彗星探测活动解析
[国家航天局网讯] 2004年3月2日，欧洲空间局的罗塞塔探测器被欧里安5G型运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，成功地进入了太空预定轨道，从而开始了追逐丘留莫夫－格拉西缅科彗星的长途征程。由于这是罗塞塔发射计划一再推迟后获得的成功，加之它未来的彗星探测活动乃属人类首次用航天器登陆彗核进行研究，故而引起了世界范围的关注。联想到1月2日，美国星尘号探测器对怀尔德2号彗星的取样活动，不由得引发了人们对最新彗星探测动态的思考。 为啥要用航天器探测彗星 从前，人们把彗星称为扫帚星，认为是不祥之兆。随着科学知识的普及，现在大家都知道彗星也是太阳系家族成员的一种，同样绕日运转，只是轨道特殊而已。当彗星沿着自己的运行轨道接近太阳时，它即分为中央密实而明亮的彗核、雾状的彗发和长长的慧尾三个组成部分。由于彗星是太阳系最原始的天体，在太阳系诞生46亿年来，它几乎始终保持着形成初期的状况，同时还可能携带孕育生命的种子，因此引起了人类对其进行探测的重视。鉴于地面观测距离较远，难以认识其真实面目，故而人类进入太空时代以后，科学家们就用航天器从外层空间或就近交会对彗星进行探测研究。 实际上，并非所有彗星都环绕太阳运转，有些是沿着抛物线或双曲线运行的，它们仅以太阳为焦点，经过近日点之后即远离而去，不再回头，只是太阳系里的临时来客。凡是绕日运转的彗星，均被称为周期彗星，它们的轨道都是很扁的椭圆，可以提前算出其到达远日点和回归近日点的时间。用航天器进行探测的都是周期彗星，这样在发射它时即可准确预测两者交会的时间。 自20世纪80年代中期以来，人类已用多个航天器对5颗各具特征的彗星进行了探测、观测和拍摄，并获得了一批重要数据资料，但共同缺点是没有收集彗星物质返回地球，也没有直接着陆慧核进行研究。鉴于对彗星的采样很有可能带来生命起源的物质材料和宝贵信息，对慧核的研究有助于了解太阳系开始形成时的化学与物理过程，因此目前的探测活动正向这两方面进行努力。美国此前发射的星尘号探测器和刚刚升空的欧空局罗塞塔探测器，就是分别利用这两种方式对彗星进行探测的先行者。 星尘号采样怀尔德2号 美国耗资2亿美元研制而成的星尘号探测器，是于1999年2月8日被德尔塔2型火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空进入太空预定轨道的。它是一台大小像电话亭，重量为385公斤的机器人，携有返回舱、太阳能电池板及其保护装置，主体外还配备了特殊设计的防护罩。返回舱内装有46公斤重的彗星尘埃物质捕获器、能提供高分辨率照片的照相机和获取有关彗星数据的其他科学仪器。在沿着追寻路线飞向探测目标怀尔德2号彗星的长途跋涉中，星尘号环绕太阳运行了两周，并收集了一些星际空间的尘埃样品。 怀尔德2号彗星于1978年1月6日第一次飞近地球，因被瑞士天文学家保罗·怀尔德首次发现而得名。其慧核长4.8公里，由岩石、冰态气体和有机分子构成，每6.17年沿轨道绕日运行一周。因为它是太阳系保存完好的一颗彗星，21世纪初又处于探测的最佳时间和地点，故而用星尘号探测器对其进行采样和拍照。 经过5年的太空飞行后，星尘号于今年1月2日得以与怀尔德2号交会。它距离慧核最近时约为240公里，从其由气体尘埃云组成的慧发中穿过。此时，星尘号一方面伸出一个二氧化硅基底的网球拍海绵状气凝胶，用以俘获高速运动的彗星尘埃微粒，然后折叠收入返回舱，贮存于捕获容器之中；另一方面用照相机拍摄彗星图像，用其他科学仪器获取探测数据。 在完成任务后，星尘号已沿着预定路线朝返回方向飞来，并将于2006年1月飞到地球附近。此时装有彗星物质的返回舱将与飞行主体分离，并于1月15日左右重返大气层，随即通过降落伞等装置减速后，缓缓地着陆于美国犹他州盐湖城东南160公里的沙漠上。这将是人类第一次用航天器对彗星进行取样研究。 罗塞塔的发射一波三折 欧空局研制的罗塞塔探测器，重约三吨，由轨道器和名为菲莱的着陆舱两大部分组成，价值10亿美元。轨道器装备着12台科学仪器，登陆舱携带着9台科学仪器，它们都是集中了欧洲高新技术成果研制而成的。实施这一航天器进军太空的活动计划，体现了欧空局11个成员国在探测彗星的征途上独辟蹊径的首创精神和巨大勇气。但是其发射升空的时间却一推再推，比原计划晚了14个月。 本来安排罗塞塔探测器在2003年1月用欧里安5G型即普通加强型运载火箭从库鲁航天中心发射升空，于2011年11月开始对维尔塔宁彗星进行环绕探测，并于2012年7月释放登陆舱着陆彗核表面做钻探研究，同时将获得的结果发回地面。后来由于该型火箭于2002年12月11日首次发射失败，而排除故障需要数月时间，故而发射计划只得搁浅。因为错过了发射窗口，所以不得不放弃维尔塔宁彗星，而重新选择另外一颗彗星作为探测和登陆的目标。 经过2003年的调整和准备，欧空局最终确定了把丘留莫夫－格拉西缅科彗星选为罗塞塔探测器飞抵的最新目的地。该彗星是1969年由原苏联两位天文学家首次发现并以其名字命名的。其慧核直径约为4公里，在太阳系的飞行时速为13.5万公里，绕日运行的轨道周期为6年。欧空局同时确定，2004年2月26日把罗塞塔探测器送上太空。谁知到了发射日子，由于库鲁航天中心上空风力过大，有可能将升空的运载火箭吹偏，因而被迫临时决定推迟24小时发射。后来又因火箭的绝缘材料出现了问题，以至推迟到3月2日才发射成功。 登陆慧核探测意义重大 标志着欧空局对太空研究全新思路和设计理念的罗塞塔探测器，将沿着预设的追寻轨道飞驰10年时间方能与丘留莫夫－格拉西缅科彗星交会。在此期间，它将3次飞近地球，并于2007年从火星身旁匆匆掠过，目的是借助这两颗行星的引力提升自己的飞行速度，以节省本身推进系统所带的燃料。这种把行星当作跳板以增速的做法，在飞向遥远天体的航天器上常被采用。 预计罗塞塔探测器将于2014年1月到达距离太阳约6.75亿公里的位置，此处正是丘留莫夫－格拉西缅科彗星轨道的远日点，从而实现两者的交会。罗塞塔将到达距慧核几公里处，并在这一高度的轨道上环绕彗星运转，成为该彗星的人造卫星，并随着彗星逐渐向近日点飞行。在此期间，它将利用自己携带的科学仪器研究慧核表面的物质构成及其化学与物理变化，分析其电磁及引力等特征，并对密度越来越大的慧发中的气体和尘埃进行探测，还要绘制彗星图像，所获资料将及时传回地球。这种探测活动，将持续28个月，直到2016年4月方才结束。 更重要的是，2014年11月，罗塞塔探测器将释放菲莱登陆舱，着陆于丘留莫夫－格拉西缅科彗星的慧核表面，对其构成进行直接研究，登陆舱将用携带的钻头，从慧核表面往下钻探，从而提取不同深度上的物质，并放入专门仪器中进行分析，辨别出矿物和同位素成分，重点寻找是否含有有机物，并用其他仪器研究彗核表面的强度、密度、温度等物理特性，还用照相机对周围环境进行拍摄，然后将获得的各种结果通过罗塞塔轨道器传回地面控制中心，供科学家们判断后从中得出应有结论。不言而喻，这种登陆研究和实地考察，将会揭开彗星构成的奥秘，从而深化人类对这类形迹诡秘的天体的认识，并有可能在生命起源方面获得新的发现。 罗塞塔探测器的彗星之旅，是欧空局曾尝试过的深空探测中用时最长、最具挑战性的航天飞行任务。此举若获成功，不仅会给人类增添许多新的科学知识，大大拓宽人们的认识视野，而且其做法和经验也会对以后的彗星探测如撞击彗核研究、采集彗核样品返回地球等具有重要借鉴意义。（中国航天科工集团公司研究员 尹怀勤） 本文编辑：李迁
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