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欧洲探测器登陆彗星,人类历史上首次 精选

已有 10880 次阅读 2014-11-13 02:55 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:彗星,,罗塞塔,菲莱| 彗星, 罗塞塔, 菲莱

欧洲航天事业最近若干年来好消息不多,上次记得有个飞行器最后着陆火星的阶段摔死了。这次终于有了一条好消息,挣脸一次:

欧洲航天局的探测船“罗塞塔”号(Rosetta,http://www.esa.int/rosetta)携带的“菲莱”号(Philae)探测器在格林威治标准时间周三(2014年11月12日)16点05分成功登陆一颗彗星,这是历史上人类探测器首次登陆彗星。

这颗彗星名字是,67P/楚留莫夫·格拉希门克彗星(67P/Churyumov-Gerasimenko),是长宽各有4公里的结冰彗星,重量大概100亿吨(1×10^10吨,对比:月亮重量:7.35×10^19吨),在太空中的飞行速度是每秒18公里(合每小时6万5千公里;参考:第三宇宙速度(又称逃逸速度)为每秒16.63公里,物体摆脱太阳引力束缚飞出太阳系所需的最小初始速度),离地球距离5亿公里。

  • 飞船探测器以罗塞塔石碑为命名,而登陆器以尼罗河中小岛的名字菲莱命名。

罗塞塔(Rosetta)彗星探测船于2004年3月2日在南美圭亚那库鲁航天中心由阿丽亚娜五号运载火箭发射升空,经过10年航行,马不停蹄地风雨兼程了64亿公里(6.4 billion km)(请注意:此飞行距远远大于该彗星离地球的直线距离5亿公里,因为实际飞行轨迹为很多椭圆形),2014年8月6日,罗塞塔安全进入围绕67P彗星运行的轨道,在8月至11月间,罗塞塔飞船一直在围绕67P彗星飞行,其搭载的各项设备对彗星表面进行了详细考察,以确定地表环境条件。2014年11月12日上午8:35,按照计划罗塞塔飞船将会释放“菲莱”(Philae)登陆器开始准备登陆登陆彗星表面。菲莱彗星探测器像一个洗衣机大小。见下图示意。

罗塞塔

登陆最大的困难在于这颗彗星的吸引力非常微弱,登陆器的着陆过程必须非常小心谨慎,否则会因为冲击力而一下子被反弹回太空中,就像猛拍一下的篮球,那就永远回不来了,只能算亲吻了一次;篮球还可以回到地面上来是因为地球的引力比较大。为了克服彗星吸引力过小的问题,登陆器在着陆时将射出鱼叉和螺丝以固定脚架,克服反弹力。鱼叉是把彗星当作一条大鱼,插进去后彗星就会和登陆探测器紧紧连在一起,如下图。


当探测器登陆信号得到确认之后,德国达姆施塔特(Darmstadt)的控制中心工作人员爆发欢呼声,并相互拥抱。登陆任务总指挥Stephan Ulamec说“菲莱(Philae)探测器正在与我们对话......我们已经登陆彗星。”欧洲航天局局长让-雅克·多尔丹(Jean-Jacques Dordain)说,“这是人类文明迈出的巨大一步。”


遗憾的是,探测器并没有按计划射出鱼叉把自己固定在这个由冰和尘埃构成的2.5英里宽的彗星球体表面。科学家将决定是否重新发射鱼叉,因为如果固定不好,还有滑落的可能性。

不管怎样,已经成功登陆了,接下来“菲莱”会按计划向地球发回首张着陆点全景照片,其携带的10个实验仪器也将对彗星的土壤、磁场等情况展开测量分析。第一张照片已经出来了,着陆前拍摄到的,见下。

科学家希望借此了解形成于太阳系形成初期的彗星,进一步探究太阳系甚至人类的起源。今后,罗塞塔飞船将持续追踪彗星一直到它过近日点(约2015年8月),考察在此期间彗星发生的变化。

Comet

Probe makes historic comet landing


更多资料:

1986年哈雷彗星回归,曾有一群国际太空探测器被送去探测该彗星系统,其中最重要的是欧洲空间局的乔托号。在诸多探测器传回大量丰富有价值的科学资料后,明显地需要增加更多探测器以了解复杂的彗星成份以及解决新出现的科学问题。

美国国家航空航天局及欧洲空间局员先有个别开发探测器的计划,NASA的探测器是Comet Rendezvous  Asteroid  Flyby (CRAF)任务。在1992年NASA因预算限制放弃CRAF后,欧洲空间局决定自行研发太空船。1993年野心勃勃的样本取回任务对于欧洲空间局预算明显地不切实际,随后重新设计任务,最终的任务类似原本已经取消的CRAFT任务:小行星飞越,接着彗星会合及实地调察(in-situ),包括一个登陆器。

原来预订的计划在2003年1月12日发射,从而能在2011年与韦坦伦彗星会面。然而这个计划因为2002年12月11日一场阿丽亚娜五号运载火箭的失败而取消。新的计划目标改为彗星67P,在2004年2月26日发射,并在2014年会面。两次尝试发射取消后,罗塞塔终于在2004年3月2日格林威治时间7:17发射。

2007年2月25日,罗塞塔号安排了一次低高度通过火星,估计飞越高度仅仅只有250公里(155英里)。2014年5月,罗塞塔号进入一个非常慢的轨道环绕67P彗星并且渐渐降速,准备放出登陆器接触彗星本身。


所携带的十套核心仪器系统由三个光谱仪,一个微波无线电天线和一个雷达:

  • ALICE:紫外成像光谱仪

  • CONSERT:用无线电波传输探测彗核实验

  • MIRO:罗塞塔轨道器的微波光谱仪

  • OSIRIS:光学,光谱和红外远程成像系统

  • VIRTIS:可见光和红外热成像光谱仪

  • RSI:电波科学调查

还有气体及粒子仪器

  • ROSINA:罗塞塔轨道器光谱仪离子和中性分析

  • COSIMA:彗星二次离子质谱仪

  • GIADA:颗粒冲击分析仪和集尘器

  • MIDAS:显微成像灰尘分析系统


补充1:着陆过程

后来的记录显示,在22.5公里的高度,菲莱从罗塞塔飞船分离后,花费了7个小时才到达彗星表面,这是因为彗星的质量小从而引力很弱,所以下落速度很慢(据此数据可以估算出该彗星的重力加速度,地球的是9.8米/平方秒,高中物理)。的确象上面举例说的篮球落地那样,菲莱着陆后弹起来两次,第一次弹起有大约1公里高, 第二次落地后又弹起,第三次才着实落地不动,但是渔叉没有弹出。图解如下:

This is the team's current best guess at how events unfolded

因为彗星在高速前进,菲莱弹起后再落下,导致落地点后移,最终比第一次落地点移动了1公里。示意如下图,圆圈为第一次触地点,最后的地点为菱形的后边。

landing location

节外生枝的是,最后的地点很可能位于悬崖阴影边的斜坡上,三只脚的一只是悬空的。这样的地点导致菲莱受到太阳光照时间大大缩短,每12个小时中只有一个半小时有光照(菲莱的一天,自转一圈的时间是12个小时),所以开始担心太阳能电池会充电不足,从而影响菲莱上仪器设备的工作。现在并没有开动所有的仪器,只有相机在运行,照片发回飞船,再传回地球。

工作人员正在想办法让菲莱尽快挪动位置, 争取得到更多光照。

已经发回来的照片显示,彗星的表面十分粗糙不平,如下图。

comet 67P seen from the Philae lander

母船罗塞塔拍摄的菲莱第一次触地地方的照片,如下:

Comet surface seen from the orbiter


更多信息,稍后出来后尽快补充。



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