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1、罗塞塔任务分析一、 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
2、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
3、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
4、 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。二、 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35 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。三、 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
5、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
6、，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
7、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 着陆器着陆示意图图 2 着陆器着陆轨迹图 2 “菲莱”的三角支架及各机构（其中“菲莱”主体可相对支架旋转、倾斜以便更换采样点）值得注意的是，目标彗星更改成67P/C-G 彗星之后，
8、由于67P/C-G 彗星和Wirtanen彗星相比质量更大， 着陆过程的实施和原计划相比发生了变化。比如变动后着陆的相对速度和变动前的预期相比增大了，这意味着着陆器着陆将面临着更严厉的条件。而着陆点是否面向太阳会对整个着陆过程产生影响，这是因为在阳光下， 彗星表面的喷发气体会更多， 从而对着陆器施加向上的气动力，这有助于减少着陆器的冲击速度，但也有可能因为气动力太大而使得着陆器被吹飞。四、 附：Wirtanen彗星探索方案（1）彗星姿态建模对于 Wirtanen 彗星， ESA 原来提出的建立彗星姿态模型的过程是这样的：采用彗核惯性主轴坐标系对彗星姿态和极轴的运动进行描述（坐标系的各坐标轴按照
9、转动惯量递增的顺序先后以X、Y、Z 命名） 。因此，Z 轴是惯性主轴中对应转动惯量最大的那个轴，它对应过彗星极点的绕轴运动。彗星的姿态动力学模型可以采用三种方式建模：（1）彗星极点在参考坐标系中固定，物体的运动呈现为绕极点的恒定角速度的简单转动。（2）或采用随时间线性变化的常见欧拉角对彗星姿态加以描述。（3）用观测数据以内插值的方法确定彗星姿态。一种方法用于根据观测阶段得到的数据计算得到精确的着陆轨迹。由于彗星形状未知， 考虑到下降段相对较短的时间，假设彗星以 7 小时的周期绕固定极轴转动。这个假设会随着观测数据的更新而更新。（2）着陆过程大致和更改后计划类似。（3）下降段的轨迹优化优化问题的
10、目标是使得目标函数J最小话，J的表达式为：J xfxP x其中 x是控制向量，fx 是性能指标函数。fx 由下降时间或相对碰撞速度、确定的惩罚函数 P x 组成。如果所有约束都得到满足，那么惩罚函数的值为0。控制向量 x包含的变量众多。根据着陆顺序，控制向量的组成包括：（1）从椭圆轨道分离时制动速度增量sepV的大小（小于 0.5m/s）（2）机动分离的方向（位于垂直于轨道器Z 轴的平面）（3）下降段的持续时间（必须不超过3 小时）（4）可调控的 ADS 机动速度大小（小于1m/s）（5）相对碰撞速度大小（小于0.5m/s）（6）还需要考虑集中附加约束条件：（7）着陆器在下降段、着陆段和着陆后
11、的太阳光压条件（8）下降段、着陆段和着陆后，着陆器和轨道器之间的几何可见性（9）分离和第一次 ADS 机动的最小持续时间以确保轨道器设备不被污染、（10）太阳帆相对于太阳的方位角(angle between the Sun direction and the solar panel axis greater than 60 degrees) 此外， 在后分离轨道段上为了避免轨道器和彗星直接相撞或逃逸还增加了一些约束条件（比如后分离轨道的最小近拱点高度）。总之，我们必须解决许多约束条件下的复杂的非线性优化问题。为了解决这个问题，我们采用了已知的直接优化算法，比如下山单纯形法、步长加速法。而且，为
12、了简化问题和减少参数数目，对下降段轨迹进行了反向内插值。因此， 通过把着陆点作为起始点并对控制向量的各分量进行积分以得到分离轨道的轨道参数。此外，分离轨道的计算中假设着陆器质量为100kg，轨道器质量为 1800kg。参考文献：1 J. Biele .S. Ulamec，Capabilities of Philae, the Rosetta Lander，Springer Science+Business Media B.V. 2007 2 J.-P. Bibring , H. Rosenbauer,H. Boehnhardt ，The Rosetta Lander ( “Philae ”) Investigations 3 J. Bernard, F. Dufour, P. Gaudon ，Rosetta Mission Analysis Of The Landing Phase On A Comet，AIAA 2002-4723
