10年漫漫“追星”路欧洲“罗塞塔”8月进入目标彗星轨道

（北京空间科技信息研究所）

10年漫漫“追星”路欧洲“罗塞塔”8月进入目标彗星轨道

刘嘉宁（北京空间科技信息研究所）

2014年8月6日，飞行了10年的欧洲航天局（ESA）的“罗塞塔”（Rosetta）彗星探测器成功进入目标彗星—67P/楚留莫夫-格拉西门克彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko，以下简称67P彗星）轨道，它还将于11月11日向该彗星表面释放着陆器“菲莱”(Philae)，附着其表面开展探测工作。

欧洲指挥控制中心于2014年1月20日接收到发自“罗塞塔”的首个信号，屏幕中的绿色横线即为“罗塞塔”传回的信号

1 彗星—见证太阳系演化的“时间胶囊”

46亿年前，宇宙中心膨胀发散的微粒开始减速，它们之间碰撞和结合如滚雪球般形成了早期太阳系中的行星、卫星及数以百万计的小行星和彗星。接下来的数十亿年间，太阳系演化期，由于行星自身产生的强大重力，其内部结构和理化性质都发生了巨大的变化。而由于彗星质量小（彗星由彗头和彗尾组成。彗头包括彗核及彗发两部分：彗核是中央明亮的部分，似圆球形；而彗发则是包裹着彗核外围的云雾状结构，形状亦近似球形。彗尾是彗头向外延伸的部分，宛如一条长长的尾巴，总是在背向太阳的一面伸延），并且大部分时间是在远离太阳的轨道运行，所以保持很低的温度，就像冰箱一样“冷藏”了星云形成初期的原始物质。同时，彗星上有丰富的挥发性物质，它们在飞向太阳的时候开始蒸发产生彗尾。这便于用光谱仪进行元素分析，所以这是它们备受科学家们青睐的原因。

在过去20年里，人类对彗星和小行星的认识有了极大的增加。20世纪80年代，ESA的“乔托”（Giotto）和俄罗斯的“维加”（Vega）探测器首次对哈雷彗星进行了飞越式探测。1991年，NASA的“伽利略”（Galileo）木星探测器还在前往木星的途中首次与小行星盖斯普拉进行了一次近距离相会。与此同时，地面和地球轨道上的天文望远镜，如ESA/美国航空航天局（NASA）的“太阳与日光层观测台”（SOHO）和“哈勃”（Hubble）空间望远镜也增加了对这两种小天体的观测，使科学家们能对多种天体的观测结果进行比较，并对彗星活动进行更广泛的研究，从而为认识这些小天体打下了基础。

2 解读宇宙起源的“罗塞塔”计划

测试中的“罗塞塔”

在古代，有一个名叫“罗塞塔”的石碑，它制作于公元前196年，其上用希腊、古埃及和通俗体文字刻了同样的内容，近代考古学家通过对照各语言版本内容，解读出失传千余年的埃及象形文，成为研究古埃及历史的里程碑。

1985年1月，ESA各成员国负责空间事务的部长召开会议，批准了一系列富有雄心和远见的科学技术研究项目。这些重大决策之一是一项长期科学计划，后来被称作“地平线2000”。与会部长们草拟的一份决议是这样陈述的：同意在今后10年里加强欧洲的空间科学活动，以便使科研机构能保持在空间科学研究的最前沿。在欧洲空间科学机构参与的基础上，这项革命性的计划还要求在20世纪90年代中期到21世纪初开展一些“基石性”工作，其中一项任务就是对原始天体进行考察和取样。

早在“乔托”探测器考察哈雷彗星之前，ESA就一直在寻求通过带回彗星或小行星的样本，来确立太阳系小天体探测领域的领先地位。1986年，“乔托”探测器飞越哈雷彗星取得巨大成功，使探测活动的重点转移到彗星采样返回上。但是，完成这项任务的费用对欧洲来说太过昂贵。于是，ESA管理层开始寻求与NASA合作开展这一高风险项目的可能性。到1991年，由ESA和NASA合作实施的“罗塞塔”彗核采样返回计划确立下来，科学家希望此次探测能像“罗塞塔”石碑解读古埃及历史一样打开一扇解读宇宙起源的“时空之门”。后来，NASA遇到了财政困难，空间科学项目经费遭到削减，使ESA不得不依靠自己的力量来实施“罗塞塔”项目，并取消了原定将样品送回地球的打算。1993年11月，该项目得到批准，总经费为10亿欧元。

3 几经变换的追踪目标

欧洲“罗塞塔”近距离拍照的67P彗星图片

“罗塞塔”最初打算探测的彗星是46P/威尔塔宁（46P/Wirtanen，简称46P彗星）。2002年12月，阿里安－5（Ariane－5）火箭发射失败，造成后续的发射推迟，而原定于2003年1月31日前进行的“罗塞塔”发射首当其冲。发射推迟后，由于46P彗星将运动到可探测范围之外，所以ESA决定从另外5～6颗短周期彗星中再选择一个新的探测目标。经常访问太阳系的67P彗星最终脱颖而出，成为将迎来人类探索使者的“幸运儿”。

67P彗星是1969年被发现的。当时苏联的几位天文学家来到阿拉木图天体物理研究所进行彗星观测，9月20日，其中一位名叫克里木·楚留莫夫的苏联天文学家在对斯维特兰纳·格拉西门克拍摄的32P/科马斯·索拉彗星（32P/Comas Solà）照片进行研究时发现，照片边缘有一个像彗星的天体。楚留莫夫回到苏联基辅后进行了仔细研究，最终确定这是一颗彗星，并将其命名为67P/楚留莫夫-格拉西门克彗星。

这颗彗星有着不同寻常的经历。1840年以前，它的近日点距离约是6.0×108km（4.0个天文单位），在地球上完全无法看到。1840年，由于与木星相撞，它的轨道发生了改变，近日点距离变为4.5×108km（3.0个天文单位）。1940年前后，它的近日点距离减小到了4.155×108km（2.77个天文单位）。1959年与木星再次碰撞，使其近日点距离减小到只有1.935×108km（1.29个天文单位）。到目前为止，从地球上人们已6次观测到这颗彗星接近太阳，分别是1969年、1976年、1982年、1989年、1996年和2002年。

4 各类科学有效载荷助力彗星揭秘

轨道器

欧洲“罗塞塔”是一项国际性计划，有美国及14个欧洲国家的50多家工业承包商参与。其主承包商是阿斯特留姆德国公司，而阿斯特留姆英国公司(负责探测器平台)、阿斯特留姆法国公司(负责电子设备)和泰雷兹-阿莱尼亚空间公司(负责组装与测试)是主要分包商。

“罗塞塔”由轨道器和着陆器组成，其中轨道器上的11台科学仪器分别是：

1）紫外成像光谱仪（ALICE）。它用于分析彗发和彗尾中的气体，测量彗星水和一氧化碳/二氧化碳的生产率，并获取彗核表面成分数据。

2）射电波发射彗核探测实验件（CONSERT）。

它用于研究由彗核反射和散射的射电波，借以探测彗星的内部构造。

3）彗星次级离子质量分析仪（COSIMA）。它用于分析彗星散发出的尘粒特性，包括其成分以及是有机物还是无机物。

4）颗粒撞击分析仪与尘埃收集器（GIADA）。

它用于测量来自彗核和其他方向(由太阳辐射压力反射)尘粒的数量、质量、动量和速度分布。

5）微型成像尘埃分析系统（MIDAS）。它用于研究小行星及彗星周围的环境，获取粒子数量、尺寸、体积和形状数据。

6）微波仪（MIRO）。它用于确定主要气体的丰度、表面放气率和彗核亚表面温度，还用于测量所途经的2颗小行星锡瓦和大田原的亚表面温度。

“罗塞塔”载荷示意图

7）光学、分光与红外远距离成像系统（OSIRIS）。它包括1台广角相机和1台窄角相机，用于拍摄67P彗星彗核和飞往该彗星途中经过的小行星的高分辨率图像，并帮助选定最佳着陆点。

8）“罗塞塔”轨道器离子与中性分析光谱仪（ROSINA）。它包括3台遥感器，用于确定彗星大气与电离层成分、带电气体粒子速度以及有它们参加的反应，并将研究小行星可能存在的放气现象。

9）“罗塞塔”等离子体组合仪（RPC）。它包括5台遥感器，用于测定彗核的物理特性，探讨彗发内部的结构，监测彗星活动，并研究彗星与太阳风的相互作用。

10）射电科学研究仪（RSI）。它利用探测器无线电信号的漂移测量彗核的质量、密度和引力，确定彗星的轨道，研究彗发的内部情况。此外还将测量锡瓦小行星的质量和密度，并在通过太阳后方(从地球上看)的过程中研究日冕。

11）可见光与红外热成像光谱仪（VIRTIS）。它用于测绘和研究固态物质的性质以及彗核表面的温度，测定彗星气体，描述彗发的物理状态，并帮助选定最佳着陆地点。

着陆器

“罗塞塔”携带的着陆器“菲莱”上带有10台科学仪器，总质量21kg。它还装有一个钻探装置，用于采取亚表面物质的样品。这些仪器的任务包括：测量彗星表面及内部物质的元素、分子、矿物学及同位素构成；测量彗核的特征，如近表面强度、密度、构造、多孔性、冰相及热力学特征，其中构造测量包括对细微颗粒的显微研究。这10台科学仪器分别是：

1）阿尔法粒子与X射线光谱仪（APXS）。它将下放到着陆器行走时离彗核表面不到4cm的位置，用于探测阿尔法粒子和X射线，从而提供彗核元素成分数据。

2）彗核红外与可见光分析仪（CIVA）。它利用6台同样的微型相机来拍摄表面的全景照片，另用一台光谱仪来研究从表面采集的样品成分、构造和反射率。

3）射电波发射彗核探测实验件（CONSERT）。

它用于探测彗核的内部结构。来自轨道器上同名仪器的射电波将穿过彗核，由着陆器上的1台应答机发送回去。

4）彗星采样与成分实验件（COSAC）。它是2台放出气体分析仪之一，用于根据元素和分子组成来探测和确定有机分子络合物。

5）稳定同位素成分中轻元素确定与认识方法/托勒密实验件（MODULUS/Ptolemy）。它也是1台放出气体分析仪，可对轻元素的同位素比率进行精确测定。

6）表面与亚表面科学多用途遥感器（MUPUS）。它利用位于着陆器锚定装置上、探头上和外部的遥感器来测量彗表的密度、热力学和力学特性。

“菲莱”载荷示意图

7）“罗塞塔”着陆器成像系统（ROLIS）。它是一台电荷耦合器件（CCD）相机，用于在下降过程中获取高分辨率图像，并获取其他仪器采样区的立体全景图像。

8）“罗塞塔”着陆器磁强计与等离子体监测仪（ROMAP）。它用于研究当地磁场和彗星与太阳风间的相互作用。

9）样品与分发装置（SD2）。它可钻探到表面下20cm或以下位置采集样品，并交给不同的加热炉或用于显微镜观察。

1 0）表面电、震动与声学监测实验件（SESAME）。它用4台仪器测定彗星外层特性。其中，彗星声探测表面实验件用于测定声通过彗表的传播方式，介电常数探测仪用于研究其电特性，而尘埃回落监测仪则用于测量回落到表面上的尘埃。

5 巧妙设计：“鱼叉”装置实现探测器在彗星表面附着

小行星和彗星这样的小型天体没有大气，并且重力微弱，因此在其表面的降落任务称之为“附着”而非“着陆”。虽然这类任务相对于火星这样的着陆任务要容易许多，但也有特殊的困难，例如目标小，对深空测控的精度要求相当高；形状不规则带来的重力场分布不均，很难利用小行星的重力来制动，尤其是由冰和尘埃构成内核的彗星结构松散，在朝向太阳飞行时会由于热量增加造成表面物质剥离与喷射，导致探测器的接近困难重重。迄今为止，不包含取样返回在内，唯一一次单纯的小行星附着任务是由“近地小行星交会”（NEAR）小行星探测器完成的。它先是飞掠了253号小行星梅西尔德，然后进入433号小行星爱神星的环绕轨道，并最终附着其上。

不出意外的话，质量100kg的着陆器“菲莱”将是第一个在彗核表面上软着陆的航天器。在“罗塞塔”到达67P彗星之前，盒形的“菲莱”将一直呆在轨道器的侧面。一旦轨道器到达目的地，并调整到正确的方位，地面站就会发出指令，让“菲莱”自动弹离母探测器，展开它的3条“腿”，以备在完成弹道式下降飞行后在彗星上轻轻地着陆。它的“腿”可吸收掉大部分动能，减小发生弹跳的可能性，并能旋转、抬高或倾斜，以使着陆器回到直立位置。由于彗星引力很小，因此在着陆瞬间，“菲莱”会弹出一个鱼叉式的装置，像停靠港口的航船抛锚一样把着陆器锚在彗星表面上，防止飘走。“菲莱”实施科学考察的最短时间为几星期，但也可能会持续数月。在此期间，它必须调整好太阳电池翼，因为在那之后它就必须依靠太阳能发电维持工作。但这将是一项重大的考验，因为它身处碎屑喷射的环境下，太阳电池翼将很容易被尘埃覆盖而影响发电效率。

6 借助行星引力加速，完成“龟兔”角色转变

“菲莱”着陆过程

目前还没有一种运载火箭能把像质量约3 t的“罗塞塔”直接送往67P彗星，阿里安－5大推力火箭也不例外。如龟兔赛跑一样，67P彗星以高达1.0×109km/h的速度绕太阳旋转，“罗塞塔”刚启程时，速度慢得根本没有希望赶上它的目标。为了追上目标的步伐，10年中“罗塞塔”3次飞掠地球，2次飞掠小行星，2次进入小行星带，4次飞掠太阳，巧妙地利用“引力弹弓”效应为自己增加动能。

“罗塞塔”发射1年之后的2005年3月，它与地球首次再会，飞越距离为300～14000km。其间要完成的主要操作包括跟踪、轨道确定和有效载荷测试，飞越前后还要进行轨道修正机动。首次飞越地球之后，“罗塞塔”在2007年2月从相距约200km处飞过火星，并开展一些科学观测。火星对地球的遮挡会造成约37min的通信中断。此后，“罗塞塔”还分别在2007年11月和2009年11月2次飞越地球。

在飞往小行星带的途中，“罗塞塔”进入被动巡航模式。飞过小行星带时探测器重新工作，在距小行星几千千米远处对其进行观测。记录下来的科学数据将在飞越小行星后传回地球。

在内太阳系环绕了整整4圈之后，“罗塞塔”的速度已经超过1.35×105km/h，跟它要追赶的目标已经不相上下了。当它获得足够速度，踏上准备与67P彗星相会的轨道时，已位于距离太阳超过上亿千米的地方，阳光已经微弱到无力再维持其正常运转了。于是，在2011年5月进行了一次大型深空机动后，ESA的任务团队于2011年7月让“罗塞塔”进入休眠期，以保存能源，直到2014年1月被唤醒。在此期间，“罗塞塔”与太阳和地球的距离都将达到最大值，分别为约8×108km和1.0×109km。

7 至关重要：多次轨道修正机动，完成星器最终汇合

“罗塞塔”的外形是一个大型铝制箱体，尺寸为2.8m×2.1m×2.0m，箱体中央是主推进系统，其中包括分别装有燃料和氧化剂的2个大型推进剂贮箱。轨道器还携带阿斯特留姆公司设计的24台双组元轨道与姿态控制推力器，每台推力为10N，用于精确姿态调整与轨道修正，推进剂总质量是整个探测器发射质量的1/2强（约1.7t）。

2014年5月7日，“罗塞塔”距目标67P彗星约2.0×106km，并以相对于彗星775.1m/s的速度向前追赶。由于“罗塞塔”和67P彗星处于不同的轨道，若地面操控中心不执行任何操作，按照目前两者的位置和速度，在6月4日的时候“罗塞塔”在距67P彗星50000km的地方飞过，那么整个任务将竹篮打水一场空。因此，在接下来的2个月时间里，地面指控中心必须完成对“罗塞塔”的数次轨道修正和速度修正，让其能够在8月6日与67P彗星会合并保持相同速度。

“罗塞塔”任务的地面指控人员从2014年5月中旬到7月底执行了8次推力器点火，在最开始的2周执行4次点火，之后每周1次。在点火的初期阶段，为了防止出现1次或多次点火失败的状况，时间窗口设计的相对较宽，留有多次点火的时间来保证轨道修正机动和探测器降速的成功实施。初期过宽的时间窗口压缩了后几次的点火时间，因此留给后续的点火时间窗口越来越窄，也就是说后来的点火必须严格按照时间执行。从推力器点火计划也可以发现这样的规律，初始几次彗星与“罗塞塔”的相对速度减少最多，相对距离缩短最快，消耗推进剂也最多，后面将逐渐减少。这样的设计虽然给后几次点火带来了很大压力，但是递减的任务量也有效地规避了风险。

为了让“罗塞塔”更加靠近67P彗星并环绕飞行，地面人员于2014年8月3日进行了一次点火，将“罗塞塔”和67P彗星的距离从200km缩小到150km左右，相对速度减小到1m/s；8月6日又进行了一次点火，将星器间距离进一步缩小到100km，并进入67P彗星轨道。

“罗塞塔”的运行轨道

“罗塞塔”释放“菲莱”着陆器示意图

欧洲空间运行中心（ESOC）的“罗塞塔”任务地面指控人员强调指出，发动机点火至关重要，任何软件上的小毛病、意想不到的安全模式和通信问题都会推迟推力器点火，延迟点火的时间越长，后面所需要的补救工作也就越复杂。但“罗塞塔”发动机点火很顺利。

“罗塞塔”现阶段工作正常，但由于2009年6月反作用控制系统发生燃料泄漏，导致目前推进器燃料供给系统压力比原计划低。

推力器点火时间

8 “罗塞塔”远征大事记

“罗塞塔”于2004年发射升空，其任务是追上丘留莫夫-格拉西缅科彗星，并实施彗核着陆探测。由于动力系统不足以将其直接送往彗星，探测器采取借助地球和火星引力的方法，4次调整速度和轨道，迂回抵达目标彗星，这一过程需耗时10年。

2005年3月，“罗塞塔”首次借助地球引力改变速度和轨道，并于2007年分别向火星和地球“借力”调整飞行。2009年11月，“罗塞塔”第三次也是最后一次飞掠地球，借力调速变轨。在此期间，它也对火星和沿途遇到的小行星进行了观测。

2008年9月，“罗塞塔”近距离飞掠斯坦斯小行星，用所携导航相机及光学和红外成像系统对其进行了全方位观测，并将数据传回ESA。这些数据可以帮助科学家更深入地了解小行星的成分和形成过程，充实有关太阳系历史的知识。

2010年7月，“罗塞塔”近距离飞掠鲁特西亚小行星，并传回首批高清照片。观测结果证实，这颗小行星是个不断旋转的长椭球形天体，其表面布满陨石坑，说明它曾多次遭受剧烈撞击。

经过31个月休眠后，“罗塞塔”的轨道重新接近太阳。2014年1月20日，探测器的闹钟系统依据ESA指令，按时启动探测器上的重要系统，使其重新工作。

2014年5月14日，“罗塞塔”上所有的仪器都被唤醒，处于待命状态。5月22日，“罗塞塔”成功完成了飞抵67P彗星前的第一次主要机动。

2014年8月16日17：00，“罗塞塔”在完成持续6min26s的点火制动后顺利进入67P彗星的轨道，与其距离100km。

在接下来的6周时间里，“罗塞塔”将开始对彗星表面进行绘图，并对其质量、引力场和形态等进行探测。根据观测到的数据为着陆器“菲莱”选择一个合适的着陆地点。如不出意外，“罗塞塔”将于11月11日向67P彗星释放着陆器“菲莱”。此后，着陆器将紧紧附着在彗核上，一同飞向太阳，从而观察彗核物质如何在阳光作用下蒸腾喷发。预计，此次探测任务将于2015年12月结束。

2008年9月，“罗塞塔”近距离飞掠斯坦斯小行星