□ 司馬杭仁

十年寂寞長旅，“羅塞塔”即將首蒞彗星

□ 司馬杭仁

“羅塞塔”飛往彗星

2014年1月20日，歐洲最雄心勃勃的和昂貴的太空任務(wù)之一——“羅塞塔”彗星探測器從“冬眠”模式中開機(jī)，啟動(dòng)其上的科學(xué)探測設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等，并進(jìn)行自檢和調(diào)整，從而恢復(fù)工作；接著，開始自行校正，使探測器從休眠時(shí)期的緩慢旋轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定下來，并將主天線對準(zhǔn)地球方向，使它與地球重啟中斷了31個(gè)月之久的聯(lián)系。2014年3月28日，歐洲又成功喚醒了“羅塞塔”攜帶的“冬眠”超過兩年半的“菲萊”彗星著陸器?！傲_塞塔”將于2014年8月抵達(dá)67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星，同年11月登陸該彗星。

彗星探測概覽

至今，人類已開展過兩次大規(guī)模發(fā)射彗星探測器的活動(dòng)，第一次是在20世紀(jì)80年代，第二次是從1999年到現(xiàn)在。從技術(shù)上講，第二次與第一次相比發(fā)生了質(zhì)的飛躍，對世界范圍內(nèi)的其他空間探測也有巨大的推動(dòng)作用。

1984～1986年，全世界先后發(fā)射了5個(gè)“哈雷”彗星探測器，目的是對著名的“哈雷”彗星回歸進(jìn)行探測。它包括蘇聯(lián)的維加-1和維加-2、歐洲的“喬托”、日本的“先驅(qū)”和“彗星”，其中1985年7月2日發(fā)射的“喬托”影響較大，對研究哈雷彗星彗核起了重要作用。

第一次大規(guī)模彗星探測沒有直接登陸彗核進(jìn)行研究，也沒有收集彗星物質(zhì)返回地球。近年發(fā)射的3個(gè)彗星探測器改變了這種局面。

2004年3月2日發(fā)射的歐洲“羅塞塔”擬首次實(shí)現(xiàn)近距離繞彗星運(yùn)行、首次伴彗星一起在接近太陽的過程中邊飛行邊觀測、首次在彗核表面軟著陸……該探測器探測的67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星由冰塊、塵埃和巖石組成，大約每6年內(nèi)一次。其彗核直徑大約4千米，在太陽系內(nèi)的飛行速度為135000千米/小時(shí)?！傲_塞塔”的任務(wù)是要搞清它為什么要向外噴射其物質(zhì)等疑難問題。如果這次行動(dòng)成功，將給人類帶來大量的新知識。

歐洲“喬托”彗星探測器

攜帶彗星塵埃的返回艙與“星塵”彗星探測器主體分離返回地球

2006年1月15日，美國“星塵”返回艙首次攜帶懷爾德-2彗星樣本返回地球?！靶菈m”于2004年1月2日與懷爾德-2彗星交會，并伸出“網(wǎng)球拍”狀“氣凝膠塵埃采集器”捕獲了彗星物質(zhì)粒子?，F(xiàn)有100名專業(yè)研究人員和上千名業(yè)余愛好者參與彗星塵埃的分析和研究，完整的分析可能要耗時(shí)10年。

2005年1月12日發(fā)射的美國“深度撞擊”用于探測彗核內(nèi)部與其表面之間的不同。它由軌道器和撞擊艙組成，其中的撞擊艙于2005年7月4日首次撞擊了坦佩爾-1彗星，這是人類第一個(gè)實(shí)際接觸并探索彗星的空間活動(dòng)，造成彗星內(nèi)部物質(zhì)溢出，軌道器收集了彗星內(nèi)部物質(zhì)信息。

2010年11月4日，“深度撞擊”軌道器從近距離掠過哈特利-2彗星時(shí)拍攝了彗星的罕見特寫圖像，成為首個(gè)近距離造訪兩顆彗星的探測器。

彗星探測之路也并不平坦。例如，美國2002年7月3日發(fā)射的“彗核旅行”上天不久就與地面失去聯(lián)系?！吧疃茸矒簟币矝]有取得預(yù)期的效果。

“深度撞擊”彗星探測器釋放“撞擊者”

為何熱衷探彗

那么，為什么人們對探測彗星如此感興趣呢？簡單地說，彗星是太陽系形成時(shí)殘留下來的初始物質(zhì)，對研究太陽系形成和演化很有價(jià)值。

曾被人描述為“臟雪球”的彗星來自于比海王星軌道還要遠(yuǎn)的、環(huán)繞太陽運(yùn)行的一個(gè)由神秘天體構(gòu)成的帶。當(dāng)彗星在其環(huán)繞太陽運(yùn)行的長途跋涉中向太陽系內(nèi)部飛行的時(shí)候，彗星上的冰受太陽加熱而融化，噴出氣體射流和糊狀碎片，于是人們在天空中看到彗尾。

科學(xué)家們認(rèn)為彗星事實(shí)上就是宇宙產(chǎn)生時(shí)期剩下的原始物質(zhì)。一些人猜想彗星上窩藏著復(fù)合碳分子。在地球幼年時(shí)期受到太空巖石撞擊過程中，這些碳分子可能已經(jīng)在地球上“播種”了制造生命的化學(xué)積木塊。所以探測彗星有希望說明地球上生命的起源。

此外，彗星撞擊地球會引起災(zāi)變，地球上的水也可能來自彗星，因此探測彗星有助于揭開這些長期令人困惑不解的謎。

探測彗星的本質(zhì)及其組成成分，還能了解太陽風(fēng)的物理性質(zhì)和化學(xué)成分。

研究表明，彗星上隱藏著關(guān)于太陽系起源的原始信息，它可能是地球水資源的最終來源，甚至有的研究認(rèn)為彗星上攜帶的生命分子在撞擊地球后被激活，地球的高溫高壓環(huán)境也促使它形成復(fù)雜的分子。所以，對彗星的調(diào)查有助于科學(xué)家了解太陽系的演變歷程。彗星上攜帶的遠(yuǎn)古塵埃和冰，可以追溯到數(shù)十億年前太陽系形成之初。該計(jì)劃的實(shí)施有助于科學(xué)家進(jìn)一步研究46億年前太陽系的形成過程，并探索水甚至地球生命的生成奧秘。

“羅塞塔”探測器是以一塊幫助考古學(xué)家解釋了埃及象形文字的石頭的名字命名的。作為歐洲最具雄心的航天計(jì)劃之一，“羅塞塔”計(jì)劃可謂一波三折。這次發(fā)射曾被安排在2003年1月，但由于發(fā)射前的1個(gè)月（2002年12月），歐洲新型阿里安-5火箭首次發(fā)射慘重失敗，所以“羅塞塔”發(fā)射被推遲到2004年。最終歐洲還是使用這種新型火箭在法屬圭亞那發(fā)射“羅塞塔”，發(fā)射時(shí)間窗口僅有20分鐘?！傲_塞塔”原定的探測目標(biāo)是“維爾塔寧”（Wirtanen）彗星，但由于已錯(cuò)過了發(fā)射窗口，所以改為探測距地球5億千米的67P彗星，即“楚留莫夫-格拉?！卞缧?，它是1969年由蘇聯(lián)天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的。

總裝“羅塞塔”

漫長飛行之旅

“羅塞塔”由14個(gè)歐洲國家及美國的50余家公司參與，項(xiàng)目主承包商為歐洲阿斯特里姆公司。它的起飛重量3000千克，由“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器組成。

價(jià)值10億美元的“羅塞塔”曾3次飛過地球，2007年進(jìn)行火星借力飛行，2008年9月飛越2867號小行星，2010年7月飛越21號小行星“魯特西亞”（司琴星），2011年6月進(jìn)入自旋穩(wěn)定的“休眠”模式，即除計(jì)算機(jī)和休眠加熱器繼續(xù)工作外，所有電子設(shè)備關(guān)閉?！靶菝摺笨梢允埂傲_塞塔”保存能源，但也是最為冒險(xiǎn)的階段?！傲_塞塔”于2014年1月20日被“喚醒”。2014年8月，它在距離太陽6.73×108千米處與67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星會合，進(jìn)入彗星軌道后圍繞該彗星轉(zhuǎn)動(dòng)，開始為期18個(gè)月的空中環(huán)繞觀測，繪制彗星地圖，分析懸浮物質(zhì)，記載相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)選擇合適的著陸點(diǎn)。

選好著陸地點(diǎn)后，“羅塞塔”將于2014年11月向彗星表面投放一個(gè)100千克重的“菲萊”著陸器，它落在彗星冰蓋上并進(jìn)行化學(xué)檢測。這將是航天器首次登陸彗星，也是一次從沒有嘗試過的危險(xiǎn)實(shí)踐。如果登陸成功，該著陸器將在彗星表面采集樣品，并拍攝彗星于2015年到達(dá)近日點(diǎn)時(shí)的圖片。2014年8月至2015年底，“羅塞塔”軌道器會伴隨著67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星逐漸接近太陽，從而探測在太陽光的加熱作用下彗星生成的氣體和塵埃（即彗發(fā)），并對彗星的重力場、質(zhì)量和外形等進(jìn)行全面的探測。科學(xué)家希望通過“羅塞塔”的工作，對這些神秘的冰凍天體有更多的了解，這或許對揭開太陽系早期環(huán)境的謎題有所幫助。1年后，“羅塞塔”將完成使命，回到地球附近。整個(gè)彗星探測任務(wù)將歷時(shí)10～11年。

兩器各顯神通

“羅塞塔”軌道器為長方體結(jié)構(gòu)，尺寸為2.8米×2.1米×2.0米；主推進(jìn)系統(tǒng)采用24臺10牛雙組元推力器；雙太陽電池翼的總面積為64米2，翼展32米，可旋轉(zhuǎn)180°，功率在距離目標(biāo)彗星3.4AU處為850瓦，距離該彗星5.25AU處為395瓦；頂部的有效載荷艙安裝了總質(zhì)量165千克的有效載荷，側(cè)面安裝了一副直徑2.2米的可控高增益天線。軌道器用于分析彗星的物理和化學(xué)構(gòu)成及其電磁和引力等特性，著陸器裝有用于取樣和就地研究分析的探測儀器。

“羅塞塔”軌道器上載有11種儀器：

1.用于拍攝彗核和小行星的高分辨率光學(xué)分光與紅外遙感成像系統(tǒng)；

2.用于分析彗發(fā)和彗核中的氣體、測量彗星的水分和CO/CO2的生成速率并提供有關(guān)彗核表面成分?jǐn)?shù)據(jù)的紫外成像光譜儀；

3.用于測繪與研究彗核表面的固態(tài)物質(zhì)和表面溫度的可見光與紅外熱成像光譜儀；

4.用于測量彗星主要?dú)怏w成分、表面放氣率和彗核溫度的微波儀；

5.用于測定彗核大氣層和電離層的成分、氣體中帶電粒子的速度和有它們參加的反應(yīng)以及研究小行星可能存在的放氣現(xiàn)象的離子與中子分析光譜儀；

6.用于觀察是否含有有機(jī)物質(zhì)并分析彗星發(fā)射出的塵埃、微粒的成分等特性的彗星次級離子質(zhì)量分析儀；

7.用于研究小行星和彗星周圍環(huán)境中塵埃、微粒的微型成像塵埃分析系統(tǒng)；

8.用于測量彗核和來自其他方向（受太陽輻射壓作用）的塵埃微粒數(shù)量、質(zhì)量和動(dòng)量的微粒撞擊分析與塵埃收集器；

9.用于測量彗核的物理特性、研究內(nèi)彗發(fā)的結(jié)構(gòu)和彗星與太陽的相互作用、監(jiān)測彗星活動(dòng)的等離子探測器包；

10.用于研究由彗核反射和散射的射電波，借以探測彗星內(nèi)部構(gòu)造的射電波發(fā)射彗核探測實(shí)驗(yàn)件；

11.用于測量彗核的質(zhì)量、密度和引力，確定彗星的軌道，研究彗發(fā)的內(nèi)部情況等的射電科學(xué)研究儀器。

“羅塞塔”釋放“菲萊”著陸器

歐洲“羅塞塔”軌道器與著陸器分離

著陸器“菲萊”的名字是由一個(gè)15歲的意大利女孩提出的，這個(gè)女孩在歐洲年輕人命名探測器的競賽活動(dòng)中勝出。“菲萊”由一塊基板、一個(gè)儀器平臺和一個(gè)多面體夾層組成，所有結(jié)構(gòu)采用碳纖維。

實(shí)際上，“菲萊”是一個(gè)微型實(shí)驗(yàn)室，裝備了10種總質(zhì)量為26千克探測設(shè)備，它們分別為：

1.用于探測α粒子和X射線，從而提供彗表元素成分?jǐn)?shù)據(jù)的α粒子與X射線光譜儀；

2.用于拍攝表面全景照片和研究從表面采集的樣品的成分、構(gòu)造和反射率的彗核紅外與可見光分析儀；

3.用于探測彗核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的射電波發(fā)射彗核探測實(shí)驗(yàn)件（來自軌道器上同名儀器的射電波將穿過彗核，由著陸器上的一臺應(yīng)答機(jī)發(fā)送回去）；

4.用于根據(jù)元素和分子組成來探測和確定有機(jī)分子絡(luò)合物的彗星采樣與成分實(shí)驗(yàn)件；

5.用于對輕元素的同位素比率進(jìn)行精確測定的穩(wěn)態(tài)同位素中輕元素/托勒密實(shí)驗(yàn)件；

6.用于測量彗表的密度及熱力學(xué)和力學(xué)特性的表面與表層科學(xué)多用途遙感器；

7.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)的立體全景圖像的“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)；

8.用于研究當(dāng)?shù)卮艌龊湾缧桥c太陽風(fēng)間的相互作用的“羅塞塔”著陸器磁強(qiáng)計(jì)與等離子體監(jiān)測儀；

9.用于鉆探到表面以下20厘米以上，采集樣品，并交給不同的加熱爐或用于顯微鏡觀察的樣品與分發(fā)裝置；

10.用于測定彗星外層特性的表面電、震動(dòng)與聲學(xué)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)件。

這些設(shè)備將用于對彗核表層以下的物質(zhì)取樣，就地研究分析彗核表面和表面下層物質(zhì)的成分，重點(diǎn)是調(diào)查有否存在有機(jī)物質(zhì)；同時(shí)也研究彗核表面的強(qiáng)度、密度、致密性、疏松性、冰塊和熱特性等物理特性，并把拍到的照片通過“羅塞塔”傳回地面控制中心。這些設(shè)備反映了歐洲對太空研究的全新戰(zhàn)略思路和設(shè)計(jì)理念。

“羅塞塔”軌道器與著陸器工作示意圖

“菲萊”裝在“羅塞塔”軌道器的側(cè)面，著陸時(shí)采用腿式緩沖機(jī)構(gòu)。由于該彗星的引力很小，當(dāng)著陸器在彗星表面著陸時(shí)要防止被彈出去?？茖W(xué)家們將使“菲萊”減速后緩慢自然降落，速度是1米/秒。即使是這樣，仍舊像人在行走時(shí)撞上墻一樣，所以著陸器有3條“腿”，在與彗核接觸瞬間3條腿可以吸收掉大部分撞擊功能，起到緩沖作用，一旦同彗核接觸，立即伸出一個(gè)類似“魚叉”的叉鉤，將自己固定在彗核表面。這就像?？扛劭诘暮酱瑨佸^一樣把著陸器錨在彗星表面上，防止飄走?！胺迫R”考察的最短時(shí)間為幾星期，但也可能會持續(xù)數(shù)月。

這次探測的關(guān)鍵是“羅塞塔”獲得多少太陽能。在飛行中，它要展開一對14米長的太陽能電池翼，并能夠在極低溫的狀態(tài)下吸收微弱的太陽能?！胺迫R”也必須調(diào)整好太陽能電池板，因?yàn)橹懞笏捅仨氁揽刻柲馨l(fā)電維持工作。但它身處碎屑噴射的環(huán)境下，太陽能電池板將很容易被塵埃覆蓋而影響發(fā)電效率。

“羅塞塔”軌道器和“菲萊”著陸器能否成功還需拭目以待。

（責(zé)任編輯 張恩紅）