罗塞塔任务分析.doc

罗塞塔任务分析 罗塞塔任务简介 罗塞塔任务是欧空局科学探测项目中的一个重要任务，通过对彗星的实地考察，该任务有助于揭示太阳系的起源、彗星为什么要向外喷射物质以及地球原始有机物是否来自彗星等问题。原计划罗塞塔探测器会在2003年1月发射，发射后先后经历一次环绕火星、两次环绕地球的借力飞行和两次飞越小行星的旅程之后最终于2011年和Wirtanen彗星相会。但因为Ariane-5 运载火箭的技术问题而错过了发射窗口，“罗塞塔”彗星探测器被推迟到2004年3月于法属圭亚那航天发射场发射升空，探测器经过三次环绕地球，一次环绕火星的借力飞行与一系列复杂的机动飞行之后进入深空最终将与67P/Churyumov-Gerasimenko彗星交会。该探测器有一人多高，其中两个太阳能板的翼展达到32米。包括轨道器和着陆器—“菲莱”两部分。“菲莱” 着陆器重100kg , 是一个微型实验室, 装载了26kg 的探测仪器(包括1台小型钻孔器)以及保证其沿着复杂轨道进行10 年长途跋涉的推进装置。探测器携带有用于遥感、成分分析以及研究彗核构造、尘埃组成、等离子体环境和太阳风影响的多台仪器。其中轨道器携带了10部科学仪器；轨道器下方体积较小的着陆器携带了另外9部科学仪器。 图2 罗塞塔的飞行轨道 而目标彗星67P/C-G是一颗周期为6.45年的绕太阳运行的彗星，最早由乌克兰天文学家发现于1969年，目前它已经运行了很多个周期，天文学家已经精确计算出了它的轨道。其轨道的轨道平面和黄道面很接近，这有助于探测器进行轨道机动。考虑到彗星在近日点产生的喷发物质会影响到探测器的探测，“罗塞塔”与67P/C-G的交会地点选在了距离太阳很远的位置（距离约3AU）。 目前，经过了自2011年6月以来31个月的深空休眠之后，探测器上的仪器设备已经被欧空局唤醒，正前往追赶67P/C-G彗星的路上。预测将在今年11月10日与67P/C-G彗星交会并释放携带的“菲莱”（Philae）着陆器进行软着陆。着陆后，“罗塞塔” 将与彗星共同度过17 个月, 期间两者将不断向太阳靠近, 直至彗星到达距离太阳最近的轨道点。 67P/C-G彗星 对于更改计划后的目标彗星67P/C-G，根据哈勃天文望远镜的观测，彗星67P/C-G截面大小大约为3×5 km，自旋周期大约为12.3小时，表面重力大约为10-4 g。根据哈勃望远镜的光学观测，彗星67P/C-G的三维形状大概如下图所示。 图2 67P/C-G彗星的形状 彗星67P/C-G白天表面温度大概在-80到+20摄氏度之间，夜晚表面温度-200摄氏度。表面气压在几千帕量级。 着陆过程 探测器在经历几次借力飞行后进入深空，而着陆器开始进入休眠状态并保持在太阳阴影中。经历31个月的休眠之后，探测器向67P/C-G彗星靠近，在此过程中，探测器会利用携带的相机对67P/C-G彗星成像以便科学家确定着陆地点。科学家在分析回传图像数据并权衡各方面因素（比如光照，地形坡度等条件）然后确定着陆点。最后探测器将按照以下顺序完成着陆过程。 （1）探测器绕分离轨道飞行 （2）释放着陆器： 在某个适当的时候，探测器从后方弹射着陆器并部分抵消探测器的横向轨道速度，释放后着陆器的瞬时速度大约在0.05至0.52m/s之间。而此过程中，机动方向始终垂直于着陆器Z轴，并且着陆器Z轴指向彗星表面的竖直方向。 （3）可选的机动下降段： 如果需要，从弹射射释放着陆器开始经过短暂的下降后，着陆器上的机动下降系统(ADS)依靠其冷却氮气喷气装置沿着陆器Z轴喷气并产生沿Z轴反向的机动速度。不过对于更改计划后质量更大的67P/C-G彗星，该机动下降调整很可能不会被实施。 （4）着陆前： 着陆器着陆彗星时应确保和彗星地面没有水平相对速度，并且垂直相对速度应小于最大允许值。总的相对速度估计在1m/s左右。 （5）着陆瞬间： 着陆器的ADS系统沿着着陆器Z轴喷气几秒钟使得着陆器牢牢吸附在彗星表面以阻止着陆器可能发生的弹跳。同时三角架型着陆腿的各条腿的钻头钻入彗星地表以阻止可能发生的横向滑动，而各条腿上的阻尼机构可吸收掉大部分冲击动能并将其转化为电能。 （6）着陆后： 着陆器用发射装置向彗星地表发射鱼叉型抛射机构并嵌入彗星地表，然后电机旋转并张紧连接抛射机构的缆索从而进一步固定着陆器。 整个着陆过程大约持续30分钟，在此过程中着陆器上的飞轮会以9600转每秒的转速旋转使得着陆器保持姿态稳定。着陆后“菲莱”开始科学探测，而轨道器会一直环绕彗星飞行，保持太阳帆面向太阳获取能量并将天线指向地球以备接受着陆器传回的数据并转发到地球。“菲莱”自身携带的天线也会将部分数据直接回传地球。 图2