着陆彗星,欧洲宇航局罗塞塔任务将如何为我们讲述彗星的神奇
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发布时间：2022-12-21 22:18
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时间：2024-11-05 17:36
罗塞塔是欧洲航天局的一项深空任务，它是首个集彗星在轨和彗星着陆任务于一身的小行星探测器。欧洲宇航局在1993年11月选择该任务作为“地平线2000”的第三个任务。罗塞塔探测器的目标是与彗星67P会合，并绘制其表面的详细地图。罗塞塔还携带了一组仪器，名叫菲莱着陆器，以研究太阳系中一些最原始的物质。
彗星是夜空中最美丽、最令人费解的漂泊者。到目前为止，所有小行星任务都有一个共同点，高速飞掠，就像两艘船在夜里的湖上相交一样，不同的是它们会以超快的速度呼啸而过……罗塞塔探测器于2004年3月发射，小行星探测器需要在距离太阳6亿公里或4AU天文单位的彗星轨道上进行探测
罗塞塔任务被寄予厚望，其实它有很多目标，比如彗星67P彗星核的特性或者性质，确定其动态特性，确定其表面形态和组成，了解彗星表面挥发物和耐火材料的化学、矿物和同位素的组成。罗塞塔任务还需要确定彗星核中的挥发物和耐火材料的物理性质和相互关系。
小行星探测器的稳定非常重要，因为它探测的对象不是大型天体，所以需要保持自己长时间接轨。罗塞塔飞船是三轴稳定的，自身姿态由四个反作用轮以及两个恒星*、太阳传感器、导航摄像机和三个激光陀螺组件维持。太阳能电池板为其提供电力，除此之外，特殊盖玻片为起保护作用会将太阳能电池完全覆盖。
光照随着距离太阳的远近而减弱，这其实就是平方反比定律，举个例子的话，如果一个探测器在两倍远的地方，只有四分之一的太阳强度是可用的，在三倍距离的地方，只有九分之一的强度是可用的。这意味着罗塞塔小行星探测器本身温度也会随着距离的增加而下降，这对太阳能电池来说是个好消息，因为电池的效率会随着温度的下降而提高。
然而，在实践中，在低太阳光照的情况下，比如温度下降到-100°C以下，由于单个电池不可预测的退化，标准太阳能电池阵列表现出比预期更差的性能。为了解决这一问题，欧洲宇航局开发了高强度低温太阳能电池技术。由此产生的单结硅太阳能阵列被应用在了罗塞塔彗星探测器上。
罗塞塔号彗星探测器的科学载荷一共有11个，另外还有一个小着陆器，它们分别来自欧洲和美国科学协会。罗塞塔上的仪器将会检查彗星上的每一个方面，广角和近距照相机将对彗核成像，以确定其体积、形状和表面特性等，三种不同波长的光谱仪将分析彗核区域的气体。
罗塞塔彗星探测器载荷将通过发射和接收穿过彗核时反射和散射的无线电波来探测彗星内部，这彻底改变了我们对彗核的认识。另外四个仪器将检查彗星的尘埃和气体环境，测量粒子的组成和物理特性，例如粒子的数量、大小、质量、形状和逸散速度。
OSIRIS欧西里斯，光学、光谱和红外远程成像系统
OSIRIS可以利用广角照相机和近距照相机进行多色成像，以获得彗星核的高分辨率图像。欧西里斯科学载荷的目的是观察彗星的旋转，并研究在彗星核内和附近发生的物理和化学过程。它还可以绘制彗星的形态图，欧西里斯还可以帮助着陆器菲莱在彗星表面找一个合适的着陆点。
欧西里斯照相机是由来自5个欧洲国家的科学机构提供的，其中一些机构包括法国马赛天体物理学实验室、帕多瓦大学，安达卢西亚天体研究所，格拉纳达，瑞典乌普萨拉大学等。
ALICE，紫外成像光谱仪
分析彗尾气体，测量彗星上产生水和一氧化碳的工作要交给ALICE紫外成像光谱仪了。ALICE是美国宇航局的科学载荷，提供了70-205 nm波段的紫外光谱学观测。ALICE紫外光谱仪将分析彗尾的气体，并测量彗星上产生水、一氧化碳或二氧化碳的含量成分，占比等等，它还将提供关于彗核表面组成的信息。
VIRTIS，可见光和红外热成像光谱仪
这是罗塞塔携带的第二个成像光谱仪，这台仪器中结合了三个数据通道，两个数据通道被设计用来进行光谱映射，第三个频道是光谱学通道。VIRTIS可以绘制和研究彗核固体的性质和表面的温度，也可以确定彗星喷射气体的成分，同时有助于确定最佳着陆地点。
光学子系统被安置在一个普通的结构中，通过一个由低导热的桁架进行支撑。在支撑桁架的托盘上，安装了两套电子设备和两个用于探测器的低温冷却器。映射通道光学系统由奥夫纳光栅光谱仪和Shafer望远镜组成。Shafer望远镜由五个安装在光学台上的铝镜组成。主镜是由转矩电机驱动的扫描镜。奥夫纳光谱仪由一个中继镜和一个球形凸衍射光栅组成，两者都是由玻璃制成的。
MIRO，罗塞塔微波仪器
MIRO的研究涉及到彗星核的性质、从彗核中释放的气体和彗尾，这些研究都与彗星物理紧密相关。MIRO仪器将测量关键挥发性物质，比如水，一氧化碳，甲醇等物质的绝对丰度，并量化基本同位素的比率。
选择水冰和一氧化碳进行观测是因为它们是彗星的主要构成物质之一。而甲醇是一种常见的有机分子，氨的丰度对于彗星中氮的激发态有着重要的意义。通过提供同位素丰度测量和质量鉴别，MIRO实验可以利用同位素比值可以得出彗星的具体年龄。
ROSINA，罗塞塔中型离子光谱仪
彗星是太阳系中最原始的天体，它们是4亿6千万年前在远离太阳的地方诞生的，彗星存在的大部分时间里都一直远离冥王星的轨道，所以我们可以说彗星是太阳系的化石。与陨石不同，彗星保留了太阳原始星盘（太阳系早期的结构，太阳会在原始星盘中塌缩，诞生）的较轻部分。因此，关于太阳系物质 历史 的一些问题只能通过研究彗星来回答。特别是挥发性物质的组成，这就是ROSINA仪器的主要目标。
ROSINA是欧洲航天局罗塞塔号彗星探测器上的主质谱仪，它由两个中性点和离子质谱仪组成。ROSINA的主要目标是确定彗星大气和电离层的元素、同位素和分子组成。此外，科学家们对气体的温度和体积速度以及气体和离子与彗星发射的尘埃的反应很感兴趣。这些结果可能与彗星起源，彗星和星际物质之间的关系，以及太阳系的起源和演化等等问题有关。
MIDAS，微成像尘埃分析系统
MIDAS的目标是收集和成像在彗星附近收集的尘埃颗粒。测量原理是一种叫做远距显微镜的技术，这种技术可以实现真正的纳米级三维成像。该仪器的目的是研究从彗星表面释放出的最小粒度碎片。
彗星核释放的尘埃粒子是了解太阳系原始物质的主要信息来源。MIDAS会在几纳米范围内对单个粒子进行映射，许多统计参数可以描述彗星环境。这包括根据大小、体积和形状对收集到的粒子进行统计评估，还可以推断出粒子通量的空间变化。该仪器由奥地利国际空间研究所领导的合作小组开发。
SREM，标准辐射环境监测仪
除了这些科学实验外，罗塞塔还配备了一个SREM设备来监测周围高能电离粒子的环境。SREM的目标是为罗塞塔遇到的高能粒子提供连续的、几乎不间断的测量，并为任务分析提供这些信息。
COSIMA，彗星次级离子质量分析仪
该仪器将分析彗星释放的尘埃颗粒的特征，包括它们的组成以及它们是有机的还是无机的。COSIMA是一种二次离子质谱仪，配有一个集尘器、一个初级离子分析仪和一个用于目标表征的光学显微镜。
来自近彗星环境的尘埃被收集到一个目标上，然后在显微镜下移动目标，确定任何尘埃颗粒的位置。COSIMA可以对目标彗星发射的单个尘埃粒子进行现场测量，并由COSIMA尘系统收集。
CONSERT，无线电波彗星核探测实验
CONSERT是一个时域应答器，无线电信号从该仪器的轨道组件发射，信号在着陆器上接收，在着陆器上提取一些数据，然后立即传回罗塞塔，在那里进行分析之后传回地球。当无线电波穿过彗星核的不同部分时，相位和振幅的变化将被用来对核进行断层扫描，并确定核材料的介电特性。
该研究的总体科学目标是收集有关彗核深处的几何结构和电学性质的信息。然后，根据所测得的电性，推断出彗星内部的组成。
GIADA，尘埃冲击分析仪
GIADA将测量近彗星环境中尘埃颗粒的数量、质量、动量和速度分布。其实它们的喷射动量会因太阳辐射压力而改变。仪器由三个模块组成，GIADA 1通过级联的GDS颗粒检测系统和IS冲击传感器组成，GIADA 2则模块包含MBS微天平系统，它控制从传感器获取数据和其他子系统的操作，为GIADA载荷提供了电源。GIADA 3模块通过5个微天平测量来自不同方向的尘埃通量。
RSI，无线电科学调查
RSI会利用单向或双向无线电连接进行观测调查，RSI的目标是研究非色散频移和色散频移（电离传播介质），信号功率和无线载波的极化。这些参数的变化将产生航天器运动、作用于航天器的摄动力和传播介质的信息。
罗塞塔彗星探测器实拍图，太阳能阵列和彗星67P可见
Philae，菲莱着陆器
罗塞塔着陆器菲莱可以理解为一个随行者，它跟随罗塞塔到达轨道，但是在后期菲莱会有自己的任务。
菲莱任务的目标是在彗星表面成功着陆，并从彗星表面传输有关彗星成分的数据。这次任务的科学目标集中在近距离分析彗星物质的元素、同位素、分子和矿物组成，菲莱还需要研究彗星表面和次表面物质的物理性质的表征、彗核大体结构以及核的磁性和等离子体环境。
菲莱着陆器与轨道器解体后，会从一定高度沿着预定轨迹以大约1米/秒的速度落到彗星表面。在接触时，它将使用两支鱼叉一样的固定结构将自己固定在彗星表面，两支鱼叉腿的设计目的是减弱最初的撞击，避免反弹，因为彗星的逃逸速度只有0.5米/秒左右。
着陆器的主要结构是由碳纤维制成，一个六边形的三明治结构可以连接所有的部件。主体位于三脚架起落架上，底部也集成了一些传感器。菲莱着陆器总质量大约是100公斤。它的顶部覆盖着用于发电和提供能源的太阳能电池。
罗塞塔彗星探测器从科学载荷角度来说是硬核满满，从菲莱着陆进行近距离探测来说是新意十足。面对彗星我们也许不再陌生，有朝一日我们也许可以利用彗星，就像小行星一样，这是太阳系赐予我们的无尽能源。另外，彗星是太阳系的漂泊者，它们本身蕴藏着太阳系起源和生命起源的奥秘……
未来也许还有其他彗星探测器，但是罗塞塔彗星探测器的数据会被科学家仔细分析，它带来的知识也会被记录，传承下去。
