星尘号 - 概述

星尘号是一个美国发射的行星间宇宙飞船，主要目的是探测维尔特二号彗星和它的彗发成分组成。 它于1999年2月9日由NASA发射升空，经过46亿公里(29亿英里)的旅行，2006年1月15日成功将返回舱在地球着陆。

发射和回收

星尘号于2004年1月2日飞越维尔特二号彗星(由瑞士伯尔尼大学天文学家保罗·维尔特发现)。

飞越彗星时从彗星彗发收集到彗星尘埃样品，拍摄了详细的冰质彗核图片。 2006年1月15日约凌晨5:10 EST (10:10 UTC)，星尘号返回舱在犹他州大盐湖沙漠着陆, 接近美军试验场公路，以方便样品物质运输。着陆的确切地点位于北纬40°21.9'，西经113°31.25'。

返回仓的速度达到12.9 km/s (28,860 英里/小时)是进入大气层最快的人造宇宙飞行器。NASA犹他发言人表明飞船在不到6分钟时间内会经过盐湖城-纽约市。犹他西部和内华达东部可以观测到巨大的火球和音爆。这是首次收集彗星尘埃取样返回任务，带采样返回地球。第二个样品返回任务Hayabusa，收集小行星尘埃，2005年11月26日发射，2010年6月返回 . 除此之外，飞船还完成了其他任务。2002年11月2日它从3300千米的位置上拍摄了小行星5535 Annefrank的图片。2000年3月-5月和2002年7月-12月, 另一部分气凝胶收集器也捕获了星际尘埃。 星尘号母船进行了“转向操作”防止它进入地球，NASA考虑把它发射到另外的彗星或者小行星。与返回舱分离并转向完成后,上面还有20公斤燃料。 华盛顿大学的Donald Brownlee是星尘计划的首席研究员。

飞船

这次使用的飞船由洛克希德·马丁宇航公司设计制造。这个轻量级飞船整合了不少组件。他们即使当前空间探索使用的也用于未来的太空探索任务。包括深度空间操纵使用的推进剂，飞船总重量380公斤。主运载仓高度1.7米，大约与普通办公桌大小相当。 星尘软件系统叫VxWorks，是一种嵌入式操作系统，由风河系统(Wind River Systems)开发。

气凝胶样品采集器

彗星河星际尘埃由超低密度气凝胶收集。超过1,000平方厘米的采集面积可收集各种粒子类型(彗星尘埃和星际尘埃)。

当飞船穿过彗星时，被捕获的粒子冲急速度为6100米/秒,大于来复步枪子弹发射速度的9倍。尽管捕获的粒子比一粒沙还小, 但是高速捕获还是能改变他们的外形和化学结构或者完全被汽化。

星尘太空舱和它展开的气凝胶收集器为了收集时不破坏它们，采集器使用了硅基固体材料，它有海绵那样的多孔结构，99.8%的空间被真空填充，如果这种材料被空气填充，它几乎能在空气中漂浮。气凝胶密度只有玻璃的千分之一, another silicon-based solid. 当颗粒撞上气凝胶，它就被埋在材料里面，画出比自己长200倍的胡萝卜形的轨迹，在此期间减速停止就像飞机跑道上滑行制动减速一样。因为气凝胶几乎透明，又是也被叫做“蓝烟”，科学家将利用这些轨迹寻找微小的颗粒。

气溶胶保存在样品返回舱(Sample Return Capsule (SRC))，在返回大气层时由主船体释放，使用降落伞减速降落，剩余部分将重新点火，进入绕太阳轨道。

提到降落还要说一下，星尘号与起源号使用相同的降落伞设计, 2004年起源号太阳系探测器，因为设计错误没有打开降速伞而坠毁，星尘号着陆平稳，返回舱完好无损，估计时间误差在一分钟以内。

彗星和星际尘埃分析器(CIDA)

CIDA仪是一个time-of-flight质普仪，可以测定与银碰撞板相遇的单个尘埃颗粒的成分。

星尘上的彗星和星际尘埃分析器(CIDA)的作用是，当尘埃遇到星尘探测器时，截取和实时完成尘埃的成分分析。

CIDA根据比较飞行时间的差异分离[离子]]的质量。装置的工作原理如下：当尘埃颗粒碰撞上靶点，离子通过电场被提取出来。 通过靶点的极性，正负离子很容易被分开。被分离的离子穿过装置，被反射到反射器，探测器就安装在这里。重离子需要更多时间穿越这个装置，因此通过离子飞行时间可以计算出离子质量。

这个CIDA和安装在Giotto和2个在哈雷彗星尘埃颗粒发现其化学成分独特的数据的织女星计划探测飞船是相同的装置。它由入口，靶点，提取器，飞行之间质普仪(TOF mass spectrometer)和离子检测器组成。

负责CIDA的合作研究者，德国慕尼黑马克斯·普朗克学院宇宙物理学研究所的Jochen Kissel研制了此装置。 电子硬件设计由德国施威琴根(Schwetzingen)的von Hoerner & Sulger 有限公司完成。CIDA仪软件由芬兰气象研究院开发。

导航像机(NavCam)

导航相机主要用于在飞越彗星时定位彗核，当然也能够拍摄彗星的高解析度图片。

导航像机(NC)，是一个机械子系统，用于光学指导飞船接近彗星。 这样飞船就能以适当的距离穿越彗星并能足够的接近彗核，确保收集足够的尘埃。相机也具有普通相机功能手机科学数据。这些数据包括接近和远离彗核的时不同角度拍摄的广角高解析度彩色图片。这些图片用于构建彗核的3D立体地图，以更好的理解他的起源，地貌，有利于研究彗核矿物多样性分布，还能提供核旋转状态的信息。 在接近和远离气体尘埃彗尾时，相机通过不同的滤镜拍摄图片。这些图片将提供关于气体成分，气体和尘埃动态和气象信息(如果存在的话)。

惠普尔罩

惠普尔罩用于保护飞船在彗发利高速运动时免于遭受颗粒碰撞，缓冲罩是一个能让阻止撞上的颗粒的复合面板。Next blankets of ceramic cloth further dissipate and spread the particle debris. 三个覆盖层保护主船体，另外2个用来保护太阳能电池板。复合捕获器吸收所有粒度直径小于1厘米的颗粒，保护主船体安全。

尘埃通量检测器(DFM)

The DFM装置安装在Whipple shield前端，监测环境中微粒的通量和大小的分布。

这一设备由芝加哥大学的Tony Tuzzalino负责研制，DFMI是一个高灵敏度装置用于探测只有几微米的微粒。它基于非常特别的极化塑料(PVDF)，当被高速微粒碰撞或穿透时能产生电子脉冲。

尘埃通量检测设备(The Dust Flux Monitor Instrument (DFMI))由传感单元(Sensor Unit (SU)), 电子箱(Electronics Box (EB))，和安装在星尘飞船上的声敏元件组成。SU被安装在惠普尔罩，EB则装在飞船外壳内部。

人类首次取回彗星尘埃

美国宇航局“星尘号”探测器的返回舱2006年1月15日在犹他州沙漠中成功着陆。 这是人类太空探测史上第一次获取彗星物质和星际尘埃样品。为了获取这些彗星物质和星际尘埃样品，“星尘号”探测器在历时七年的飞行中共飞越了48亿公里的路程。此项飞行计划共耗资2.12亿美元。

2006年1月15日早上，装有被科学界视为“无价之宝”的“星尘号”探测器返回舱与探测器成功分离并自主飞向地球。莫斯科时间13时左右(北京时间18时)，返回舱在距离地面125公里的高度上进入地球大气层。此时返回舱的飞行速度为每小时约为46440公里，这再次创造出了人类研发的宇宙探测器在返回地球时飞行速度的新纪录。此前，这样的纪录是由“阿波罗-10”号指挥舱在1996年5月返回时创造的。在距离地面约32公里的高度上，返回舱的制动伞打开。莫斯科时间13时5分(北京时间18时5分)，在距离地面约3公里的高度，返回舱的主制动伞打开，“星尘号”探测器的返回舱在犹他州一个训练场成功完成了软着陆。

在此之前，只有前苏联的月球探测器和美国宇航员从月球上采集到固体的外星物质并带回地球，而在月球轨道之外，这样的样品收集任务还从未有过。美国宇航局的专用飞机对“星尘号”返回舱的着陆工程进行了全程监控。由于返回舱在进入大气后在身后的夜空中留有明亮的光痕，因此，在美国几个州的领土上都能看到返回舱着陆前的壮观景象。在地面，已经有数支搜寻分队做好迎接“星尘号”返回舱回家。

科学家们希望， 本次收集的彗星物质不仅能帮助他们认为彗星的构成，还能为他们研究太阳系的历史提供物质依据。据“星尘号”任务的资深观察员道恩-布朗里表示：“最近数十年，人类开发的宇宙探测器已经多次近距离掠过彗星，这无疑将为我们提供最有价值的彗星资料”。另外，据与英国科学家们共同参与“星尘号”项目的西蒙-格林博士表示：“‘星尘号’所收集的彗星样品将帮助科学家们更多地了解人类尚未认识清楚的宇宙历史”。

西蒙-格林还解释称：“彗星基本上全由冰构成，它们自诞生之是起就非常寒冷。这有利于保护它们的构成物质遭受任何热源的侵蚀，换句话说，彗星的构成物质自其产生之日起就相对稳定。可以这样说，‘星尘号’返回舱的成功着陆，就好像让我们得到了一个记录着45亿年前宇宙信息的‘时间舱’”。

成功将彗星样本带回地球

装有彗星尘埃样本的美国“星尘”号飞船返回舱，于北京时间2006年1月15日18时许在美国犹他州的沙漠中降落。这是人类发射的探测器首次将彗星样本带回地球。

脱离近地轨道的“星尘”号返回舱以超音速降落，并在3万米高空“撑起”降落伞，平稳着陆在犹他州沙漠。这标志着美国宇航局历时7年、利用航天器对彗星进行的首个取样计划圆满完成。

NASA科学家布朗李表示：“我们的任务称为星尘，因为我们相信有些彗星的粒子事实上比太阳和行星都还古老，它们形成其他星球，我们称之为星尘。”

NASA系统经理希尔斯特表示：“这是有史以来返回地球速度最快的物体，把它带回地球是检验宇宙惟一的方式。”

与此同时，喷气推进实验室爆发出一阵欢呼声。曾目睹“起源号”飞船返回舱坠毁的科学家们终于找到了慰藉。2004年，负责收集太阳粒子的“起源号”在降落伞无法打开的情况下一头撞向地面，破坏了其中一些样本。

“这次软着陆为(星尘)任务画上绝妙的句号。”约翰逊太空中心专家卡尔顿·艾伦感叹道。自1992年2月发射后，“星尘”号飞船一直“追赶”着当时距地球8.2亿公里的“维尔特二号”彗星，以便用随身携带的“网球拍”式尘埃采集器捕获彗星微粒。

2004年1月，重约46公斤、书橱大小的“星尘”号终于同“维尔特二号”彗星“擦肩而过”，飞船上的光学导航相机还抓拍了一些彗核照片，作为“近距离约会”的纪念。科学家们期待，此次“星尘”号不仅能为NASA送上彗星尘埃样本的“礼物”，还能带来数百万光年外超新星爆发释放出的极少数星际尘埃。

总耗资约1.68亿美元(不包括飞船发射费用)的“星尘”项目由NASA下属的喷气推进实验室负责。值得一提的是，返回舱当天进入大气层的速度达到每小时46444公里，穿过整个大气层也仅仅用了大约13分钟。这一速度使“星尘”号返回舱超过美国“阿波罗-10”号宇宙飞船1969年创造的最快速度，成为进入大气层时最快的人造宇宙飞行器。

在犹他州现场刚刚确认返回舱安全着陆的“星尘”项目设计者、华裔科学家邹哲博士在电话中说：“这是一个非常完美的着陆，完全按照计划进行。”归来的“星尘”已在太空旅行近7年、行程约40亿公里。

据邹哲介绍，搜索队目前已乘直升机出发去寻找返回舱。搜索人员在找到返回舱后，将首先将其运往美国军方的达格韦武器试验场进行初步处理。返回舱中的彗星尘埃样本等最终将被送往美国宇航局约翰逊航天中心供科学家研究。

“到目前为止，这个计划进行得非常完美，达到了我当初提出计划的目标。”邹哲说，“当然含蓄一点，还得等看到样本后才能报告完全成功的消息。”

“星尘”号飞船于1999年2月发射升空。2004年1月，该飞船近距离飞过“维尔特二号”彗星时，飞船上的尘埃采集器成功捕获到彗星物质粒子。北京时间2006年1月15日，装有彗星尘埃样本的返回舱首先与“星尘”号飞船的母船分离，随后进入地球大气层，并在降落伞的帮助下成功着陆。

科学家称，“星尘”号将带回上千个彗星尘埃的样本。这些样本十分微小，直径比一根头发丝还细，因此只能在显微镜下进行研究。美国航空航天局的专家们会把收集器的数码显微照片提供给网络志愿者，让他们来共同寻找这些“彗星尘埃”。

邹哲透露说，如果一切顺利，到7月初“星尘”项目科学家就可以拿出最初的样本分析成果。“当然，这些样本中包含的信息，可能10年、20年都分析不完。这可能把人们对彗星以及整个太阳系历史的认识向前推进一大步。”

邹哲指出，整个“星尘”项目总共才花了2亿多美元，显示了无人太空探测的优越性，“它证明可以用相对较低的成本采集高质量的科学数据。”

捕捉

网球拍状尘埃采集器，一面捕获的是彗星物质粒子，另一面就是星际尘埃颗粒

“星尘”号飞船上有一个由气凝胶材料制成的网球拍状尘埃采集器，一面捕获的是彗星物质粒子，另一面就是星际尘埃颗粒。根据推算，“星尘”号的星际尘埃采集器上应该有大约45个星际尘埃颗粒。仅依靠该项目研究人员至少需要20年才能完成这一工作，因此志愿者的作用在“星尘”项目中显得十分重要。

揭谜

星际尘埃很可能保留了太阳系诞生之前宇宙构成的信息

科学家认为，星际尘埃很可能保留了太阳系诞生之前宇宙构成的信息。但科学家迄今尚不知道星际尘埃颗粒到底是什么样的，也从未在实验室中研究过具体的星际尘埃样本。“星尘”号飞船返回舱除首次为人类带回彗星样本外，也将捎回具有重要研究价值的星际尘埃。

彗星 "冰"中含有"火"的物质

美宇航局“星尘”项目科学家报告说，在彗星“维尔特二号”的尘埃粒子中发现了只有在高温下才能生成的物质。科学家认为，这一发现不仅证明彗星物质构成的多样性，也揭示了太阳系早期历史的一些奥秘。

这种物质是橄榄石，即硅酸镁和硅酸铁组成的晶体。由于这是一种在极高温度下才会形成的晶体，地球上一般在火山岩中才能发现。而科学家们在遥远、寒冷的彗星上发现了它的存在，出人意料。除橄榄石之外，他们还发现了含有钙、铝、钛等金属元素的晶体，也只能在高温下生成。

“星尘”项目首席科学家唐纳德·布朗李当天说，人们通常认为彗星是在太阳系外围寒冷之处活动的星体，主要由冰、尘埃和气体组成，而彗星“维尔特二号”上存在橄榄石等高温生成的物质，意味着这颗彗星历史上有“火和冰”。布朗李认为，这一发现表明不同彗星的构成并不一致，各自也有不同的历史，而“维尔特二号”的历史尤其复杂。

项目科学家佐伦斯基认为，橄榄石等晶体表明，构成彗星的是低温到高温下形成的多种物质的混合。他推测，太阳形成初期可能有非常强烈的喷发活动，把它附近高温下形成的橄榄石等物质“吹”向太阳系外围，这些物质就被类似“维尔特二号”的彗星所吸收。

1999年发射的“星尘”飞船经历了45亿公里的“太空长征”。2004年1月，飞船与彗星“维尔特二号”近距离交会，并采集了彗星尘埃样本。2006年1月15日凌晨，飞船返回舱成功降落在美国犹他州的沙漠中。

“星尘”项目的策划者、副首席科学家邹哲说，“星尘”捕获的彗星粒子数量为百万以上，仅肉眼能看到痕迹的就有20多个，目前这些粒子已分给150多名科学家研究。飞船在太阳系飞行过程中还捕获了不少星际间尘埃粒子，科学家们不久将对其进行详细分析。

华裔科学家25年编织“星尘”梦

当美国宇航局的“星尘”号飞船携带着彗星“维尔特二号”的样本即将返回地球时，一位65岁的华人科学家正期待自己多年的梦想变成现实。

他就是邹哲博士，美宇航局喷气推进实验室资深研究员、“星尘”项目的设计者和副首席科学家。日前，当记者通过电话找到正在犹他州腹地等候“星尘”号返回舱的邹哲时，他兴奋地告诉记者：“为了这一刻我等了25年。”

邹哲博士出生于抗战时期的中国，少年时期经历动荡，在20世纪50年代来到美国边打工边读书，接连在加州大学伯克利分校和洛杉矶分校获得学位，此后一直在美国宇航局喷气推进实验室从事宇宙工程研究。

谈到自己提出的“星尘”计划，邹哲的话匣子就收不住：“我1981年就首次提出了这个构思，但直到1986年才被宇航局接受，这已经是我的第13次提案了。”

他在介绍这个计划的时代背景时说，当时“哈雷”彗星回归，才使美国宇航局开始重视彗星，否则提案还可能夭折。他说，不少科学家提出了研究计划，而他的“星尘”计划因为构思巧妙、成本低而获得支持，并成为美宇航局旨在以低成本探索宇宙的“发现”计划的一部分。

“星尘”是继“阿波罗”计划之后，美宇航局第二个取回外星球物质样本的太空探索项目。邹哲说：“彗星是目前我们知道最有趣的天体，探索彗星非常有趣。”

他解释说，研究彗星会揭示太阳系诞生和地球生命起源的奥秘。彗星是太阳系诞生时的残余物质组成的，来源于太阳系外围的柯伊伯带，这里温度常年保持在零下200多摄氏度，比较好地保存了45亿年前刚诞生时的状态。

而“星尘”号飞船探测的彗星“维尔特二号”尤其“有趣”。邹哲解释说，这颗彗星是在1974年才被发现来到太阳系内圈的，它可能受到了土星的引力影响。到目前为止，它在太阳系内圈才运行了5个周期，相比之下“哈雷”彗星已在太阳系内侧转了不少圈了。

“这就意味着，彗星的物质变动很少，大部分还保持着太阳系初生时的状态。如果采集其样本，可能获得很罕见的数据，”邹哲说。