上的表面與亞表面科學(xué)多用途遙感器所含探針的測試對象是低密度的疏松物質(zhì)：多孔混凝土、沙、雪和絕熱泡沫等。然而，67P彗星表面物質(zhì)屈服強度遠超過2MPa，大于探針的鉆取能力，導(dǎo)致該項重要試驗失敗。因此，要有所針對地研究目標(biāo)星球的環(huán)境特點，綜合分析大氣、重力、氣候變化、地形等多種因素對探測器的影響，篩選出影響較大的因素，建立綜合性模擬試驗場，整合進入、下降與著陸過程中的關(guān)鍵技術(shù)，對探測器的部分和整體，與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行反復(fù)測試。

4 結(jié)束語

“羅塞塔”從2004年發(fā)射到2014年最終趕上彗星，經(jīng)歷了漫長的10年艱辛，期間3次飛過地球、1次飛過火星，沿著復(fù)雜的軌道圍繞太陽運行超過6.0×109km，終于得償所愿。這幾乎是整整一代人的青春，一代科學(xué)家整個的職業(yè)生涯都奉獻在了這個偉大的世紀(jì)項目上，同時這也是人類走出地球、探索太空的一場盛宴。從某種意義上說，“羅塞塔”項目幾乎是讓科幻成真，而這一項目實際上也在幫助我們解答一個終極問題：在宇宙中，我們是孤獨的嗎？