罗塞塔飞船 :欧洲航天局发射的彗星探测器

更新时间:2024-09-21 14:55

罗塞塔飞船是人类历史上首次围绕一颗彗星运行并在其表面着陆的探测器。属于罗塞塔彗星探测计划的设备,它是欧洲航天局“视野2000”-奠基石(ESA Horizon 2000 cornerstone)计划旗下的探测任务,整个项目耗资约13亿欧元,约合107亿人民币。

命名来源

2004年3月2日,欧洲航天局(ESA)发射了“罗塞塔”(Rosetta)彗星探测器,“罗塞塔”将用约10年时间追上一颗名叫丘留莫夫-格拉西缅科的彗星。“罗塞塔”将成为人类首个近距离绕彗星运行的探测器,其施放的彗星表面着陆器被命名为“费雷”(Philae)。“罗塞塔”彗星探测器是因罗塞塔石碑而命名的。罗塞塔石碑是大英博物馆1802年得到的。1799年,在距埃及亚历山大城48公里的罗塞塔镇附近,一名法国士兵发现了一块非常特殊的石头,后来证实就是后人说的“通往古埃及的钥匙”——罗塞塔石碑。罗塞塔石碑的珍贵之处在于,它记录了古代地中海地区的三种重要文字——象形文字、通俗文字(埃及象形文字的草写体)和希腊文字。当时只认出了三种文字中的希腊文,后来认为三种文字源于相同的文件。这是第一次在翻译文件和埃及象形文字之间直接比较。1801年,拿破仑·波拿巴统帅的远征军被英国军队击败。根据协议,法国无条件交出在埃及发掘到的一切文物。法国人虽竭力想保留石碑,无奈英国人也认识到石碑的不同寻常,这块762公斤重的石碑最终归于英国,陈列于大英博物馆

研发进展

2004年3月,罗塞塔 由一枚阿利安-5型火箭从位于南美洲的法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。这艘重达3吨的飞船被送入一个停泊轨道。

然而遗憾的是,火箭的推力并无法直接将飞船送往丘留莫夫-格拉西缅科彗星,因此科学家设计了一条复杂而精巧的迂回借力的飞行路线——罗塞塔飞船在离开地球之后开始围绕太阳“绕圈”,先后3次返回地球附近,一次飞过火星附近,借助这两颗星球的引力场进行加速。

以下列出罗塞塔飞船的重要时间节点:

2004年3月2日,飞船发射;

2005年3月4日,首次地球引力场借力;

2007年2月25日,火星引力场借力;

2007年11月13日,第二次地球引力场借力;

2008年9月5日,飞掠2867号小行星斯特恩斯(Steins)

2009年11月13日,第三次地球引力场借力;

2010年7月10日,飞掠21号小行星司琴星(Lutetia)

2011年6月8日,根据地面指令进入休眠模式;

2013年11月份,罗塞塔飞船将完成在67P/Churyumov-Gerasimenko彗星上释放一颗着陆器的计划。

2014年1月20日,罗塞塔探测器本体根据地面指令从休眠中苏醒;

2014年5月,开始进行姿态控制;

2014年6月份,罗塞塔飞船对C-G彗星的水汽喷射率进行了观测,结果发现其速率大约是每秒散失两杯水的量,这样它大约需要100天的时间可以填满一个标准游泳池。随着彗星不断朝着太阳加速运行,其表面将会被加热,水汽和其他挥发性物质的散失速度也将大大提升,从而形成壮观的彗尾。

2014年7月份,罗塞塔飞船对彗星进行了表面温度测量,结果显示其地表温度约为94F,约合-70摄氏度。这一数字足够高,证明其表面并非完全由水冰组成,有部分地表成分主要是尘埃或岩石,颜色较深,容易吸收热量。

2014年8月份前后探测器将会抵达彗星,在此期间罗塞塔和菲莱都将进行设备检查,确保所有设备和系统都处于完好状态,地面控制中心将在此期间排查并解决所有发现的问题。

2014年8月6日,经过10年,超过40亿公里的慢慢太空之旅过后,欧洲航天局(ESA)的罗塞塔探测器即将在北京时间今天下午抵达它的目标——“丘留莫夫-格拉西缅科彗星”(67P/Churyumov-Gerasimenko-简称C-G彗星)。在它抵达目标之前,它还幸运地与两颗小行星相遇,并对它们进行了考察,它们分别是第2867号小行星斯特恩斯(Steins),以及21号小行星司琴星(Lutetia)。科学家对彗星进行全球成像,绘制地图,选定着陆区。

在2014年的11月份,罗塞塔飞船上携带的一颗重约100公斤的小型着陆器将会与母船分离,并使用特殊的“鱼叉”三足固定系统着陆彗星表面。这将是人类历史上首次着陆一颗彗星的表面。

2015年3月4日,由罗塞塔飞船拍摄的67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星最高分辨率的图像对外发布了。这批照片是罗塞塔飞船在情人节当天近距离飞过彗核表面上空时拍摄的,当距离最近时,飞船距离这颗冰冻彗星的地表仅有6公里左右。在这样近的距离上,此次拍摄的图像上甚至可以分辨出直径大约11厘米左右的物体,而图像拍摄地区则位于这个“太空鸭子”的底部。

设备结构

罗塞塔飞船上还携带有一颗重约100公斤的小型着陆器,名为“菲莱”(Philae)。这是以埃及尼罗河中发现罗塞塔石碑的一座小岛的名字命名的。着陆器“菲莱”上一共装备了11台设备,同时它自身则被搭载在罗塞塔飞船母体上。这台100公斤重的登陆器将使用独特的鱼叉系统叉住彗星松散的表面并将自己固定在上面。彗星的引力太小,无法对探测器施加足够大的影响使其降落在其地表,因此必须采用这样的主动捆绑措施。

而为了达成科学考察目的,罗塞塔飞船上一共搭载了11台科学设备,包括:

ALICE——紫外成像光谱仪,用于彗发与彗尾的气体成分分析,彗核水汽与二氧化碳/一氧化碳产生率观测,并协助判定彗核成分;

CONSERT ——彗核探测与无线电通讯实验,借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性,研判彗核内部结构;

COSIMA——彗星二次离子质谱仪,分析彗核释放出的尘埃颗粒性质,包括判别其物质成分,以及是否含有有机化合物

GIADA——颗粒碰撞分析仪/尘埃采集器,用于测量尘埃颗粒的数量,质量,动量与速度,分布状况等信息;

MIDAS——微成像尘埃分析系统,分析彗星周围的尘埃环境,包括尘埃数量,大小,分布,形态等等;

MIRO——罗塞塔轨道器微波设备,用于判定主要气体丰度,彗核表面排气率,以及彗核浅地表温度;

OSIRIS——光学,光谱与红外遥感系统,拥有广角/窄角相机,可以获取高分辨率彗核图像;

ROSINA——罗塞塔轨道器离子与中性粒子光谱仪,包含两台探测设备,可以对彗星的大气/离子层进行考察;

RPC——罗塞塔飞船等离子体科学包,包括5台设备,对彗发进行分析,并监测彗星与太阳风粒子间的相互作用;

RSI——无线电科学实验,利用无线电信号频率偏移测量彗核的质量与引力场参数,反演彗核内部结构与密度状况,并进行轨道测定和彗发研究;

VIRTIS——可见光与红外热成像光谱仪,研判彗核固体物质成分,并测量地表温度,并帮助选取着陆器的着陆位置;

菲莱着陆器上同样安装有通讯天线,但它必须通过罗塞塔母船的中继才能将数据传回地球。菲莱上一共安装了9台科学设备,设备总重约21公斤。另外它还携带了钻探设备,用于在彗核表面进行钻探取样,这9台科学载荷包括:

APXS——阿尔法粒子-X射线光谱仪,它将会被置于距离地面仅4厘米左右的位置上,探测物质的阿尔法粒子/X射线辐射特征,从而分析其地表元素成分;

CIVA——全景相机,其一共包括6台完全相同的小型相机,用于拍摄彗核地表的全景图像,另外还包括光谱仪,用于分析从彗核地表获取样品的成分,结构以及反照率分析;

CONSERT——彗核探测与无线电通讯实验,借助无线电在彗核表面的反射/散射信号特性,研判彗核内部结构;

COSAC——彗星取样与成分分析仪,通过元素与分子信息分析彗星上复杂有机化合物

PTOLEMY——演化气体分析仪,用于对较轻元素的同位素分析;

MUPUS——地表与次地表多功能科学包,测量彗核表面的密度,热量与机械性质;

ROLIS——罗塞塔着陆器成像系统,这是一台CCD相机,用于在着陆彗核的过程中拍摄高分辨率图像,并拍摄其他设备取样区域的高清图像;

ROMAP——罗塞塔着陆器磁强计/等离子体监测仪,用于研究彗星磁场以及彗星/太阳风相互作用机制;

SD2——取样与分发设备,可以钻探进入彗核地下最深20厘米,并自动向不同分析设备进行样品分发;

SESAME——表面电性与声学监测装置,测量彗核以及彗核周围空间的声学与电学性质;

计划实施

罗塞塔和菲莱在此前的长期飞行过程中一直保持休眠状态,因为在它们的长期飞行轨道期间很大一部分时间都会远离太阳,导致其太阳能板无法接收到足够支持所有搭载设备的电能,而现在,在经过31个月的漫长旅程之后,飞船的位置已经相当接近太阳,因此它们可以从休眠模式中恢复过来,准备即将到来的探测任务。

在接下来的三周内,法国空间局将对着陆器进行全方位的体检,确保其各方面都情况良好,到四月的最后一周,将完成星上系统的准备工作。在经过5月和6月的测试检验之后,夏天的主要任务就是选择合适的着陆地点。

此次着陆任务将需要极高的精度和专业技能。来自全欧洲各地的大约300名专家将共同参与罗塞塔项目的实施中来。

如果一切都顺利进行,罗塞塔预计将在2014年的8月6日进入围绕彗星运行的轨道。在那之后将会进行彗星表面着陆点的挑选,并在11月份正式开展着陆行动。与此同时,罗塞塔探测器本身在着陆器登陆之后也会继续围绕彗星飞行,收集彗核的有关数据,从而帮助科学家们进一步了解彗星的性质和组成。

任务目标

根据惠普尔模型,彗星是一堆“脏雪球”,彗核主要是由冰,岩石和尘埃物质组成的,它们是太阳系早期冰冻原始物质的残余物。

此次罗塞塔探测器的考察目标是丘留莫夫-格拉西缅科彗星(67P/Churyumov–Gerasimenko)。这颗彗星周期约6.45年,彗核直径约3.5x4公里,自转周期约12.7小时。将在2015年8月13日抵达近日点位置。与其他彗星一样,这颗彗星是以其发现者楚留莫夫(Klim Ivanovych Churyumov)和格拉希门克(Svetlana Ivanova Gerasimenko)的名字命名的,他们两人最早在1969年报告发现了这颗彗星。

罗塞塔将会首次对一颗彗星进行持续的长期抵近观察。与此前彗星探测器的飞掠式观察不同,罗塞塔将首次跟随一颗彗星,观察它从休眠到活动的整个过程,并开展对比研究。

船上的姿态发动机进行了一系列点火,目的是使飞船减速,使其相对彗星的运行速度与一个行人的走路速度差不多,即约每小时两英里(3.2公里)。直到迎来今天傍晚最后一次点火制动与最终入轨。

在不断接近彗星的过程中,罗塞塔飞船上的相机拍摄了大量这颗彗星的照片,图像显示其彗核直径大约2.5英里(约合4公里),形状非常不规则,看上去有点像一只“橡皮鸭子”(rubber 鸭科)。从外形判断,其可能是由两个冰冻块体相互结合形成,或是在此前接近太阳的过程中不均匀“风化”导致的侵蚀不均形成的。

参考资料

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