星塵號 - 概述

星塵號是一個美國發(fā)射的行星間宇宙飛船，主要目的是探測維爾特二號彗星和它的彗發(fā)成分組成。 它于1999年2月9日由NASA發(fā)射升空，經(jīng)過46億公里(29億英里)的旅行，2006年1月15日成功將返回艙在地球著陸。

發(fā)射和回收

星塵號于2004年1月2日飛越維爾特二號彗星(由瑞士伯爾尼大學(xué)天文學(xué)家保羅·維爾特發(fā)現(xiàn))。

飛越彗星時從彗星彗發(fā)收集到彗星塵埃樣品，拍攝了詳細的冰質(zhì)彗核圖片。 2006年1月15日約凌晨5:10 EST (10:10 UTC)，星塵號返回艙在猶他州大鹽湖沙漠著陸, 接近美軍試驗場公路，以方便樣品物質(zhì)運輸。著陸的確切地點位于北緯40°21.9'，西經(jīng)113°31.25'。

返回倉的速度達到12.9 km/s (28,860 英里/小時)是進入大氣層最快的人造宇宙飛行器。NASA猶他發(fā)言人表明飛船在不到6分鐘時間內(nèi)會經(jīng)過鹽湖城-紐約市。猶他西部和內(nèi)華達東部可以觀測到巨大的火球和音爆。這是首次收集彗星塵埃取樣返回任務(wù)，帶采樣返回地球。第二個樣品返回任務(wù)Hayabusa，收集小行星塵埃，2005年11月26日發(fā)射，2010年6月返回 . 除此之外，飛船還完成了其他任務(wù)。2002年11月2日它從3300千米的位置上拍攝了小行星5535 Annefrank的圖片。2000年3月-5月和2002年7月-12月, 另一部分氣凝膠收集器也捕獲了星際塵埃。 星塵號母船進行了“轉(zhuǎn)向操作”防止它進入地球，NASA考慮把它發(fā)射到另外的彗星或者小行星。與返回艙分離并轉(zhuǎn)向完成后,上面還有20公斤燃料。 華盛頓大學(xué)的Donald Brownlee是星塵計劃的首席研究員。

飛船

這次使用的飛船由洛克希德·馬丁宇航公司設(shè)計制造。這個輕量級飛船整合了不少組件。他們即使當(dāng)前空間探索使用的也用于未來的太空探索任務(wù)。包括深度空間操縱使用的推進劑，飛船總重量380公斤。主運載倉高度1.7米，大約與普通辦公桌大小相當(dāng)。 星塵軟件系統(tǒng)叫VxWorks，是一種嵌入式操作系統(tǒng)，由風(fēng)河系統(tǒng)(Wind River Systems)開發(fā)。

氣凝膠樣品采集器

彗星河星際塵埃由超低密度氣凝膠收集。超過1,000平方厘米的采集面積可收集各種粒子類型(彗星塵埃和星際塵埃)。

當(dāng)飛船穿過彗星時，被捕獲的粒子沖急速度為6100米/秒,大于來復(fù)步槍子彈發(fā)射速度的9倍。盡管捕獲的粒子比一粒沙還小, 但是高速捕獲還是能改變他們的外形和化學(xué)結(jié)構(gòu)或者完全被汽化。

星塵太空艙和它展開的氣凝膠收集器為了收集時不破壞它們，采集器使用了硅基固體材料，它有海綿那樣的多孔結(jié)構(gòu)，99.8%的空間被真空填充，如果這種材料被空氣填充，它幾乎能在空氣中漂浮。氣凝膠密度只有玻璃的千分之一, another silicon-based solid. 當(dāng)顆粒撞上氣凝膠，它就被埋在材料里面，畫出比自己長200倍的胡蘿卜形的軌跡，在此期間減速停止就像飛機跑道上滑行制動減速一樣。因為氣凝膠幾乎透明，又是也被叫做“藍煙”，科學(xué)家將利用這些軌跡尋找微小的顆粒。

氣溶膠保存在樣品返回艙(Sample Return Capsule (SRC))，在返回大氣層時由主船體釋放，使用降落傘減速降落，剩余部分將重新點火，進入繞太陽軌道。

提到降落還要說一下，星塵號與起源號使用相同的降落傘設(shè)計, 2004年起源號太陽系探測器，因為設(shè)計錯誤沒有打開降速傘而墜毀，星塵號著陸平穩(wěn)，返回艙完好無損，估計時間誤差在一分鐘以內(nèi)。

彗星和星際塵埃分析器(CIDA)

CIDA儀是一個time-of-flight質(zhì)普儀，可以測定與銀碰撞板相遇的單個塵埃顆粒的成分。

星塵上的彗星和星際塵埃分析器(CIDA)的作用是，當(dāng)塵埃遇到星塵探測器時，截取和實時完成塵埃的成分分析。

CIDA根據(jù)比較飛行時間的差異分離[離子]]的質(zhì)量。裝置的工作原理如下：當(dāng)塵埃顆粒碰撞上靶點，離子通過電場被提取出來。 通過靶點的極性，正負離子很容易被分開。被分離的離子穿過裝置，被反射到反射器，探測器就安裝在這里。重離子需要更多時間穿越這個裝置，因此通過離子飛行時間可以計算出離子質(zhì)量。

這個CIDA和安裝在Giotto和2個在哈雷彗星塵埃顆粒發(fā)現(xiàn)其化學(xué)成分獨特的數(shù)據(jù)的織女星計劃探測飛船是相同的裝置。它由入口，靶點，提取器，飛行之間質(zhì)普儀(TOF mass spectrometer)和離子檢測器組成。

負責(zé)CIDA的合作研究者，德國慕尼黑馬克斯·普朗克學(xué)院宇宙物理學(xué)研究所的Jochen Kissel研制了此裝置。 電子硬件設(shè)計由德國施威琴根(Schwetzingen)的von Hoerner & Sulger 有限公司完成。CIDA儀軟件由芬蘭氣象研究院開發(fā)。

導(dǎo)航像機(NavCam)

導(dǎo)航相機主要用于在飛越彗星時定位彗核，當(dāng)然也能夠拍攝彗星的高解析度圖片。

導(dǎo)航像機(NC)，是一個機械子系統(tǒng)，用于光學(xué)指導(dǎo)飛船接近彗星。 這樣飛船就能以適當(dāng)?shù)木嚯x穿越彗星并能足夠的接近彗核，確保收集足夠的塵埃。相機也具有普通相機功能手機科學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括接近和遠離彗核的時不同角度拍攝的廣角高解析度彩色圖片。這些圖片用于構(gòu)建彗核的3D立體地圖，以更好的理解他的起源，地貌，有利于研究彗核礦物多樣性分布，還能提供核旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的信息。 在接近和遠離氣體塵埃彗尾時，相機通過不同的濾鏡拍攝圖片。這些圖片將提供關(guān)于氣體成分，氣體和塵埃動態(tài)和氣象信息(如果存在的話)。

惠普爾罩

惠普爾罩用于保護飛船在彗發(fā)利高速運動時免于遭受顆粒碰撞，緩沖罩是一個能讓阻止撞上的顆粒的復(fù)合面板。Next blankets of ceramic cloth further dissipate and spread the particle debris. 三個覆蓋層保護主船體，另外2個用來保護太陽能電池板。復(fù)合捕獲器吸收所有粒度直徑小于1厘米的顆粒，保護主船體安全。

塵埃通量檢測器(DFM)

The DFM裝置安裝在Whipple shield前端，監(jiān)測環(huán)境中微粒的通量和大小的分布。

這一設(shè)備由芝加哥大學(xué)的Tony Tuzzalino負責(zé)研制，DFMI是一個高靈敏度裝置用于探測只有幾微米的微粒。它基于非常特別的極化塑料(PVDF)，當(dāng)被高速微粒碰撞或穿透時能產(chǎn)生電子脈沖。

塵埃通量檢測設(shè)備(The Dust Flux Monitor Instrument (DFMI))由傳感單元(Sensor Unit (SU)), 電子箱(Electronics Box (EB))，和安裝在星塵飛船上的聲敏元件組成。SU被安裝在惠普爾罩，EB則裝在飛船外殼內(nèi)部。

人類首次取回彗星塵埃

美國宇航局“星塵號”探測器的返回艙2006年1月15日在猶他州沙漠中成功著陸。 這是人類太空探測史上第一次獲取彗星物質(zhì)和星際塵埃樣品。為了獲取這些彗星物質(zhì)和星際塵埃樣品，“星塵號”探測器在歷時七年的飛行中共飛越了48億公里的路程。此項飛行計劃共耗資2.12億美元。

2006年1月15日早上，裝有被科學(xué)界視為“無價之寶”的“星塵號”探測器返回艙與探測器成功分離并自主飛向地球。莫斯科時間13時左右(北京時間18時)，返回艙在距離地面125公里的高度上進入地球大氣層。此時返回艙的飛行速度為每小時約為46440公里，這再次創(chuàng)造出了人類研發(fā)的宇宙探測器在返回地球時飛行速度的新紀錄。此前，這樣的紀錄是由“阿波羅-10”號指揮艙在1996年5月返回時創(chuàng)造的。在距離地面約32公里的高度上，返回艙的制動傘打開。莫斯科時間13時5分(北京時間18時5分)，在距離地面約3公里的高度，返回艙的主制動傘打開，“星塵號”探測器的返回艙在猶他州一個訓(xùn)練場成功完成了軟著陸。

在此之前，只有前蘇聯(lián)的月球探測器和美國宇航員從月球上采集到固體的外星物質(zhì)并帶回地球，而在月球軌道之外，這樣的樣品收集任務(wù)還從未有過。美國宇航局的專用飛機對“星塵號”返回艙的著陸工程進行了全程監(jiān)控。由于返回艙在進入大氣后在身后的夜空中留有明亮的光痕，因此，在美國幾個州的領(lǐng)土上都能看到返回艙著陸前的壯觀景象。在地面，已經(jīng)有數(shù)支搜尋分隊做好迎接“星塵號”返回艙回家。

科學(xué)家們希望， 本次收集的彗星物質(zhì)不僅能幫助他們認為彗星的構(gòu)成，還能為他們研究太陽系的歷史提供物質(zhì)依據(jù)。據(jù)“星塵號”任務(wù)的資深觀察員道恩-布朗里表示：“最近數(shù)十年，人類開發(fā)的宇宙探測器已經(jīng)多次近距離掠過彗星，這無疑將為我們提供最有價值的彗星資料”。另外，據(jù)與英國科學(xué)家們共同參與“星塵號”項目的西蒙-格林博士表示：“‘星塵號’所收集的彗星樣品將幫助科學(xué)家們更多地了解人類尚未認識清楚的宇宙歷史”。

西蒙-格林還解釋稱：“彗星基本上全由冰構(gòu)成，它們自誕生之是起就非常寒冷。這有利于保護它們的構(gòu)成物質(zhì)遭受任何熱源的侵蝕，換句話說，彗星的構(gòu)成物質(zhì)自其產(chǎn)生之日起就相對穩(wěn)定?？梢赃@樣說，‘星塵號’返回艙的成功著陸，就好像讓我們得到了一個記錄著45億年前宇宙信息的‘時間艙’”。

成功將彗星樣本帶回地球

裝有彗星塵埃樣本的美國“星塵”號飛船返回艙，于北京時間2006年1月15日18時許在美國猶他州的沙漠中降落。這是人類發(fā)射的探測器首次將彗星樣本帶回地球。

脫離近地軌道的“星塵”號返回艙以超音速降落，并在3萬米高空“撐起”降落傘，平穩(wěn)著陸在猶他州沙漠。這標志著美國宇航局歷時7年、利用航天器對彗星進行的首個取樣計劃圓滿完成。

NASA科學(xué)家布朗李表示：“我們的任務(wù)稱為星塵，因為我們相信有些彗星的粒子事實上比太陽和行星都還古老，它們形成其他星球，我們稱之為星塵。”

NASA系統(tǒng)經(jīng)理希爾斯特表示：“這是有史以來返回地球速度最快的物體，把它帶回地球是檢驗宇宙惟一的方式。”

與此同時，噴氣推進實驗室爆發(fā)出一陣歡呼聲。曾目睹“起源號”飛船返回艙墜毀的科學(xué)家們終于找到了慰藉。2004年，負責(zé)收集太陽粒子的“起源號”在降落傘無法打開的情況下一頭撞向地面，破壞了其中一些樣本。

“這次軟著陸為(星塵)任務(wù)畫上絕妙的句號?！奔s翰遜太空中心專家卡爾頓·艾倫感嘆道。自1992年2月發(fā)射后，“星塵”號飛船一直“追趕”著當(dāng)時距地球8.2億公里的“維爾特二號”彗星，以便用隨身攜帶的“網(wǎng)球拍”式塵埃采集器捕獲彗星微粒。

2004年1月，重約46公斤、書櫥大小的“星塵”號終于同“維爾特二號”彗星“擦肩而過”，飛船上的光學(xué)導(dǎo)航相機還抓拍了一些彗核照片，作為“近距離約會”的紀念?？茖W(xué)家們期待，此次“星塵”號不僅能為NASA送上彗星塵埃樣本的“禮物”，還能帶來數(shù)百萬光年外超新星爆發(fā)釋放出的極少數(shù)星際塵埃。

總耗資約1.68億美元(不包括飛船發(fā)射費用)的“星塵”項目由NASA下屬的噴氣推進實驗室負責(zé)。值得一提的是，返回艙當(dāng)天進入大氣層的速度達到每小時46444公里，穿過整個大氣層也僅僅用了大約13分鐘。這一速度使“星塵”號返回艙超過美國“阿波羅-10”號宇宙飛船1969年創(chuàng)造的最快速度，成為進入大氣層時最快的人造宇宙飛行器。

在猶他州現(xiàn)場剛剛確認返回艙安全著陸的“星塵”項目設(shè)計者、華裔科學(xué)家鄒哲博士在電話中說：“這是一個非常完美的著陸，完全按照計劃進行?！睔w來的“星塵”已在太空旅行近7年、行程約40億公里。

據(jù)鄒哲介紹，搜索隊目前已乘直升機出發(fā)去尋找返回艙。搜索人員在找到返回艙后，將首先將其運往美國軍方的達格韋武器試驗場進行初步處理。返回艙中的彗星塵埃樣本等最終將被送往美國宇航局約翰遜航天中心供科學(xué)家研究。

“到目前為止，這個計劃進行得非常完美，達到了我當(dāng)初提出計劃的目標。”鄒哲說，“當(dāng)然含蓄一點，還得等看到樣本后才能報告完全成功的消息?！?/p>

“星塵”號飛船于1999年2月發(fā)射升空。2004年1月，該飛船近距離飛過“維爾特二號”彗星時，飛船上的塵埃采集器成功捕獲到彗星物質(zhì)粒子。北京時間2006年1月15日，裝有彗星塵埃樣本的返回艙首先與“星塵”號飛船的母船分離，隨后進入地球大氣層，并在降落傘的幫助下成功著陸。

科學(xué)家稱，“星塵”號將帶回上千個彗星塵埃的樣本。這些樣本十分微小，直徑比一根頭發(fā)絲還細，因此只能在顯微鏡下進行研究。美國航空航天局的專家們會把收集器的數(shù)碼顯微照片提供給網(wǎng)絡(luò)志愿者，讓他們來共同尋找這些“彗星塵埃”。

鄒哲透露說，如果一切順利，到7月初“星塵”項目科學(xué)家就可以拿出最初的樣本分析成果?！爱?dāng)然，這些樣本中包含的信息，可能10年、20年都分析不完。這可能把人們對彗星以及整個太陽系歷史的認識向前推進一大步?！?/p>

鄒哲指出，整個“星塵”項目總共才花了2億多美元，顯示了無人太空探測的優(yōu)越性，“它證明可以用相對較低的成本采集高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)?！?/p>

捕捉

網(wǎng)球拍狀塵埃采集器，一面捕獲的是彗星物質(zhì)粒子，另一面就是星際塵埃顆粒

“星塵”號飛船上有一個由氣凝膠材料制成的網(wǎng)球拍狀塵埃采集器，一面捕獲的是彗星物質(zhì)粒子，另一面就是星際塵埃顆粒。根據(jù)推算，“星塵”號的星際塵埃采集器上應(yīng)該有大約45個星際塵埃顆粒。僅依靠該項目研究人員至少需要20年才能完成這一工作，因此志愿者的作用在“星塵”項目中顯得十分重要。

揭謎

星際塵埃很可能保留了太陽系誕生之前宇宙構(gòu)成的信息

科學(xué)家認為，星際塵埃很可能保留了太陽系誕生之前宇宙構(gòu)成的信息。但科學(xué)家迄今尚不知道星際塵埃顆粒到底是什么樣的，也從未在實驗室中研究過具體的星際塵埃樣本?！靶菈m”號飛船返回艙除首次為人類帶回彗星樣本外，也將捎回具有重要研究價值的星際塵埃。

彗星 "冰"中含有"火"的物質(zhì)

美宇航局“星塵”項目科學(xué)家報告說，在彗星“維爾特二號”的塵埃粒子中發(fā)現(xiàn)了只有在高溫下才能生成的物質(zhì)。科學(xué)家認為，這一發(fā)現(xiàn)不僅證明彗星物質(zhì)構(gòu)成的多樣性，也揭示了太陽系早期歷史的一些奧秘。

這種物質(zhì)是橄欖石，即硅酸鎂和硅酸鐵組成的晶體。由于這是一種在極高溫度下才會形成的晶體，地球上一般在火山巖中才能發(fā)現(xiàn)。而科學(xué)家們在遙遠、寒冷的彗星上發(fā)現(xiàn)了它的存在，出人意料。除橄欖石之外，他們還發(fā)現(xiàn)了含有鈣、鋁、鈦等金屬元素的晶體，也只能在高溫下生成。

“星塵”項目首席科學(xué)家唐納德·布朗李當(dāng)天說，人們通常認為彗星是在太陽系外圍寒冷之處活動的星體，主要由冰、塵埃和氣體組成，而彗星“維爾特二號”上存在橄欖石等高溫生成的物質(zhì)，意味著這顆彗星歷史上有“火和冰”。布朗李認為，這一發(fā)現(xiàn)表明不同彗星的構(gòu)成并不一致，各自也有不同的歷史，而“維爾特二號”的歷史尤其復(fù)雜。

項目科學(xué)家佐倫斯基認為，橄欖石等晶體表明，構(gòu)成彗星的是低溫到高溫下形成的多種物質(zhì)的混合。他推測，太陽形成初期可能有非常強烈的噴發(fā)活動，把它附近高溫下形成的橄欖石等物質(zhì)“吹”向太陽系外圍，這些物質(zhì)就被類似“維爾特二號”的彗星所吸收。

1999年發(fā)射的“星塵”飛船經(jīng)歷了45億公里的“太空長征”。2004年1月，飛船與彗星“維爾特二號”近距離交會，并采集了彗星塵埃樣本。2006年1月15日凌晨，飛船返回艙成功降落在美國猶他州的沙漠中。

“星塵”項目的策劃者、副首席科學(xué)家鄒哲說，“星塵”捕獲的彗星粒子數(shù)量為百萬以上，僅肉眼能看到痕跡的就有20多個，目前這些粒子已分給150多名科學(xué)家研究。飛船在太陽系飛行過程中還捕獲了不少星際間塵埃粒子，科學(xué)家們不久將對其進行詳細分析。

華裔科學(xué)家25年編織“星塵”夢

當(dāng)美國宇航局的“星塵”號飛船攜帶著彗星“維爾特二號”的樣本即將返回地球時，一位65歲的華人科學(xué)家正期待自己多年的夢想變成現(xiàn)實。

他就是鄒哲博士，美宇航局噴氣推進實驗室資深研究員、“星塵”項目的設(shè)計者和副首席科學(xué)家。日前，當(dāng)記者通過電話找到正在猶他州腹地等候“星塵”號返回艙的鄒哲時，他興奮地告訴記者：“為了這一刻我等了25年?！?/p>

鄒哲博士出生于抗戰(zhàn)時期的中國，少年時期經(jīng)歷動蕩，在20世紀50年代來到美國邊打工邊讀書，接連在加州大學(xué)伯克利分校和洛杉磯分校獲得學(xué)位，此后一直在美國宇航局噴氣推進實驗室從事宇宙工程研究。

談到自己提出的“星塵”計劃，鄒哲的話匣子就收不?。骸拔?981年就首次提出了這個構(gòu)思，但直到1986年才被宇航局接受，這已經(jīng)是我的第13次提案了?！?/p>

他在介紹這個計劃的時代背景時說，當(dāng)時“哈雷”彗星回歸，才使美國宇航局開始重視彗星，否則提案還可能夭折。他說，不少科學(xué)家提出了研究計劃，而他的“星塵”計劃因為構(gòu)思巧妙、成本低而獲得支持，并成為美宇航局旨在以低成本探索宇宙的“發(fā)現(xiàn)”計劃的一部分。

“星塵”是繼“阿波羅”計劃之后，美宇航局第二個取回外星球物質(zhì)樣本的太空探索項目。鄒哲說：“彗星是目前我們知道最有趣的天體，探索彗星非常有趣?！?/p>

他解釋說，研究彗星會揭示太陽系誕生和地球生命起源的奧秘。彗星是太陽系誕生時的殘余物質(zhì)組成的，來源于太陽系外圍的柯伊伯帶，這里溫度常年保持在零下200多攝氏度，比較好地保存了45億年前剛誕生時的狀態(tài)。

而“星塵”號飛船探測的彗星“維爾特二號”尤其“有趣”。鄒哲解釋說，這顆彗星是在1974年才被發(fā)現(xiàn)來到太陽系內(nèi)圈的，它可能受到了土星的引力影響。到目前為止，它在太陽系內(nèi)圈才運行了5個周期，相比之下“哈雷”彗星已在太陽系內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)了不少圈了。

“這就意味著，彗星的物質(zhì)變動很少，大部分還保持著太陽系初生時的狀態(tài)。如果采集其樣本，可能獲得很罕見的數(shù)據(jù)，”鄒哲說。