十年寂寞长旅，“罗塞塔”即将首莅彗星

□ 司马杭仁

十年寂寞长旅，“罗塞塔”即将首莅彗星

□ 司马杭仁

“罗塞塔”飞往彗星

2014年1月20日，欧洲最雄心勃勃的和昂贵的太空任务之一——“罗塞塔”彗星探测器从“冬眠”模式中开机，启动其上的科学探测设备、导航设备等，并进行自检和调整，从而恢复工作；接着，开始自行校正，使探测器从休眠时期的缓慢旋转状态稳定下来，并将主天线对准地球方向，使它与地球重启中断了31个月之久的联系。2014年3月28日，欧洲又成功唤醒了“罗塞塔”携带的“冬眠”超过两年半的“菲莱”彗星着陆器。“罗塞塔”将于2014年8月抵达67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星，同年11月登陆该彗星。

彗星探测概览

至今，人类已开展过两次大规模发射彗星探测器的活动，第一次是在20世纪80年代，第二次是从1999年到现在。从技术上讲，第二次与第一次相比发生了质的飞跃，对世界范围内的其他空间探测也有巨大的推动作用。

1984～1986年，全世界先后发射了5个“哈雷”彗星探测器，目的是对著名的“哈雷”彗星回归进行探测。它包括苏联的维加-1和维加-2、欧洲的“乔托”、日本的“先驱”和“彗星”，其中1985年7月2日发射的“乔托”影响较大，对研究哈雷彗星彗核起了重要作用。

第一次大规模彗星探测没有直接登陆彗核进行研究，也没有收集彗星物质返回地球。近年发射的3个彗星探测器改变了这种局面。

2004年3月2日发射的欧洲“罗塞塔”拟首次实现近距离绕彗星运行、首次伴彗星一起在接近太阳的过程中边飞行边观测、首次在彗核表面软着陆……该探测器探测的67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星由冰块、尘埃和岩石组成，大约每6年内一次。其彗核直径大约4千米，在太阳系内的飞行速度为135000千米/小时。“罗塞塔”的任务是要搞清它为什么要向外喷射其物质等疑难问题。如果这次行动成功，将给人类带来大量的新知识。

欧洲“乔托”彗星探测器

携带彗星尘埃的返回舱与“星尘”彗星探测器主体分离返回地球

2006年1月15日，美国“星尘”返回舱首次携带怀尔德-2彗星样本返回地球。“星尘”于2004年1月2日与怀尔德-2彗星交会，并伸出“网球拍”状“气凝胶尘埃采集器”捕获了彗星物质粒子。现有100名专业研究人员和上千名业余爱好者参与彗星尘埃的分析和研究，完整的分析可能要耗时10年。

2005年1月12日发射的美国“深度撞击”用于探测彗核内部与其表面之间的不同。它由轨道器和撞击舱组成，其中的撞击舱于2005年7月4日首次撞击了坦佩尔-1彗星，这是人类第一个实际接触并探索彗星的空间活动，造成彗星内部物质溢出，轨道器收集了彗星内部物质信息。

2010年11月4日，“深度撞击”轨道器从近距离掠过哈特利-2彗星时拍摄了彗星的罕见特写图像，成为首个近距离造访两颗彗星的探测器。

彗星探测之路也并不平坦。例如，美国2002年7月3日发射的“彗核旅行”上天不久就与地面失去联系。“深度撞击”也没有取得预期的效果。

“深度撞击”彗星探测器释放“撞击者”

为何热衷探彗

那么，为什么人们对探测彗星如此感兴趣呢？简单地说，彗星是太阳系形成时残留下来的初始物质，对研究太阳系形成和演化很有价值。

曾被人描述为“脏雪球”的彗星来自于比海王星轨道还要远的、环绕太阳运行的一个由神秘天体构成的带。当彗星在其环绕太阳运行的长途跋涉中向太阳系内部飞行的时候，彗星上的冰受太阳加热而融化，喷出气体射流和糊状碎片，于是人们在天空中看到彗尾。

科学家们认为彗星事实上就是宇宙产生时期剩下的原始物质。一些人猜想彗星上窝藏着复合碳分子。在地球幼年时期受到太空岩石撞击过程中，这些碳分子可能已经在地球上“播种”了制造生命的化学积木块。所以探测彗星有希望说明地球上生命的起源。

此外，彗星撞击地球会引起灾变，地球上的水也可能来自彗星，因此探测彗星有助于揭开这些长期令人困惑不解的谜。

探测彗星的本质及其组成成分，还能了解太阳风的物理性质和化学成分。

研究表明，彗星上隐藏着关于太阳系起源的原始信息，它可能是地球水资源的最终来源，甚至有的研究认为彗星上携带的生命分子在撞击地球后被激活，地球的高温高压环境也促使它形成复杂的分子。所以，对彗星的调查有助于科学家了解太阳系的演变历程。彗星上携带的远古尘埃和冰，可以追溯到数十亿年前太阳系形成之初。该计划的实施有助于科学家进一步研究46亿年前太阳系的形成过程，并探索水甚至地球生命的生成奥秘。

“罗塞塔”探测器是以一块帮助考古学家解释了埃及象形文字的石头的名字命名的。作为欧洲最具雄心的航天计划之一，“罗塞塔”计划可谓一波三折。这次发射曾被安排在2003年1月，但由于发射前的1个月（2002年12月），欧洲新型阿里安-5火箭首次发射惨重失败，所以“罗塞塔”发射被推迟到2004年。最终欧洲还是使用这种新型火箭在法属圭亚那发射“罗塞塔”，发射时间窗口仅有20分钟。“罗塞塔”原定的探测目标是“维尔塔宁”（Wirtanen）彗星，但由于已错过了发射窗口，所以改为探测距地球5亿千米的67P彗星，即“楚留莫夫-格拉希”彗星，它是1969年由苏联天文学家首次发现的。

总装“罗塞塔”

漫长飞行之旅

“罗塞塔”由14个欧洲国家及美国的50余家公司参与，项目主承包商为欧洲阿斯特里姆公司。它的起飞重量3000千克，由“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器组成。

价值10亿美元的“罗塞塔”曾3次飞过地球，2007年进行火星借力飞行，2008年9月飞越2867号小行星，2010年7月飞越21号小行星“鲁特西亚”（司琴星），2011年6月进入自旋稳定的“休眠”模式，即除计算机和休眠加热器继续工作外，所有电子设备关闭。“休眠”可以使“罗塞塔”保存能源，但也是最为冒险的阶段。“罗塞塔”于2014年1月20日被“唤醒”。2014年8月，它在距离太阳6.73×108千米处与67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星会合，进入彗星轨道后围绕该彗星转动，开始为期18个月的空中环绕观测，绘制彗星地图，分析悬浮物质，记载相关数据，同时选择合适的着陆点。

选好着陆地点后，“罗塞塔”将于2014年11月向彗星表面投放一个100千克重的“菲莱”着陆器，它落在彗星冰盖上并进行化学检测。这将是航天器首次登陆彗星，也是一次从没有尝试过的危险实践。如果登陆成功，该着陆器将在彗星表面采集样品，并拍摄彗星于2015年到达近日点时的图片。2014年8月至2015年底，“罗塞塔”轨道器会伴随着67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星逐渐接近太阳，从而探测在太阳光的加热作用下彗星生成的气体和尘埃（即彗发），并对彗星的重力场、质量和外形等进行全面的探测。科学家希望通过“罗塞塔”的工作，对这些神秘的冰冻天体有更多的了解，这或许对揭开太阳系早期环境的谜题有所帮助。1年后，“罗塞塔”将完成使命，回到地球附近。整个彗星探测任务将历时10～11年。

两器各显神通

“罗塞塔”轨道器为长方体结构，尺寸为2.8米×2.1米×2.0米；主推进系统采用24台10牛双组元推力器；双太阳电池翼的总面积为64米2，翼展32米，可旋转180°，功率在距离目标彗星3.4AU处为850瓦，距离该彗星5.25AU处为395瓦；顶部的有效载荷舱安装了总质量165千克的有效载荷，侧面安装了一副直径2.2米的可控高增益天线。轨道器用于分析彗星的物理和化学构成及其电磁和引力等特性，着陆器装有用于取样和就地研究分析的探测仪器。

“罗塞塔”轨道器上载有11种仪器：

1.用于拍摄彗核和小行星的高分辨率光学分光与红外遥感成像系统；

2.用于分析彗发和彗核中的气体、测量彗星的水分和CO/CO2的生成速率并提供有关彗核表面成分数据的紫外成像光谱仪；

3.用于测绘与研究彗核表面的固态物质和表面温度的可见光与红外热成像光谱仪；

4.用于测量彗星主要气体成分、表面放气率和彗核温度的微波仪；

5.用于测定彗核大气层和电离层的成分、气体中带电粒子的速度和有它们参加的反应以及研究小行星可能存在的放气现象的离子与中子分析光谱仪；

6.用于观察是否含有有机物质并分析彗星发射出的尘埃、微粒的成分等特性的彗星次级离子质量分析仪；

7.用于研究小行星和彗星周围环境中尘埃、微粒的微型成像尘埃分析系统；

8.用于测量彗核和来自其他方向（受太阳辐射压作用）的尘埃微粒数量、质量和动量的微粒撞击分析与尘埃收集器；

9.用于测量彗核的物理特性、研究内彗发的结构和彗星与太阳的相互作用、监测彗星活动的等离子探测器包；

10.用于研究由彗核反射和散射的射电波，借以探测彗星内部构造的射电波发射彗核探测实验件；

11.用于测量彗核的质量、密度和引力，确定彗星的轨道，研究彗发的内部情况等的射电科学研究仪器。

“罗塞塔”释放“菲莱”着陆器

欧洲“罗塞塔”轨道器与着陆器分离

着陆器“菲莱”的名字是由一个15岁的意大利女孩提出的，这个女孩在欧洲年轻人命名探测器的竞赛活动中胜出。“菲莱”由一块基板、一个仪器平台和一个多面体夹层组成，所有结构采用碳纤维。

实际上，“菲莱”是一个微型实验室，装备了10种总质量为26千克探测设备，它们分别为：

1.用于探测α粒子和X射线，从而提供彗表元素成分数据的α粒子与X射线光谱仪；

2.用于拍摄表面全景照片和研究从表面采集的样品的成分、构造和反射率的彗核红外与可见光分析仪；

3.用于探测彗核内部结构的射电波发射彗核探测实验件（来自轨道器上同名仪器的射电波将穿过彗核，由着陆器上的一台应答机发送回去）；

4.用于根据元素和分子组成来探测和确定有机分子络合物的彗星采样与成分实验件；

5.用于对轻元素的同位素比率进行精确测定的稳态同位素中轻元素/托勒密实验件；

6.用于测量彗表的密度及热力学和力学特性的表面与表层科学多用途遥感器；

7.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的“罗塞塔”着陆器成像系统；

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

9.用于钻探到表面以下20厘米以上，采集样品，并交给不同的加热炉或用于显微镜观察的样品与分发装置；

10.用于测定彗星外层特性的表面电、震动与声学监测实验件。

这些设备将用于对彗核表层以下的物质取样，就地研究分析彗核表面和表面下层物质的成分，重点是调查有否存在有机物质；同时也研究彗核表面的强度、密度、致密性、疏松性、冰块和热特性等物理特性，并把拍到的照片通过“罗塞塔”传回地面控制中心。这些设备反映了欧洲对太空研究的全新战略思路和设计理念。

“罗塞塔”轨道器与着陆器工作示意图

“菲莱”装在“罗塞塔”轨道器的侧面，着陆时采用腿式缓冲机构。由于该彗星的引力很小，当着陆器在彗星表面着陆时要防止被弹出去。科学家们将使“菲莱”减速后缓慢自然降落，速度是1米/秒。即使是这样，仍旧像人在行走时撞上墙一样，所以着陆器有3条“腿”，在与彗核接触瞬间3条腿可以吸收掉大部分撞击功能，起到缓冲作用，一旦同彗核接触，立即伸出一个类似“鱼叉”的叉钩，将自己固定在彗核表面。这就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”考察的最短时间为几星期，但也可能会持续数月。

这次探测的关键是“罗塞塔”获得多少太阳能。在飞行中，它要展开一对14米长的太阳能电池翼，并能够在极低温的状态下吸收微弱的太阳能。“菲莱”也必须调整好太阳能电池板，因为着陆后它就必须依靠太阳能发电维持工作。但它身处碎屑喷射的环境下，太阳能电池板将很容易被尘埃覆盖而影响发电效率。

“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器能否成功还需拭目以待。

（责任编辑 张恩红）