羅塞塔任務分析

1、羅塞塔任務分析一、 羅塞塔任務簡介羅塞塔任務是歐空局科學探測項目中的一個重要任務，通過對彗星的實地考察，該任務有助于揭示太陽系的起源、彗星為什么要向外噴射物質以及地球原始有機物是否來自彗星等問題。原計劃羅塞塔探測器會在2003年1月發(fā)射，發(fā)射后先后經歷一次環(huán)繞火星、兩次環(huán)繞地球的借力飛行和兩次飛越小行星的旅程之后最終于2011年和Wirtanen彗星相會。但因為Ariane-5 運載火箭的技術問題而錯過了發(fā)射窗口，“羅塞塔”彗星探測器被推遲到2004年3月于法屬圭亞那航天發(fā)射場發(fā)射升空，探測器經過三次環(huán)繞地球，一次環(huán)繞火星的借力飛行與一系列復雜的機動飛行之后進入深空最終將與67P/Churyu

2、mov-Gerasimenko彗星交會。該探測器有一人多高，其中兩個太陽能板的翼展達到32米。包括軌道器和著陸器“菲萊”兩部分。“菲萊” 著陸器重100kg , 是一個微型實驗室, 裝載了26kg 的探測儀器(包括1臺小型鉆孔器)以及保證其沿著復雜軌道進行10 年長途跋涉的推進裝置。探測器攜帶有用于遙感、成分分析以及研究彗核構造、塵埃組成、等離子體環(huán)境和太陽風影響的多臺儀器。其中軌道器攜帶了10部科學儀器；軌道器下方體積較小的著陸器攜帶了另外9部科學儀器。 圖2 羅塞塔的飛行軌道 而目標彗星67P/C-G是一顆周期為6.45年的繞太陽運行的彗星，最早由烏克蘭天文學家發(fā)現于1969年，目前它已經

3、運行了很多個周期，天文學家已經精確計算出了它的軌道。其軌道的軌道平面和黃道面很接近，這有助于探測器進行軌道機動。考慮到彗星在近日點產生的噴發(fā)物質會影響到探測器的探測，“羅塞塔”與67P/C-G的交會地點選在了距離太陽很遠的位置（距離約3AU）。目前，經過了自2011年6月以來31個月的深空休眠之后，探測器上的儀器設備已經被歐空局喚醒，正前往追趕67P/C-G彗星的路上。預測將在今年11月10日與67P/C-G彗星交會并釋放攜帶的“菲萊”（Philae）著陸器進行軟著陸。著陸后，“羅塞塔” 將與彗星共同度過17 個月, 期間兩者將不斷向太陽靠近, 直至彗星到達距離太陽最近的軌道點。二、 67P/

4、C-G彗星對于更改計劃后的目標彗星67P/C-G，根據哈勃天文望遠鏡的觀測，彗星67P/C-G截面大小大約為3×5 km，自旋周期大約為12.3小時，表面重力大約為10-4 g。根據哈勃望遠鏡的光學觀測，彗星67P/C-G的三維形狀大概如下圖所示。圖2 67P/C-G彗星的形狀 彗星67P/C-G白天表面溫度大概在-80到+20攝氏度之間，夜晚表面溫度>-200攝氏度。表面氣壓在幾千帕量級。三、 著陸過程探測器在經歷幾次借力飛行后進入深空，而著陸器開始進入休眠狀態(tài)并保持在太陽陰影中。經歷31個月的休眠之后，探測器向67P/C-G彗星靠近，在此過程中，探測器會利用攜帶的相機對67

5、P/C-G彗星成像以便科學家確定著陸地點。科學家在分析回傳圖像數據并權衡各方面因素（比如光照，地形坡度等條件）然后確定著陸點。最后探測器將按照以下順序完成著陸過程。（1）探測器繞分離軌道飛行（2）釋放著陸器：在某個適當的時候，探測器從后方彈射著陸器并部分抵消探測器的橫向軌道速度，釋放后著陸器的瞬時速度大約在0.05至0.52m/s之間。而此過程中，機動方向始終垂直于著陸器Z軸，并且著陸器Z軸指向彗星表面的豎直方向。（3）可選的機動下降段：如果需要，從彈射射釋放著陸器開始經過短暫的下降后，著陸器上的機動下降系統(tǒng)(ADS)依靠其冷卻氮氣噴氣裝置沿著陸器Z軸噴氣并產生沿Z軸反向的機動速度。不過對于更

6、改計劃后質量更大的67P/C-G彗星，該機動下降調整很可能不會被實施。（4）著陸前：著陸器著陸彗星時應確保和彗星地面沒有水平相對速度，并且垂直相對速度應小于最大允許值?？偟南鄬λ俣裙烙嬙?m/s左右。（5）著陸瞬間：著陸器的ADS系統(tǒng)沿著著陸器Z軸噴氣幾秒鐘使得著陸器牢牢吸附在彗星表面以阻止著陸器可能發(fā)生的彈跳。同時三角架型著陸腿的各條腿的鉆頭鉆入彗星地表以阻止可能發(fā)生的橫向滑動，而各條腿上的阻尼機構可吸收掉大部分沖擊動能并將其轉化為電能。（6）著陸后：著陸器用發(fā)射裝置向彗星地表發(fā)射魚叉型拋射機構并嵌入彗星地表，然后電機旋轉并張緊連接拋射機構的纜索從而進一步固定著陸器。整個著陸過程大約持續(xù)30

7、分鐘，在此過程中著陸器上的飛輪會以9600轉每秒的轉速旋轉使得著陸器保持姿態(tài)穩(wěn)定。著陸后“菲萊”開始科學探測，而軌道器會一直環(huán)繞彗星飛行，保持太陽帆面向太陽獲取能量并將天線指向地球以備接受著陸器傳回的數據并轉發(fā)到地球?！胺迫R”自身攜帶的天線也會將部分數據直接回傳地球。圖2 著陸器著陸示意圖圖2 著陸器著陸軌跡圖2 “菲萊”的三角支架及各機構（其中“菲萊”主體可相對支架旋轉、傾斜以便更換采樣點）值得注意的是，目標彗星更改成67P/C-G彗星之后，由于67P/C-G彗星和Wirtanen彗星相比質量更大，著陸過程的實施和原計劃相比發(fā)生了變化。比如變動后著陸的相對速度和變動前的預期相比增大了，這意味

8、著著陸器著陸將面臨著更嚴厲的條件。而著陸點是否面向太陽會對整個著陸過程產生影響，這是因為在陽光下，彗星表面的噴發(fā)氣體會更多，從而對著陸器施加向上的氣動力，這有助于減少著陸器的沖擊速度，但也有可能因為氣動力太大而使得著陸器被吹飛。四、 附：Wirtanen彗星探索方案（1） 彗星姿態(tài)建模對于Wirtanen彗星，ESA原來提出的建立彗星姿態(tài)模型的過程是這樣的：采用彗核慣性主軸坐標系對彗星姿態(tài)和極軸的運動進行描述（坐標系的各坐標軸按照轉動慣量遞增的順序先后以X、Y、Z命名）。因此，Z軸是慣性主軸中對應轉動慣量最大的那個軸，它對應過彗星極點的繞軸運動。彗星的姿態(tài)動力學模型可以采用三種方式建模：（1）

9、彗星極點在參考坐標系中固定，物體的運動呈現為繞極點的恒定角速度的簡單轉動。（2）或采用隨時間線性變化的常見歐拉角對彗星姿態(tài)加以描述。（3）用觀測數據以內插值的方法確定彗星姿態(tài)。一種方法用于根據觀測階段得到的數據計算得到精確的著陸軌跡。由于彗星形狀未知，考慮到下降段相對較短的時間，假設彗星以7小時的周期繞固定極軸轉動。這個假設會隨著觀測數據的更新而更新。（2）著陸過程大致和更改后計劃類似。（3）下降段的軌跡優(yōu)化優(yōu)化問題的目標是使得目標函數最小話，的表達式為： 其中是控制向量，是性能指標函數。由下降時間或相對碰撞速度、確定的懲罰函數組成。如果所有約束都得到滿足，那么懲罰函數的值為0。控制向量包含的

10、變量眾多。根據著陸順序，控制向量的組成包括：（1）從橢圓軌道分離時制動速度增量的大?。ㄐ∮?.5m/s）（2）機動分離的方向（位于垂直于軌道器Z軸的平面）（3）下降段的持續(xù)時間（必須不超過3小時）（4）可調控的ADS機動速度大小（小于1m/s）（5）相對碰撞速度大?。ㄐ∮?.5m/s）（6）還需要考慮集中附加約束條件：（7）著陸器在下降段、著陸段和著陸后的太陽光壓條件（8）下降段、著陸段和著陸后，著陸器和軌道器之間的幾何可見性（9）分離和第一次ADS機動的最小持續(xù)時間以確保軌道器設備不被污染、（10）太陽帆相對于太陽的方位角(angle between the Sun direction an

11、d the solar panel axis greater than 60 degrees)此外，在后分離軌道段上為了避免軌道器和彗星直接相撞或逃逸還增加了一些約束條件（比如后分離軌道的最小近拱點高度）?？傊覀儽仨毥鉀Q許多約束條件下的復雜的非線性優(yōu)化問題。為了解決這個問題，我們采用了已知的直接優(yōu)化算法，比如下山單純形法、步長加速法。而且，為了簡化問題和減少參數數目，對下降段軌跡進行了反向內插值。因此，通過把著陸點作為起始點并對控制向量的各分量進行積分以得到分離軌道的軌道參數。此外，分離軌道的計算中假設著陸器質量為100kg，軌道器質量為1800kg。參考文獻：1 J. Biele .S. Ulamec，Capabilities of Philae, the Rosetta Lander， Springer Science+Business Media B.V. 20072 J.-P. Bibring ,