[科普中国]-星尘探测器

研发历程

1999年开始的“星尘”项目总投资约1.68亿美元(不包括飞船发射费用)，其中约1.28亿美元用于“星尘”号飞船的研发，其余用于项目控制。

1999年2月发射后，“星尘”号飞船就朝着距地球8.2亿公里的“维尔特二号”彗星飞去。这颗彗星迄今仅围绕太阳飞行过约5圈，其中绝大部分原始尘埃和气体保存完好，研究该彗星有助于回答太阳系起源等基础性问题。

为了实现与“维尔特二号”彗星最近距离的“亲密”接触，“星尘”号飞船绕太阳转了3圈，跑了34亿公里才遇到自己的“心上人”。2004年1月，书橱大小的“星尘”号与“维尔特二号”彗核的最近距离达到240公里时，飞船上伸出的一个网球拍大小的尘埃采集器，成功捕获到彗星物质粒子。飞船上的光学导航相机还抓拍了一些彗核照片，作为“约会”纪念。在2000年2月至5月和2002年8月至12月期间，“星尘”号还捕获了太阳系星际尘埃粒子。科学家认为，这些粒子可能保留了太阳系诞生之前的宇宙构成信息。

星尘号于2004年1月2日飞越维尔特二号彗星(由瑞士伯尔尼大学天文学家保罗·维尔特发现)。

飞越彗星时从彗星彗发收集到彗星尘埃样品，拍摄了详细的冰质彗核图片。 2006年1月15日约凌晨5:10 EST (10:10 UTC)，星尘号返回舱在犹他州大盐湖沙漠着陆, 接近美军试验场公路，以方便样品物质运输。着陆的确切地点位于北纬40°21.9'，西经113°31.25'。

返回仓的速度达到12.9 km/s (28,860 英里/小时)是进入大气层最快的人造宇宙飞行器。NASA犹他发言人表明飞船在不到6分钟时间内会经过盐湖城－纽约市。犹他西部和内华达东部可以观测到巨大的火球和音爆。这是首次收集彗星尘埃取样返回任务，带采样返回地球。第二个样品返回任务Hayabusa，收集小行星尘埃，2005年11月26日发射，2010年6月返回 . 除此之外，飞船还完成了其他任务。2002年11月2日它从3300千米的位置上拍摄了小行星5535 Annefrank的图片。2000年3月-5月和2002年7月-12月, 另一部分气凝胶收集器也捕获了星际尘埃。 星尘号母船进行了“转向操作”防止它进入地球，NASA考虑把它发射到另外的彗星或者小行星。与返回舱分离并转向完成后,上面还有20公斤燃料。 华盛顿大学的Donald Brownlee是星尘计划的首席研究员。2

组成气凝胶样品采集器彗星和星际尘埃由超低密度气凝胶收集。超过1,000平方厘米的采集面积可收集各种粒子类型(彗星尘埃和星际尘埃)。

当飞船穿过彗星时，被捕获的粒子冲急速度为6100米/秒,大于来复步枪子弹发射速度的9倍。尽管捕获的粒子比一粒沙还小, 但是高速捕获还是能改变他们的外形和化学结构或者完全被汽化。

星尘太空舱和它展开的气凝胶收集器为了收集时不破坏它们，采集器使用了硅基固体材料，它有海绵那样的多孔结构，99.8%的空间被真空填充，如果这种材料被空气填充，它几乎能在空气中漂浮。气凝胶密度只有玻璃的千分之一。当颗粒撞上气凝胶，它就被埋在材料里面，画出比自己长200倍的胡萝卜形的轨迹，在此期间减速停止就像飞机跑道上滑行制动减速一样。因为气凝胶几乎透明，又是也被叫做“蓝烟”，科学家将利用这些轨迹寻找微小的颗粒。

气溶胶保存在样品返回舱(Sample Return Capsule (SRC))，在返回大气层时由主船体释放，使用降落伞减速降落，剩余部分将重新点火，进入绕太阳轨道。

提到降落还要说一下，星尘号与起源号使用相同的降落伞设计, 2004年起源号太阳系探测器，因为设计错误没有打开降速伞而坠毁，星尘号着陆平稳，返回舱完好无损，估计时间误差在一分钟以内。3

彗星和星际尘埃分析器CIDA仪是一个time-of-flight质普仪，可以测定与银碰撞板相遇的单个尘埃颗粒的成分。

星尘上的彗星和星际尘埃分析器(CIDA)的作用是，当尘埃遇到星尘探测器时，截取和实时完成尘埃的成分分析。

CIDA根据比较飞行时间的差异分离[离子]]的质量。装置的工作原理如下：当尘埃颗粒碰撞上靶点，离子通过电场被提取出来。 通过靶点的极性，正负离子很容易被分开。被分离的离子穿过装置，被反射到反射器，探测器就安装在这里。重离子需要更多时间穿越这个装置，因此通过离子飞行时间可以计算出离子质量。

这个CIDA和安装在Giotto和2个在哈雷彗星尘埃颗粒发现其化学成分独特的数据的织女星计划探测飞船是相同的装置。它由入口，靶点，提取器，飞行之间质普仪（TOF mass spectrometer)和离子检测器组成。

负责CIDA的合作研究者，德国慕尼黑马克斯·普朗克学院宇宙物理学研究所的Jochen Kissel研制了此装置。 电子硬件设计由德国施威琴根(Schwetzingen)的von Hoerner & Sulger 有限公司完成。CIDA仪软件由芬兰气象研究院开发。1

导航像机(NavCam)导航相机主要用于在飞越彗星时定位彗核，当然也能够拍摄彗星的高解析度图片。

导航像机(NC)，是一个机械子系统，用于光学指导飞船接近彗星。 这样飞船就能以适当的距离穿越彗星并能足够的接近彗核，确保收集足够的尘埃。相机也具有普通相机功能手机科学数据。这些数据包括接近和远离彗核的时不同角度拍摄的广角高解析度彩色图片。这些图片用于构建彗核的3D立体地图，以更好的理解他的起源，地貌，有利于研究彗核矿物多样性分布，还能提供核旋转状态的信息。 在接近和远离气体尘埃彗尾时，相机通过不同的滤镜拍摄图片。这些图片将提供关于气体成分，气体和尘埃动态和气象信息（如果存在的话）。1

惠普尔罩惠普尔罩用于保护飞船在彗发利高速运动时免于遭受颗粒碰撞，缓冲罩是一个能让阻止撞上的颗粒的复合面板。三个覆盖层保护主船体，另外2个用来保护太阳能电池板。复合捕获器吸收所有粒度直径小于1厘米的颗粒，保护主船体安全。1

尘埃通量检测器The DFM装置安装在Whipple shield前端，监测环境中微粒的通量和大小的分布。这一设备由芝加哥大学的Tony Tuzzalino负责研制，DFMI是一个高灵敏度装置用于探测只有几微米的微粒。它基于非常特别的极化塑料(PVDF)，当被高速微粒碰撞或穿透时能产生电子脉冲。

尘埃通量检测设备(The Dust Flux Monitor Instrument (DFM))由传感单元(Sensor Unit (SU)), 电子箱(Electronics Box (EB))，和安装在星尘飞船上的声敏元件组成。SU被安装在惠普尔罩，EB则装在飞船外壳内部。1

带回物品“星尘”号探测器曾首次将采集到的彗星物质送回了地球。通过对这些微小彗星物质（直径仅有数百分之一毫米）进行分析，科学家们日前取得了一项令人倍感震惊的发现。

“星尘”号采集到的物质均来自“威尔德-2”(全称为“81P/威尔德-2”)彗星。据领导对这些珍贵彗星物质进行分析的霍普·伊什教授介绍，“星尘”号采集到的物质的成份与先前科学家们的估计相差甚远。通过对它们进行分析，科学家们不但了解到了大量有关太阳系形成初期的信息，而且还面临着重新修订目前有关彗星形成理论的问题。4