罗塞塔号和菲莱号:在彗星表面的历史性着陆

Nikola Strah 2014年 11月 12日

太阳、太阳系和地球是如何形成的、生命又是怎么起源的,我们仍未能找到这类基础科学问题的答案。不过现在,我们可能距问题答案又近了一步,罗塞塔号上所载的菲莱号航空器有望首次实现在彗星表面的成功着陆。我有幸参访了参与此项目的两位科学家,并深入了解了罗塞塔号这次任务将如何帮助我们回答这些问题。

彗星

人们一直对彗星非常着迷。您也许曾目睹过耀眼的彗星划过夜空的壮丽景象。不过,千百年来,人们一直认为它是一种凶兆,直到现代科学揭示了这些现象背后的不平凡之处。

大约 46 亿年前,彗星在太阳系外围形成。它们拥有狭长的绕日轨道,且绕日轨道周期长达数百甚至数千年,所以它们相对孤立,也因此其化学成分从形成以后基本没有变化。

彗星中蕴藏着有关太阳系早期的基本信息,能够提供星球起源和演化的一些深入见解。科学家认为,彗星对地球海洋和大气层的形成起到了至关重要的作用,因为其中的各类化学化合物,例如水,都是随彗星撞击地表而被带入地球的。还有些更惊人的假设,提到彗星中还包括了构成生命基本成分的复杂有机分子,例如氨基酸和核酸,从而促成了地球生命的出现。

罗塞塔号的任务之一是通过研究彗星帮助解锁行星演化的奥秘。

使命:解锁行星演化的奥秘

很荣幸,我有机会采访了德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的 Carsten Güttler 博士,他是罗塞塔号上所安装的 OSIRIS 相机的项目负责人。Güttler 博士在向我介绍陈列于研究所中庭的航天器模型时,解释了这项任务的重要性:

“彗星极可能是帮助我们理解行星起源的那把钥匙。这就是这项任务以著名的罗塞塔石碑命名的原因,石碑上用三种文字篆刻了同一段信息,发现时只有一种语言人们可以阅读。”

菲莱号 – 罗塞塔号登陆器

Güttler 博士接着向我大致介绍了罗塞塔号的使命。他说道:“罗塞塔号是欧洲航天局的一项关键项目,[也是]一个非常大型的重要项目。这是我们第一次向彗星发射航天器,而且它将在非常靠近彗星的地方飞行。虽然过去也有一些任务[使航空器]飞过彗星,但罗塞塔号的特殊之处在于它会伴随彗星飞行一年,跟踪彗星在近日轨道中的演化,以及它是如何变热和变得更加活跃的。

罗塞塔号的登陆器菲莱号在任务中扮演着重要的角色,它将附着在轨道飞行器上,并能够追踪这些演化。“11 月 12 日早上,登陆器将从轨道飞行器脱离,并登陆彗星表面。”Güttler 提到。

他同时补充道:“罗塞塔号能帮我们从远处观察彗星,但我们却能通过登陆器向彗星发送一个小型实验室,从而能够非常详细地对彗星的某个位置进行探索。”

正如 Güttler 博士所提到的,罗塞塔号将是第一艘伴随彗星飞行的航天器,而菲莱号则将首次实现在彗星表面的受控登陆。在菲莱号被释放之后,它将沿预定轨道落到彗星表面,大约在经过 7 小时的自由飞行段之后在表面着陆。由于彗星引力大约仅为地球的万分之一,所以登陆器到达后会首先向彗星表面发射两个“鱼叉”装置进行固定。

罗塞塔号通往太阳系深处之旅

这项探险活动早在 2004 年就已经开始,罗塞塔号经过了 10 年的飞行才最终追上了彗星 67P/丘留莫夫-格拉西缅科。

照片显示了彗星 67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星的表面结构。
彗星 67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星,照片摄于 2014 年 8 月 3 日,距彗星 285 公里。照片显示了多种表面结构,比如陡坡和大平原。图片提供:ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

在这次旅程中,罗塞塔号穿过了小行星带;并曾与其中的两颗小行星有过亲密接触;也曾为了节省能源而在太空深处冬眠了三年之久。当罗塞塔号最终于今年早些时候从冬眠中醒来时,整个罗塞塔号团队都在为此庆祝

罗塞塔号到达目标位置

罗塞塔号在 2014 年 8 月 6 日到达目标位置。之后,经过几次调转到达距离彗星表面 8 公里的位置。在接近过程中,罗塞塔号团队一直在寻找一个合适的着陆地点,确保菲莱号的太阳能电池能接收到足够的太阳能。此外,团队也不希望彗星的崎岖地形会妨碍到登陆器,并计划避开所有较大的岩石。最终,团队选了一个着陆地点,并将其命名为Agilkia

Agilkia 图片,菲莱号的着陆地点。
Agilkia 位于彗星“头部”位置。在右侧的放大图中,用十字交叉进行了标记。图片提供:ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

如果一切顺利,菲莱号会在登陆彗星后直接开始自己的任务。

在到达目标位置的漫长旅程中,航天器已经创造了许多史上的第一次。这是首艘绕彗星飞行的航天器,也是第一艘使用太阳能电池作为主要动力并成功飞行至距太阳如此远处的航天器。

利用仿真探索彗星表面

罗塞塔号和菲莱号上运载了 20 多种不同的仪器,主要用于探测彗星表面,以及在登陆后探索彗星内部。其中一个装置是多用途表面/地下传感器 (MUPUS),它是在德国航空航天中心 (DLR) 行星研究所(位于德国柏林)的带领下研发的。MUPUS 专门设计用于测量当彗星处于近日轨道时,彗星表面的热学和力学属性,以及随时间的演化。

开发模型

来自奥地利科学院航天研究所(位于奥地利格拉茨)和行星研究所(位于柏林)一组研究人员正使用 COMSOL Multiphysics 开发一个模型,用于帮助解读通过 MUPUS 获取的热测量数据。团队还撰写了”适用于空间应用的新型导热系数传感器的测量数据解读“一文,并在 COMSOL 2011 用户年会的斯图加特站进行了展示。

这篇论文的主要作者是格拉茨航天研究所的 Norbert Kömle 博士,他从项目一开始就参与其中。他向我解释道:“你可以这样想象彗星天体,它是冰与岩石的混合物,有些地方混合在一起,有些地方是分离的,还有些地方比较松散。我们希望能确定表面的属性,不是从外部来看,而是向材料内部插入一根探针。”

但这项任务却陷入了一个困境。正如 Kömle 所指出的,“它极具挑战性,因为登陆器需要在粗糙的地表登录,要避开小岩石,同时需要保持向上的姿态。如果能成功,那可以毫不夸张地说,这会是一个历史性的突破。”

MUPUS 包括一个大约 40 cm 长的玻璃纤维杆,其中包含 16 个单独的加热器和传感器。每个都可以独立打开或关闭,所以能够测量沿探针长度的导热系数变化。顶部有一个锤击装置,用于固定探针,以及测量表面的力学属性。

MUPUS 是罗塞塔号和菲莱号上安装的一个仪器。
登陆器菲莱号上安装的 MUPUS 实验装置。Kömle 等人在 COMSOL 2011 用户年会斯图加特站提供。

分析所涉及的现象

Kömle 博士的团队使用 COMSOL Multiphysics 附加的传热模块开发了一个模型,用于根据测量结果推导彗星表面的热学属性,例如导热系数。

他们的模型中考虑了一个真实的传感器几何,圆柱形传感器中的轴向热损失,以及探针和周围材料间的热阻。Kömle 博士和他的同事们还使用 COMSOL 仿真软件来校准 MUPUS 探针及其变体 EXTASE,这是专门为地面测量设计的。他们使用预定义的辐射边界条件模拟了探针的屏蔽与冷却。

模型突出了热阻的影响。
月球压力条件(真空)下月球风化层中导热传感器和周围土壤间热阻的影响。导热系数的变化范围是 1250 W/m2/K(代表探针和土壤之间有很好的材料接触)到 12.5 W/m2/K(没有空气,没有直接物质接触)。Kömle 等人在 COMSOL 2011 用户年会斯图加特站提供。

仿真已证明对任务至关重要

仿真对于罗塞塔号的任务至关重要。Norbert Kömle 继续说道:“仿真在这里特别重要,因为我们希望能确定表面属性。例如,太阳辐射[所产生的热]穿透彗星表面的深度。这取决于地表被哪种材料覆盖,冰或其他多孔材料。这无法直接计算,但也依赖于传感器的几何和结构。因此,我们建立了一个 COMSOL [Multiphysics] 模型,在模型中改变了不同参数,例如导热系数,然后对比了该模型与我们在实验室及现场获得的测量数据。”

通过更改参数,研究人员能够看到热在周围材料中的扩散速度。由于我们目前还没有得到彗星数据,所以仿真发挥了非常关键的作用。“彗星表面也可能由不同的层构成,例如冰、灰尘,或冻土。” Kömle 说道。他补充道:“COMSOL [Multiphysics] 为我们的模型开发提供了很多帮助,使整个流程变得更加高效。”

Kömle 博士的团队继续将 COMSOL Multiphysics 用于其他应用,其中一个是模拟彗星表面裂隙的热演化,及其如何因表面升华和气体射流而发生改变。”这项研究也证明 COMSOL [Multiphysics] 非常好用。”Kömle 博士说道。

描述了热演化的绘图。
高山岩石的 EXTASE 测量与 COMSOL Multiphysics 的地面应用仿真对比。图片由 Norbert Kömle 博士提供。

历史性任务

整个罗塞塔号和菲莱号任务由欧洲和美国的多个太空机构和科学协会合作开发,同时由行业团队组成的 50 多个承包商也参与其中。这个项目代表了要实现项目背后宏大的科学目标所必须克服的一系列科学和技术难题

罗塞塔号团队已经收到了许多令人印象深刻的数据; “这些图像非常壮观。它们激发了我们的想象,例如,那里存在一些冬季雪景。当然,地面上没有雪,而是被灰尘覆盖。我们也还看到了悬崖和不同的腐蚀特征。我们不禁自问:‘这一切是如何形成的?’,截至目前,我们已经发现了有多少是我们所不了解的,不过这也使这项任务变得更加吸引人。”Güttler 评论道。

登陆确认信息将于格林尼治时间今天(2014 年 11 月 12 日)16:00 最终确认,让我们祈祷它最终能成功着陆。正如 Güttler 博士所说:“我相信,我们的彗星研究历史将在罗塞塔号任务之后被改写。”

最新信息:(11/12/2014):菲莱号已正式于格林尼治时间 16:03 成功着陆!

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