[科普中国]-罗塞塔号彗星探测器

历史背景

罗塞塔号

1799年，罗塞塔石碑（Rosetta Stone）在埃及被发现。石碑上镌刻了三段分别用埃及象形文字、通俗体文字和希腊文书写文字。2由于文字的内容完全相同，科学家终于在1822年破译出了古埃及的象形文字，打开了通向古埃及历史文明的大门。2

名字由来

罗塞塔石碑的发现是古埃及象形文字成功释读的关键，欧洲航天局希望这个仪器也能在太空探测中起到关键性突破的作用。

美国宇航局计划

1991年，“罗塞塔彗星彗核取样计划”被列入了ESA和美国宇航局（NASA）的计划之中。一个以“罗塞塔”命名的彗星探测器将把一个着陆器和一个返回舱送到特定彗星上面。然后，着陆器将在彗星表面提取样品，返回舱把这些样品带回地球。科学家希望“罗塞塔”号成为天文学的“罗塞塔”石碑，提供彗星保存了数十亿年之久的太阳系初期信息，通过研究这些信息，科学家可以打开通向太阳系古老历史的大门。

2004年3月，罗塞塔号终于由库鲁航天中心发射升空。它将用10年5的时间去追赶丘留莫夫-格拉西缅科彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko），并最终在彗星的上空停留，成为这颗彗星的人造卫星。623

2014年11月，“菲莱”脱离“罗塞塔”并成功登陆目标彗星。

2015年4月14日，“罗塞塔”彗星探测项目最新观测结果显示，其目标彗星“67p/丘留莫夫－格拉西缅科”上没有磁场，这或许会让科学家重新认识太阳系的构成。7

设备介绍**“罗塞塔”号探测器**

罗塞塔号装备了一对各长14米的太阳能电池阵列，有超过60平方米的面积最低可以提供400瓦的功率。罗塞塔号的着陆器“菲莱”将在丘留莫夫-格拉西缅科彗星的彗核表面钻一个深度超过20厘米的洞，从彗核的表层以下提取物质，然后放到显微镜下研究。环绕彗核飞行的将近两年时间里，罗塞塔号还将目睹彗核逐渐接近太阳的时候，彗核上的物质（主要是冰）逐渐升华，形成彗发和彗尾的过程。整个任务将在2015年12月结束。26

欧洲“罗塞塔”彗星探测器重约3吨，大小约12立方米。它共装备了10个科学探测仪器，这些仪器将分析彗星的物理和化学构成及其电磁和引力的特性等。 “罗塞塔”接近彗星后，将分为轨道飞行器和登陆器两部分，是第一个登陆彗核表面的探测器。彗星登陆器将实地研究彗核的表面，以及表层下的成分构成、硬度、密度等，它还装载了一个特殊的照相机，届时将把它拍摄到的照片传回地球的地面控制中心。 科学家将“罗塞塔”与彗星相会点选在了彗星距离太阳6.72亿公里的轨道最远处这一相会处与地球的距离为5亿公里。预计2014年1月，“罗塞塔”将到达距彗星几公里处，并在这一高度的轨道上围绕彗星运转。同年10月，它将向彗星发射登陆器。 此后，“罗塞塔”将与彗星共同度过17个月，双方在此期间将不断向太阳靠近，直至彗星到达距离太阳最近轨道处时，它的探测寿命也将随即终结。23

提速原理欧洲航天局2005年3月7日发布公告称，2004年3月发射的欧洲“罗塞塔”彗星探测器于5月4日首次飞经地球，“罗塞塔”利用了地球引力的拉扯效应，大幅度提升了飞行速度。专家们将这一现象比喻为“跳板效应”。

“罗塞塔”探测器计划用约10年时间追上一颗名为丘留莫夫-格拉西缅科的彗星。如果一切顺利，预计在2014年1月，“罗塞塔”将到达距这颗彗星几公里处，并成为人类首个围绕彗星运转、进而施放登陆器在彗星表面着陆的探测器。然而追赶彗星需要巨大的能量，“罗塞塔”探测器重达3吨，所携带的能量是有限的。因此，科学家专门设计了让“罗塞塔”3次飞过地球，并且在2007年与火星“擦肩而过”的路程。这样，在这几次巧遇中，“罗塞塔”将利用地球或火星的引力助推作用（借力飞行），大幅度提升飞行速度，同时节省飞行能量。8

地球的引力好比是一个跳板，而探测器好比石子，在跳板的弹力作用下，石子的运动速度可以大大提高。“罗塞塔”探测器本次是以每小时38000公里的速度在距地面约1954公里的高度飞经地球，此后它的速度还将不断增大。预计在地球和火星引力的多次拉扯下，探测器最终将得以飞行50亿公里路程，赶上丘留莫夫-格拉西缅科彗星。8

天文学家认为，彗星是由太阳系诞生初期的物质构成的，由于它自身的温度极低并处在温度极低的宇宙空间，因此在太阳系诞生46亿年来，彗星几乎始终保持着形成初期的状况，对它进行研究将有助于人类揭开太阳系形成之谜。8

研究进程探测计划**“罗塞塔”号探测器**

在1986年哈雷彗星来临时，曾有一群国际太空探测器被送去探测彗星系统，其中最重要的是欧洲空间局非常成功的乔托号。在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增加的问题。
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CometRendezvousAsteroidFlyby(CRAF)任务。NASA在1992年因预算限制放弃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，所以重新设计任务，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。
罗塞塔号依照COSPAR规则在无尘室建造，但根据罗塞塔号计划科学家的讯息，“杀菌一般并不是关键，因为彗星通常被视为能找到prebiotic分子的物体，也就是生命前导的分子，但不是活的微生物。

发射

原本它会在2003年1月12日发射，而在2011年与彗星46P会面。然而这个计划因为2002年12月11日一场亚利安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。因更多的质量及随之增加的撞击速度使登陆器设备必须修改。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。除了发射时间与目标的改变外，这个任务几乎保持一样。

巡航

拍摄灯火通明的大陆夜景时，罗塞塔号

2007年2月25日，罗塞塔号安排了一次低高度通过火星，因为第一次发射被拖延了一年而必须修正轨道。这并不是没有风险的，因为估计飞越高度仅仅只有250公里（155英里）。

因为太空船在火星的远端，在那里它将有15分钟无法接收到任何太阳光，因此不能使用太阳能板。所以太空船因此将进入待命模式，不可能进行通讯，必须靠并不是为了这个工作设计的电池飞行，因此这项火星附近的调动被昵称为“十亿美元的赌博”。幸好，飞越在03:15中央欧洲时间（CET）成功了，任务仍持续进行中。

在2014年5月，罗塞塔号将进入一个非常慢的轨道环绕彗星并且渐渐降速，准备放出登陆器接触彗星本身。登陆器被命名为“菲莱”，将会以相对速度1m/s接近并接触表面，两个鱼叉将被投射至彗星以避免登陆器弹跳出去。为更进一步将登陆器固定在彗星上，将会利用几次钻孔。

科学任务

一旦附着在彗星上，预计将在2014年11月发生，登陆器将开始科学任务：

描述彗星核 ；确定存在的化合物 ；研究星活动及随时间的发展 。真确的彗星表面并不知道，而轨道船于登陆器分离前将描绘地表。虽然地表几乎没有任何已知细节，但还是期待能找到合适的登陆地点。32

完成调整从事“罗塞塔号”彗星探测器飞行指挥工作的科学家们完成了对探测器轨道的调整，这一调整将使得“罗塞塔号”将于2007年2月飞越火星。

欧洲宇航局“罗塞塔号”彗星探测器的最终考察目标是“楚留莫夫－格拉希门克彗星”号彗星，其代号为67P。在抵达目标之前，探测器总共需要经过四次类似的轨道调整，这次调整是探测器进入其预定轨道前的第二次。

“罗塞塔号”彗星探测器于2004年发射升空，2005年3月在环地球轨道上完成首次变轨制动。预计到2007年11月，它又重新回到环地球轨道来旅行。为了让探测器顺利飞越火星，欧洲宇航局的专家们在2006年9月29日---11月13日期间不停地校正着其飞行轨道。经过专家们的这些努力后，“罗塞塔号”探测器届时将在距离火星表面250公里的高度上飞越火星。9

在绕火星飞行期间，“罗塞塔号”还将对自己随机搭载的一系列科研仪器进行调试并收集部分有关火星的资料信息。在飞到火星背面时，探测器将处于节能状态，届时将只有其携带的“菲莱”行星登陆舱处于正常工作状态。因为这个登陆舱装备了独立电源。

“罗塞塔号”彗星探测器2007年的第一个太空探测目标是位于火星和木星间的一颗小行星，主要是研究该小行星的旋转方向。之后科学家们将通过对该小行星的特征进行初步判断从而制定出探测器在2010年左右对该小行星进行详细探测的计划。9

在近距离飞过火星时，“罗塞塔号”将对火星展开约20个小时的探测。届时探测器携带的照相机和光谱分析仪将收集火星大气、火星表面以及火星化学构成情况的资料。此外，“罗塞塔号”探测器还将提取火星大气与太阳风相互作用的信息，并对火星的两颗天然卫星“火卫一”和“火卫二”进行拍摄。在对火星的探测完成后，欧洲宇航局的科学家们还将检测探测器飞行特征及其速度指数是否与专家们预定的相吻合。9

飞跃火星罗塞塔探测器成功飞掠小行星5

欧洲航天局发射的“罗塞塔”号彗星探测器2007年2月24日与火星“擦肩”而过，成功借助火星引力改道。

“罗塞塔”号将于10年内飞越地球3次和火星1次，借助地球和火星引力场完成改道或加速，于2014年追踪到“楚留莫夫-格拉希门克”彗星，钻探取样，协助科学家探索彗星。航天专家称，“罗塞塔”号的这次火星改道成功是整个彗星探测计划的“重要一步”。

“罗塞塔”号彗星探测器的无线电信号24日在静寂近20分钟时间后，位于德国西部的欧洲航天局控制中心终于再次收到它的信号。科学家听到信号声，不约而同鼓起掌来。

在近20分钟的时间里，“罗塞塔”号成功飞越火星，借助引力场改道。“罗塞塔”彗星探测项目的负责人曼弗雷德·瓦尔豪特说：“‘罗塞塔’还在路上。”

“罗塞塔”号重约3吨，它这次飞越火星的轨道与航天局控制人员预设的轨道非常接近，一度与火星表面距离不足250公里。完成火星飞越的“罗塞塔”号将于2007年和2009年两次飞越地球，再次加速。

“罗塞塔”号2004年3月2日由“阿里安—5”号运载火箭携带，从法属圭亚那库鲁基地升空。经过4次地球或火星引力拉扯后，“罗塞塔”号将大幅提升速度，预计飞行71亿公里，于2014年进入“楚留莫夫-格拉西门克”彗星轨道。之后，“罗塞塔”号将向彗星表面发送“菲莱”号着陆器，在彗星冰盖探测。这将是人类有航天史以来的首次彗星“软着陆”。1

探测彗星格林尼治时间2014年1月20日18时18分(北京时间21日2时18分)，美国航天局位于加利福尼亚州的地面站接收到“罗塞塔”彗星探测器向地球传回的信号，这意味着“罗塞塔”号顺利从31个月的休眠中苏醒，将开始对一颗彗星进行探测。10

欧洲航天局网站在2014年1月20日发表的公报称，2004年3月2日，欧洲航天局的“罗塞塔”彗星探测器升空，开始追逐“丘留莫夫－格拉西缅科”彗星。探测器抵达木星轨道附近后，其装载的太阳能电池已经无法从太阳获得足够的能量。10

为了给最后阶段的追逐保留电力，研究人员从2011年6月8日开始，让“罗塞塔”号进入休眠状态。格林尼治时间1月20日10时，“罗塞塔”上装备的“闹钟”让探测器的电脑启动11，跟踪导航系统开始逐渐升温，大约6个小时后恢复正常工作。随后，“罗塞塔”向地球传回信号宣告“醒来”。10

美国航空航天局2014年1月20日消息说，根据此前计划，在此次被唤醒后，“罗塞塔”将进行一系列机动变轨，从后方逐渐追赶上彗星，进入环绕彗星运行的轨道，然后为着陆器“菲莱”选择安全的着陆点，向彗核发射着陆器。着陆日期预计为2014年11月11日。

如果一切顺利，“罗塞塔”将成为人类首个近距离绕彗星运行并在彗星表面投放着陆器的探测器。它将持续向地球回传数据，直到电池耗尽或被从彗星上脱落的物质击毁。10

彗星是太阳系形成的时候留存至今的碎片，因此那里保存着45亿年前原始太阳系的信息。这次探测有助于解开太阳系的起源之谜12，同时回答地球上的水及构成生命的有机物质是否来自于彗星的问题。10

接轨彗星**接轨：**10年5个月又4天，2014年8月6日，彗星探测器“罗塞塔”号经过10年时间，航行60亿公里后终于与“楚留莫夫－格拉希门克彗星接轨，以每小时最高13.5万公里的速度绕太阳飞行，与彗星相距不到100公里，它自带的照相机拍摄了彗星表面的照片，呈现了大若房屋的巨石。13成为人类史上首个进入彗星轨道的太空飞行器。

“由于远离太阳难以给太阳能板充电，“罗塞塔”还经历了长达31个月的“深度睡眠”，直到2014年1月才被唤醒。14

拟着陆点2014年8月27日，欧洲空间局的“罗塞塔”探测器飞行了10年后将在67P/楚留莫夫-格拉希门克彗星着陆，是“罗塞塔”携带的一个着陆器着陆，它名叫“莱菲”。前不久，“罗塞塔”探测器抵达彗星后开始了环绕拍摄，对彗星表面进行了详细观测，为“莱菲”寻找一个合适的着陆场。15

2014年9月15日，罗塞塔彗星探测器已经为它的菲莱着陆器在彗星67P/Churyumov-Gerasimenko表面上选择了一个着陆目的地。彗星67P/Churyumov-Gerasimenko外形看似由两个组成部分“连体”而成，最大直径约4公里，其不规则的外形条件并不利于着陆器的平稳投放。16

专家们起初在8月底选出5个候选着陆点，分别命名为A、I、B、J和C点（均位于一个面积为1平方公里的椭圆形区域内），并通过分析每个候选地点的相关图像与数据信息，于上周末在法国图卢兹召开的一次为期2天的会议上选出了一个首选着陆点和一个备用着陆点。16

被命名为“J点”的首选着陆点位于彗星“头部”。与其他候选地点相比，J点所在区域的大多数斜面的倾角都小于30度，且周围石块数量较少，大大降低了菲莱着陆器在着陆时发生倾倒的风险；另外，该区域能吸收大量的太阳光照，可在菲莱着陆器电池初始电量耗尽后帮其充电，确保科学观测活动继续进行。16

备用着陆点C点位于彗星的“身体”部分，一旦更多的分析表明J点并不适于着陆，C点将取而代之。16

目前，科学家和工程师们正在设计向J点投放菲莱着陆器的确切路线。欧空局说，之所以要在11月中旬以前完成菲莱着陆器的着陆操作，是因为彗星会因接近太阳而变得更加活跃，从而影响罗塞塔彗星探测器在轨道中的位置，给菲莱着陆器着陆带来困难。16

登录彗星2014年11月12日欧洲太空总署称，“菲莱”号探测器12日已经与母船分离，“菲莱”号探测器于格林尼治标准时间12日8点35分(北京时间下午4点35分)被从运载飞船上弹出。开始踏上首次登陆彗星之旅。

欧洲太空总署称，“菲莱”号探测器已经与“罗塞塔”号飞船分离，现在即将成为在彗星上登陆的首个航天器。着陆预计在大约7个小时后展开。

能源危机2014年11月14日，位于德国达姆施塔特的欧洲航天局表示，彗星着陆器“菲莱”主电池的电量即将耗尽，按照设计，“菲莱”在主电池电量耗尽后将依靠太阳能电池供电，但根据“菲莱”传回的照片，科学家推测，“菲莱”位于一处峭壁的阴影中，每天（一个彗星日为12．4小时）只能获得一个半小时的太阳光照，在日照不足的情况下如果不进行调整，着陆器的太阳能电池将无法为其继续工作提供足够电能。17

着陆器项目主管斯特凡·乌拉迈克表示，一旦重新与“菲莱”建立联系，地面控制人员将尝试让“菲莱”调整角度或跳出阴影，以获取更多的太阳光照。17

乌拉迈克还确认，“菲莱”已经启动了一个钻探设备，以获取彗星内部的物质样本，但样本提取情况目前尚不清楚。原因是“菲莱”必须借助正在围绕彗星运转的母船“罗塞塔”才能与地面建立联系，但由于“罗塞塔”已经进入彗星地平面以下位置，“菲莱”获取的数据无法传送至地球。预计下一次建立联系的时间是欧洲中部时间14日晚10时（北京时间15日清晨5时）。但“菲莱”的主电池电量可能会在重新建立联系之前就耗尽。17

同日，欧航局还确认，“菲莱”着陆后完成了一些实验，已传回彗星表面和浅层物质的分析数据。17

研究成果欧洲空间局罗塞塔飞船在对格拉西门克彗星进行探测时发现了分子氮，科学家认为分子氮的发现暗示太阳系在形成早期就已经拥有一些生命分子。由于格拉西门克彗星来自太阳系的边缘地区，极低的温度使得分子氮可保存在冰封的环境中，同时科学家此前也在太阳系外侧轨道的卫星和行星上发现过类似的分子氮，由此可以推测格拉西门克彗星背后还拥有一个更大的彗星家族，氮分子是该家族的基本特征之一。

对于太阳系外侧轨道天体上出现的分子氮，科学家认为其来源可能为太阳系边缘的彗星，当这些彗星往太阳系内侧轨道方向移动时，就会把太阳系边缘的物质带入其中。根据欧洲空间局的科学家介绍：我们在大气稠密的土卫六、冥王星以及海王星的卫星上都发现了类似的物质。早期的探测中，科学家主要在氨或者氰化氢的化合物中检测到氮，而本次发现的分子氮则是第一次。

罗塞塔探测器发现格拉西门克彗星可能存在氮分子的时间为去年10月，探测器上携带的ROSINA仪在距离彗星表面10公里的地方发现了该物质。出乎科学家意料的是，分子氮与一氧化碳在彗星上比例明显要小于基于早期太阳系模型的预测。欧洲空间局的解释是分子氮在零下220摄氏度至零下250摄氏度之间时，会被“笼状”水冰包合物困在其中。在实验室的研究中，分子氮在零下253摄氏度时可能被困于冰物质中。

随着彗星逐渐接近太阳，彗星表面的冰物质开始融化，困在内部的分子氮开始被释放出来，于是罗塞塔探测器检测到分子氮的信号。1819