星辰號探測器

星塵號探測器是一個美國發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成分組成。它於1999年2月9日由NASA發射升空，經過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。

星塵項目

項目發展

1999年開始的“星塵”項目總投資約1.68億美元(不包括飛船發射費用)，其 中約1.28億美元用於“星塵”號飛船的研發，其餘用於項目控制。成功著陸後的“星塵號”返回艙。

星辰號探測器

1999年2月發射後，“星塵”號飛船就朝著距地球8.2億公里的“維爾特二號”彗星飛去。這顆彗星迄今僅圍繞太陽飛行過約5圈，其中絕大部分原始塵埃和氣體保存完好，研究該彗星有助於回答太陽系起源等基礎性問題。

“親密”接觸

為了實現與“維爾特二號”彗星最近距離的“親密”接觸，“星塵”號飛船繞太陽轉了3圈，跑了34億公里才遇到自己的“心上人”。2004年1月，書櫥大小的“星塵”號與“維爾特二號”彗核的最近距離達到240公里時，飛船上伸出的一個網球拍大小的塵埃採集器，成功捕獲到彗星物質粒子。飛船上的光學導航相機還抓拍了一些彗核照片，作為“約會”紀念。在2000年2月至5月和2002年8月至12月期間，“星塵”號還捕獲了太陽系星際塵埃粒子。科學家認為，這些粒子可能保留了太陽系誕生之前的宇宙構成信息。

發射和回收

星塵號於2004年1月2日飛越維爾特二號彗星(由瑞士伯爾尼大學天文學家保羅·維

爾特發現)。 星塵號

星辰號探測器

飛越彗星時從彗星彗發收集到彗星塵埃樣品，拍攝了詳細的冰質彗核圖片。 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，以方便樣品物質運輸。著陸的確切地點位於北緯40°21.9'，西經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猶他發言人表明飛船在不到6分鐘時間內會經過鹽湖城－紐約市。猶他西部和內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，帶採樣返回地球。第二個樣品返回任務Hayabusa，收集小行星塵埃，2005年11月26日發射，2010年6月返回 . 除此之外，飛船還完成了其他任務。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“轉向操作”防止它進入

地球，NASA考慮把它發射到另外的彗星或者小行星。與返回艙分離並轉向完成後,上面還有20公斤燃料。 華盛頓大學的Donald Brownlee是星塵計畫的首席研究員。

飛船

星辰號探測器

這次使用的飛船由洛克希德·馬丁宇航公司設計製造。這個輕量級飛船整合了不少組

件。他們即使當前空間探索使用的也用於未來的太空探索任務。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。 星塵軟體系統叫VxWorks，是一種嵌入式作業系統，由風河系統(Wind River Systems)開發。

星辰號探測器

氣凝膠樣品採集器

彗星河星際塵埃由超低密度氣凝膠收集。超過1,000平方厘米的採集面積可收集各種

粒子類型(彗星塵埃和星際塵埃)。 當飛船穿過彗星時，

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“星塵號”返回艙進入大氣層模擬圖

被捕獲的粒子沖急速度為6100米/秒,大於來復步槍子彈發射速度的9倍。儘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結構或者完全被汽化。 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，採集器使用了矽基固體材料，它有海綿那樣的多孔結構，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. 當顆粒撞上氣凝膠，它就被埋在材料裡面，畫出比自己長200倍的胡蘿蔔形的軌跡，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，剩餘部分將重新點火，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計, 2004年起源號太陽系探測器，因為設計錯誤沒有打開降速傘而墜毀，星塵號著陸平穩，返回艙完好無損，估計時間誤差在一分鐘以內。

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彗星和星際塵埃分析器(CIDA)

CIDA儀是一個time-of-flight質普儀，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，

星辰號探測器

星塵號

當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根據比較飛行時間的差異分離[離子]]的質量。裝置的工作原理如下：當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，探測器就安裝在這裡。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量。

這個CIDA和安裝在Giotto和2個在哈雷彗星塵埃顆粒發現其化學成分獨特的數據的織女星計畫探測飛船是相同的裝置。它由入口，靶點，提取器，飛行之間質普儀（TOF mass spectrometer)和離子檢測器組成。

負責CIDA的合作研究者，德國慕尼黑馬克斯·普朗克學院宇宙物理學研究所的Jochen Kissel研製了此裝置。 電子硬體設計由德國施威琴根(Schwetzingen)的von Hoerner & Sulger 有限公司完成。CIDA儀軟體由芬蘭氣象研究院開發。

導航相機(NavCam)

導航相機主要用於星塵號返回艙進入地球大氣層在飛越彗星時定位彗核，當然也能夠拍攝彗星的高解析度圖片。 導航像機(NC)，是一個機械子系統，用於光學指導飛船接近彗星。 這樣飛船就能以

適當的距離穿越彗星並能足夠的接近彗核，確保收集足夠的塵埃。相機也具有普通相機功能手機科學數據。這些數據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。這些圖片用於構建彗核的3D立體地圖，以更好的理解他的起源，地貌，有利於研究彗核礦物多樣性分布，還能提供核旋轉狀態的信息。 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。這些圖片將提供關於氣體成分，氣體和塵埃動態和氣象信息（如果存在的話）。

星辰號探測器

惠普爾罩

惠普爾罩用於保護飛船在彗發利高速運動時免於遭受顆粒碰撞，緩衝罩是一個

能讓阻止撞上的顆粒的複合面板。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。複合捕獲器吸收所有粒度直徑小於1厘米的顆粒，保護主船體安全。

星辰號探測器

塵埃通量檢測器(DFM)

The DFM裝置安裝在Whipple shield前端，監測環境中微粒的通量和大小的分布。

這一設備由芝加哥大學的Tony Tuzzalino負責研製，DFMI是一個高靈敏度

裝置用於探測只有幾微米的微粒。它基於非常特別的極化塑膠(PVDF)，當被高速微粒碰撞或穿透時能產生電子脈衝。 塵埃通量檢測設備(The Dust Flux Monitor Instrument (DFMI))由感測單元(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則裝在飛船外殼內部。

星辰號探測器

最快返回速度

NASA工作人員介紹說，返回艙當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。

星塵號

星辰號探測器

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年創造的最快速度，成為進入大氣層時最快的人造宇宙飛行器。 通過在宇宙中7年的漫長旅程，這個重約46公斤的塵埃物質捕捉器創造了一系列令人驚訝的數字：總路程為46.3億公里，相當於從地球到月球折返5000次。

當然，最讓研究人員高興的應該是彗星樣本。美聯社援引研究人員的話說，返回艙此次可能帶回大量星際塵埃和彗星樣本。其中一些塵埃樣本已經在太空中存在46億年，甚至更長，可能比太陽還“年長”。因此，研究這些物質對於人類了解太陽系誕生將產生巨大推動作用。

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和星際塵埃樣品。為了獲取這些彗星物質和星際塵埃樣品，“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。此項飛行計畫共耗資2.12億美元。2006年1月15日早上，裝有被科學界視為“無價之寶”的

星辰號探測器

15日凌晨，工作人員立即抬走裝有珍貴彗星樣本的“星塵”號返回艙

“星塵號”探測器返回艙與探測器成功分離並自主飛向地球。莫斯科時間13時左右(台北時間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，這再次創造出了人類研發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(台北時間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練場成功完成了軟著陸。在此之前，只有前蘇聯的月球探測器和美國太空人從月球上採集到固體的外星物質並帶回地球，而在月球軌道之外，這樣的樣品收集任務還從未有過。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控。由於返回艙在進入大氣後在身後的夜空中留有明亮的光痕，因此，在美國幾個州的領土上都能看到返回艙著陸前的壯觀景象。在地面，已經有數支搜尋分隊做好迎接“星塵號”返回艙回家。

星辰號探測器

科學家們希望， 本次收集的彗星物質不僅能幫助他們認為彗星的構成，還能為他們研究太陽系的歷史提供物質依據。據“星塵號”任務的資深觀察員道恩-布朗里表示：“最近數十年，人類開發的宇宙探測器已經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，據與英國科學家們共同參與“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成，它們自誕生之是起就非常寒冷。這有利於保護它們的構成物質遭受任何熱源的侵蝕，換句話說，彗星的構成物質自其產生之日起就相對穩定。可以這樣說，‘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

第一次成功採集

裝有彗星塵埃樣本的美國“星塵”號飛船返回艙，於台北時間2006年1月1

5日18時許在美國猶他州的沙漠中降落。這是人類航天史上第一次成功採集並收回彗星樣本，也是1976年以來第一次成功實施機械獲取外太空物質。對於“星塵”成功回家，地面控制中心的科學家和工作人員一片歡呼。脫離近地軌道的“星塵”號返回艙以超音速降落，並在3萬米高空“撐起”降落傘，平穩著陸在猶他州沙漠。這標誌著美國宇航局歷時7年、利用太空飛行器對彗星進行的首個取樣計畫圓滿完成。

星辰號探測器

NASA科學家布朗李表示

“星塵號”返回艙主制動傘打開模擬圖

：“我們的任務稱為星塵，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系統經理希爾斯特表示：“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。”

“這(感覺)就像父母親出席自己成績優秀孩子的畢業典禮，”曾經參與“星塵”號設計研究工作的工程師肯·阿特金斯激動地說，“我們擁有一個非常出色的導航及工程團隊。”

與此同時，噴氣推進實驗室爆發出一陣歡呼聲。曾目睹“起源號”飛船返回艙墜毀的科學家們終於找到了慰藉。2004年，負責收集太陽粒子的“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）任務畫上絕妙的句號。”詹森太空中心專家卡爾頓·艾倫感嘆道。自1992年2月發射後，“星塵”號飛船一直“追趕”著當時距地球8.2億公里的“維爾特二號”彗星，以便用隨身攜帶的“網球拍”式塵埃採集器捕獲彗星微粒。

2004年1月，重約46公斤、書櫥大小的“星塵”號終於同“維爾特二號”彗星“擦肩而過”，飛船上的光學導航相機還抓拍了一些彗核照片，作為“近距離約會”的紀念。科學家們期待，此次“星塵”號不僅能為NASA送上彗星塵埃樣本的“禮物”，還能帶來數百萬光年外超新星爆發釋放出的極少數星際塵埃。

總耗資約1.68億美元（不包括飛船發射費用）的“星塵”項目由NASA下屬的噴氣推進實驗室負責。值得一提的是，返回艙當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。

在猶他州現場剛剛確認返回艙安全著陸的“星塵”項目設計者、華裔科學家鄒哲博士在電話中說：“這是一個非常完美的著陸，完全按照計畫進行。”歸來的“星塵”已在太空旅行近7年、行程約40億公里。

據鄒哲介紹，搜尋隊目前已乘直升機出發去尋找返回艙。搜尋人員在找到返回艙後，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詹森航天中心供科學家研究。

“到目前為止，這個計畫進行得非常完美，達到了我當初提出計畫的目標。”鄒哲說，“當然含蓄一點，還得等看到樣本後才能報告完全成功的訊息。”

“維爾特二號”彗星

“星塵”號飛船於1999年2月發射升空。2004年1月，該飛船近距離飛過“維爾特二號”彗星時，飛船上的塵埃採集器成功捕獲到彗星物質粒子。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，隨後進入地球大氣層，並在降落傘的幫助下成功著陸。

科學家稱，“星塵”號將帶回上千個彗星塵埃的樣本。這些樣本十分微小，直徑比一根頭髮絲還細，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碼顯微照片提供給網路志願者，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”項目科學家就可以拿出最初的樣本分析成果。“當然，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。”

鄒哲指出，

星塵號回歸示意圖

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越性，“它證明可以用相對較低的成本採集高質量的科學數據。”

捕捉

網球拍狀塵埃採集器，一面捕獲的是彗星物質粒子，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製成的網球拍狀塵埃採集器，一面捕獲的是彗星物質粒子，另一面就是星際塵埃顆粒。根據推算，“星塵”號的星際塵埃採集器上應該有大約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，因此志願者的作用在“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成的信息科學家認為，星際塵埃很可能保留了太陽系誕生之前宇宙構成的信息。但科學家迄今尚不知道星際塵埃顆粒到底是什麼樣的，也從未在實驗室中研究過具體的星際塵埃樣本。“星塵”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

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

這種物質是橄欖石，即矽酸鎂和矽酸鐵組成的晶體。由於這是一種在極高溫度下才會形成的晶體，地球上一般在火山岩中才能發現。而科學家們在遙遠、寒冷的彗星上發現了它的存在，出人意料。除橄欖石之外，他們還發現了含有鈣、鋁、鈦等金屬元素的晶體，也只能在高溫下生成。

“星塵”項目首席科學家唐納德·布朗李當天說，

星塵號

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，意味著這顆彗星歷史上有“火和冰”。布朗李認為，這一發現表明不同彗星的構成並不一致，各自也有不同的歷史，而“維爾特二號”的歷史尤其複雜。 項目科學家佐倫斯基認為，橄欖石等晶體表明，構成彗星的是低溫到高溫下形成的多種物質的混合。他推測，太陽形成初期可能有非常強烈的噴發活動，把它附近高溫下形成的橄欖石等物質“吹”向太陽系外圍，這些物質就被類似“維爾特二號”的彗星所吸收。

1999年發射的“星塵”飛船經歷了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，並採集了彗星塵埃樣本。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、副首席科學家鄒哲說，“星塵”捕獲的彗星粒子數量為百萬以上，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，科學家們不久將對其進行詳細分析。

彗星研究

返回艙

從“深度撞擊”到“星塵”號返回艙的歸來，對彗星的研究，正在太空探索中占有越來越重的分量。彗星可能包含了太陽系、地球以及生命誕生的重要線索。

首先，

1月2日，美國宇航局下屬噴氣推進實驗室發布了由美國“星塵”號無人探測器拍攝到的“懷爾德－2”彗星的彗核照片。經過長達約5年的追尋，美國“星塵”號無人探測器2日成功實現與“懷爾德－2”彗星最近距離的“親密”接觸。導演這場太空“約會”的科學家們說，探測器將首次收集彗星樣本並將其帶回地面，這些樣本有望為研究太陽系起源等提供新線索。

彗星是由太陽系誕生後的殘餘物質構成，它們來自太陽系外側的柯伊伯帶，那裡溫度保持在零下200多攝氏度左右，好比一個超級冷凍箱，使彗星的物質成分能保持太陽系早期的原貌，研究這些物質，可以部分了解太陽系究竟是怎樣誕生的。

第二，彗星的最主要成分是冰雪，也就是固態的水，而液態的水是地球生命誕生的先決條件。科學家認為，可能是彗星落到地球上，帶來了最初的水，並使地球上的水越來越多。

第三，彗星的彗核比較“黑”，也就是說其中可能含有不少碳成分，而碳又是地球有機物和生命出現的必要元素。

“深度撞擊”初步驗證了彗星含有碳、氮等生命必要的元素；“星塵”則採集彗星噴發出來的物質粒子；到2014年，歐洲航天局的“羅塞塔”飛船還將直接登入彗核，並鑽探取樣。

“維爾特二號”彗星

彗星探測一直是科學家研究了解太陽系、行星和生命起源的重要途徑。但由於技術限制，科學家直到近年來才開始拿到彗星成分的“一手資料”年7月的“深度撞擊”計畫讓美國宇航局獲得了彗星內部的圖片，而“星塵”項目是人類第一次用太空飛行器對彗星進行取樣研究。美國宇航局曾將該項目形容為“將彗星帶回地球”。

華裔科學家25年編織“星塵”夢

當美國宇航局的“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歲的華人科學家正期待自己多年的夢想變成現實。

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”項目的設計者和副首席科學家。日前，當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。”

鄒哲博士出生於抗戰時期的中國，少年時期經歷動盪，在20世紀50年代來到美國邊打工邊讀書，接連在加州大學伯克利分校和洛杉磯分校獲得學位，此後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”計畫，鄒哲的話匣子就收不住：“我1981年就首次提出了這個構思，但直到1986年才被宇航局接受，這已經是我的第13次提案了。”

他在介紹這個計畫的時代背景時說，當時“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，不少科學家提出了研究計畫，而他的“星塵”計畫因為構思巧妙、成本低而獲得支持，並成為美宇航局旨在以低成本探索宇宙的“發現”計畫的一部分。

“星塵”是繼“阿波羅”計畫之後，美宇航局第二個取回外星球物質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。”

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餘物質組成的，來源於太陽系外圍的柯伊伯帶，這裡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。

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年才被發現來到太陽系內圈的，它可能受到了土星的引力影響。到目前為止，它在太陽系內圈才運行了5個周期，相比之下“哈雷”彗星已在太陽系內側轉了不少圈了。

“這就意味著，彗星的物質變動很少，大部分還保持著太陽系初生時的狀態。如果採集其樣本，可能獲得很罕見的數據，”鄒哲說。