歐洲“羅塞塔”釋放“菲萊”成功著陸

劉嘉寧（北京空間科技信息研究所）

北京時間2014年11月13日06∶03，歐洲航天局（ESA）“羅塞塔”（Rosetta）探測器團隊最終確認“菲萊”（Philae）著陸器已附著在彗星表面，偏離預定位置“J”點1000多米，著陸器位于懸崖底部位置，光照嚴重不足，導致包裹的太陽電池片不能提供足夠的電量。但“菲萊”若干科學載荷工作正常，在主電池電量消耗至休眠電量前傳回了關于67P/楚留莫夫-格拉西門克彗星（以下簡稱67P彗星）的大量重要數(shù)據(jù)。目前，“菲萊”已處于休眠狀態(tài)，盡管其著陸過程頗多曲折，但創(chuàng)造了歷史，成為人類首個軟著陸于彗星表面進行探測的飛行器。

1 著陸過程磨難重重，著陸地點差強人意

北京時間2014年11月12日16:35，“羅塞塔”成功釋放“菲萊”，28min20s延時之后，北京時間17:03，ESA控制中心收到確認消息，“菲萊”已經(jīng)與“羅塞塔”安全分離。

由于67P彗星重力為10－3m/s2，逃逸速度僅為0.48m/s。為了防止著陸后被彈飛，“菲萊”以3.5km/h的速度做自由落體運動緩慢地朝著彗星表面下降，22.5km的路程走了約7h。

“菲萊”的著陸過程可謂磨難重重。在分離前的檢查中發(fā)現(xiàn)，“菲萊”頂部用于抵消其著陸時反沖力的冷氣噴射裝置（氮氣發(fā)動機）出現(xiàn)故障，且無法修復。“菲萊”的冷氣裝置由氣體貯存罐和穿刺機構構成，穿刺機構含有2根刺針（1根冗余），用于刺破儲氣罐上的蠟封。但是傳感器傳回的數(shù)據(jù)顯示，罐內(nèi)氣壓并無變化，據(jù)“羅塞塔”團隊工程師分析原因可能是穿刺機構失靈導致。經(jīng)過緊張研究之后，ESA的工程師們?nèi)匀粵Q定讓“菲萊”按計劃登陸。

當快要接觸到彗星表面時，科學家團隊發(fā)現(xiàn)用于固定的2個“魚叉”裝置并沒有彈出，只剩下3個著陸腿上的冰螺栓能正常工作，原有的3個保險措施只剩下1個正常工作，這讓“菲萊”能夠附著在這顆重力微小彗星的希望變得渺茫。

接下來的著陸過程中可謂驚心動魄，第一次著陸（北京時間11月12日23:34）雖然準確地落在了著陸點，但由于缺少固定裝置，“菲萊”沒有固定下來，而是以38cm/s的橫向速度向前彈跳翻滾了近113min，最遠時距彗星表面450m高。

“菲萊”上的“魚叉”裝置

“羅塞塔”團隊根據(jù)彗核紅外與可見光分析儀（CIVA）、“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)（ROLIS）兩者傳回影像的數(shù)據(jù)分析顯示，預定著陸點“J”表層并非原來預想的由多孔的砂石構成，有很大可能是一層薄土覆蓋在一塊堅硬的巖石上，因此“菲萊”第一次著陸后被彈回了如此遠的距離。

根據(jù)搭載的“羅塞塔”磁強計與等離子體監(jiān)測儀（ROMAP）數(shù)據(jù)記錄，“菲萊”經(jīng)歷了第二次彈跳（北京時間11月13日01:25），以橫向速度3cm/s又向前翻滾了7min后才停在最終位置，偏離預定地點千米有余。

姿態(tài)穩(wěn)定后，“菲萊”上搭載的6臺彗核紅外與可見光分析儀拍攝到彗星表面的全景照片顯示，“菲萊”的左側地形較平緩，右側的“懸崖”距離很近，有可能一條腿懸空，一條腿撐在水平地面，另一條腿靠在崖壁上。

據(jù)“羅賽塔”項目主管Fred Jansen表示，“菲萊”目前處于懸崖的底部，那里陽光嚴重不足，“菲萊”上包覆的太陽電池片在1個67P彗星日（12.4h）里只能接收到1.5h的有效照射，而主電池電量只能維持60h。按照設計，“菲萊”在主電池電量耗盡后將依靠太陽電池供電，太陽光照不足意味著“菲萊”將無法繼續(xù)運轉。

“菲萊”即將降落到彗星上

為了盡可能地延長“菲萊”的探測時間，工程師已發(fā)送包括利用3個著陸腿上的冰螺栓將探測器高度提升4cm、旋轉探測器主體35°的指令來調(diào)整太陽電池板的角度，使其能最大程度地接觸陽光。但這于事無補，而且在完成上述機動調(diào)整后電池電壓大幅下降，已接近21.5V的警戒線。

“菲萊”可能的著陸位置

不過，研究人員表示，即便電池耗盡而不再收發(fā)信號，“菲萊”著陸后完成了一些實驗并已傳回彗星表面和淺層物質的分析數(shù)據(jù)，這已經(jīng)非常令人振奮?！胺迫R”項目負責人Stephan Ulamec稱，“羅塞塔”著陸器成像系統(tǒng)、彗星采樣與成分實驗件（COSAC）、托勒密實驗件（Ptolemy）等科學載荷已經(jīng)完成了大部分探測任務，樣品與分發(fā)裝置（SD2）上的鉆頭完成了從彗星表面以下25cm處取樣并送入成分分析室的預定任務，但表面與亞表面科學多用途遙感器（MUPUS）未能達成試驗目標，該遙感器上探針的鉆取能力是基于20世紀80年代“喬托”（Giotto）探測器對“哈雷”彗星（1P/Halley）的認識所設計的，但67P彗星表面實際硬度大于2MPa（抗拉強度：砂石5～15MPa，花崗巖5～20MPa），探針無法穿透，沒有獲取表層下的數(shù)據(jù)。

“盡管經(jīng)歷了3次著陸才最終穩(wěn)定下來，但探測器上的載荷在艱難的環(huán)境下表現(xiàn)很好，‘菲萊’目前已取得80%的主要科學實驗數(shù)據(jù)，取得了難以置信的科學成功，我們?yōu)樗械饺f分驕傲。”Ulamec在接受采訪時說，“根據(jù)目前主電池的狀態(tài)，下次通信的可能微乎其微，團隊將‘菲萊’置于休眠狀態(tài)，希望在靠近太陽的過程中，太陽電池片能夠獲得足夠照射，重新激活‘菲萊’?！?/p>

2 著陸之后的工作

按照原計劃，著陸后“菲萊”上的設備將開始對彗星地表的密度和熱性質進行觀測，氣體分析儀將幫助檢測并確認那里可能存在的任何復雜有機質。與此同時，其他設備也將對彗星的磁場以及彗星與太陽風之間的相互作用進行觀測—太陽風是一種源自太陽的高能粒子流。“菲萊”還攜帶有一部鉆機，其大約可以鉆進彗星地表之下20cm深，并將樣品送入其內(nèi)部的測試系統(tǒng)。

現(xiàn)在，“菲萊”已經(jīng)著陸在彗星上，但可惜的是由于3個固定裝置中的2個都出現(xiàn)故障，造成其未能平穩(wěn)地附著在預定著陸點，而是位于一個懸崖底部的位置。主電池電量耗盡和太陽能電池接受光照嚴重不足，以及著陸器姿態(tài)傾斜過度，導致部分科學實驗未能完成，但“菲萊”還是傳回了大量有效數(shù)據(jù)，只不過原計劃利用太陽能電池工作到2015年3月的擴展任務將無法實現(xiàn)。但“菲萊”也并不是完全沒有“蘇醒”的希望，由于目前彗星朝太陽飛去，預計2015年8月到達近日點，彗星與太陽的距離將縮小到1.8×108km以內(nèi)，期間彗星溫度會持續(xù)升高，使由冰和塵埃構成松散結構的彗星表面物質剝離和噴射，此時彗星表面每秒鐘都將會噴射出數(shù)以百噸計的物質，借此有可能幫助“菲萊”調(diào)整到一個較好的位置，但也有很大的風險將其吹飛。

“菲萊”在彗星表面工作期間，“羅塞塔”將做分離后軌道（post-separation path）到環(huán)繞軌道的機動，并于2014年12月3日返回距彗心20km的圓形環(huán)繞軌道，進行為期10天的彗星整體高精度成像與噴發(fā)物質收集工作，之后其將返回30km軌道。伴隨彗星繼續(xù)運行至少1年，觀察彗星在逐漸接近太陽時發(fā)生的變化。期間，它將進行若干次大膽的掠飛，最近處距彗心僅為8km，用攜帶的載荷對愈發(fā)“活躍”的彗星進行拍照和噴射物質采樣分析。

3 一些啟示

深空探測任務實施難度大，設計面臨任務需求和探測目標惡劣環(huán)境等方面的重大挑戰(zhàn)

地外星體的深空探測任務設計面臨著任務需求、星表環(huán)境和設計需求等方面的挑戰(zhàn)：

1）在任務需求方面，由于深空探測任務普遍耗資巨大，為了盡可能多地實現(xiàn)科學目標，提高投入產(chǎn)出比，因此都會采用“主任務＋擴展任務”的模式。這樣長周期的工作狀態(tài)，對探測器的熱控、電源、通信、自主控制等方面的設計壽命和可靠性都提出了很大的挑戰(zhàn)。

2）在環(huán)境局限方面，目標星球的表面環(huán)境是影響像“羅塞塔”這樣需要軟著陸到行星表面進行原位探測任務的主要因素，表現(xiàn)在對重力、塵埃、長時間輻射、巨大溫差和多變地形的耐受力等方面。

3）在設計需求方面，深空探測器的設計面臨以下挑戰(zhàn)：保證探測功能的前提下做到質量與尺寸的最小化；所有關鍵系統(tǒng)能長時間可靠運行；高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)保障寶貴的探測數(shù)據(jù)及時傳輸；持續(xù)的能源供應與可靠的熱控系統(tǒng)。

同時我們注意到，“菲萊”在3次跳躍后落入“坑”中，雖經(jīng)過機身旋轉和抬升，但機身角度仍未得到有效校正，使太陽能電池未能接收足夠太陽光，擴展任務取消。因此，執(zhí)行原位探測任務的探測器應模仿一些行星巡視器，增加可控彈簧、伸縮腿、小反沖火箭之類的裝置，實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的“脫困”。

高可靠的進入、下降與著陸技術是實現(xiàn)軟著陸探測的關鍵

“羅塞塔”計劃作為ESA深空探測的旗艦任務，其上搭載的科學載荷和探測器的軌道都經(jīng)過了精心的設計。10年中，“羅塞塔”3次飛掠地球，1次飛掠、2次進入小行星帶，4次飛掠太陽，巧妙地利用“引力彈弓”效應為自己增加動能，達到追趕上67P彗星的目的，這些精準的軌道機動可為完美。然而，萬里長征的最后一步卻差強人意。由于冷氣系統(tǒng)和錨定“魚叉”裝置的固定雙保險在著陸過程中均告失效，“菲萊”精確地落在著陸點后卻未能平穩(wěn)地停下來，導致一些重要的科學載荷未能正常工作以及后續(xù)擴展任務的取消。這個教訓充分說明了對目標星體實施探測成功的關鍵在于高可靠進入、下降與著陸（EDL）技術的保障，進入、下降與著陸方案還需根據(jù)目標星體的表征環(huán)境和探測器結構“因地制宜”。像67P彗星這樣不存在大氣，引力極低，并且存在表面碎屑噴射的環(huán)境，就與在火星著陸截然不同。

總裝中的“羅塞塔”與“菲萊”著陸器

需要建立健全探測目標模擬仿真環(huán)境，對探測器的部分和整體進行全面的技術及可靠性驗證

“羅塞塔”上搭載的冷氣系統(tǒng)和錨定“魚叉”裝置的失效，致使其未能穩(wěn)定著陸，這是造成部分科學探測任務未能完成的主要原因。同時我們還應注意到，由于對67P彗星表面環(huán)境的評估不足和基于老舊資料來設計科學載荷，使用其上攜帶的一些科學載荷，即使正常工作也不能物盡所能?！傲_塞塔”在20世紀70年代開始規(guī)劃到今天實施，時間跨度超過40年，即便從正式被批準進入實施階段，也已經(jīng)過去了超過20年的時間。漫長的設計周期帶來的問題是，仍使用之前探測器飛掠探測獲得其他彗星的少量資料來對67P彗星表面環(huán)境進行的評估，而且當時的技術與設計水平也是限制載荷探測能力的重要原因。

ESA在1993年正式立項“羅塞塔”計劃前，僅僅進行過一次對于中周期彗星“哈雷”的探測（“喬托”），而當時人類總共的彗星探測次數(shù)不超過5次，而且均為飛掠探測。“菲萊”上的表面與亞表面科學多用途遙感器所含探針的測試對象是低密度的疏松物質：多孔混凝土、沙、雪和絕熱泡沫等。然而，67P彗星表面物質屈服強度遠超過2MPa，大于探針的鉆取能力，導致該項重要試驗失敗。因此，要有所針對地研究目標星球的環(huán)境特點，綜合分析大氣、重力、氣候變化、地形等多種因素對探測器的影響，篩選出影響較大的因素，建立綜合性模擬試驗場，整合進入、下降與著陸過程中的關鍵技術，對探測器的部分和整體，與關鍵技術指標進行反復測試。

4 結束語

“羅塞塔”從2004年發(fā)射到2014年最終趕上彗星，經(jīng)歷了漫長的10年艱辛，期間3次飛過地球、1次飛過火星，沿著復雜的軌道圍繞太陽運行超過6.0×109km，終于得償所愿。這幾乎是整整一代人的青春，一代科學家整個的職業(yè)生涯都奉獻在了這個偉大的世紀項目上，同時這也是人類走出地球、探索太空的一場盛宴。從某種意義上說，“羅塞塔”項目幾乎是讓科幻成真，而這一項目實際上也在幫助我們解答一個終極問題：在宇宙中，我們是孤獨的嗎？