隼鳥2號從“龍宮”回家

文/ 李會超

2020年12月6日，日本小行星探測器“隼鳥2號”的樣品返回艙成功再入地球大氣層，并按照計(jì)劃降落在澳大利亞的荒漠中，被已經(jīng)做好準(zhǔn)備的回收人員成功回收。這標(biāo)志著為期6年的日本"隼鳥2號”小行星采樣任務(wù)已經(jīng)基本成功。樣品回收艙隨即被運(yùn)回日本國內(nèi)，它所帶回的5.4克的在“龍宮”小行星上采集的樣本，有望獲得科學(xué)家們對太陽系演化和生命的產(chǎn)生等科學(xué)問題的新認(rèn)識。

裝備先進(jìn)

“隼鳥2號”是由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的小行星探測器。它于2014年12月3日在日本種子島航天中心，由日本三菱重工設(shè)計(jì)制造的H-2A型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，開始了奔赴龍宮小行星的旅程。

“隼鳥2號”的重量為609千克，在探測器家族里并不算特別大，但它卻擁有遙感、巡視和取樣探測等三方面的功能?！蚌励B2號”上安裝了4臺遙感成像儀器。其中，光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC）與我們一般概念中的攝像機(jī)的工作原理基本相似，在“隼鳥2號”飛行和著陸的過程中承擔(dān)探測器“眼睛”的任務(wù)，用所拍攝的圖像為飛船導(dǎo)航。而近紅外光譜儀、熱紅外成像儀等科學(xué)儀器，則可以利用肉眼無法識別的紅外信號，對龍宮小行星表面的物質(zhì)成分和溫度進(jìn)行探測。此外，還有一臺光學(xué)雷達(dá)，可以向小行星表面發(fā)射激光，通過測量激光反射回探測器所需的時間獲取小行星的地形地貌數(shù)據(jù)。

“鉆石狀”小行星

“隼鳥2號”的探測目標(biāo)龍宮小行星是在1999年才被發(fā)現(xiàn)的一顆小行星。這顆小行星在圍繞太陽的橢圓軌道上運(yùn)行，與太陽的最近距離甚至小于地球與太陽的平均距離。

▲ 火箭發(fā)射，出發(fā)“挖土”

龍宮小行星屬于小行星分類中的C類。C類小行星的反照率較小，富含碳質(zhì)和有機(jī)成分，其數(shù)量約占已發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)的75%。一開始，人們通過地球上的天文臺觀測數(shù)據(jù)推測，這顆小行星應(yīng)該具備球形的形狀?！蚌励B2號”的抵近探測發(fā)現(xiàn)這顆小行星具有和鉆石類似的形狀，表面光滑。

特殊的巡視方式

人類探測器在其他天體表面上的巡視探測，一般采用類似火星車的輪式設(shè)計(jì)方案。但“隼鳥2號”上攜帶的小行星巡視器，卻采用了另一種有趣的移動方式：它們并沒有安裝輪子，想要移動時就要像青蛙一樣在小行星上從一個地方跳躍到另一個地方。

以最先著陸的MINERVA-II-1編隊(duì)中的兩臺巡視器為例，這兩個圓柱狀的小家伙直徑約為18厘米，高約為7厘米（大概和川菜館用來盛毛血旺、水煮肉片的那種大碗差不多大），一次跳躍大概需要15分鐘，能使他們移動約15米。它們“蹦跶”的動力也并非來自巡視器的“腿”。實(shí)際上，圖片中看到的那些看起來像是“腿”的裝置，實(shí)際上是巡視器的溫度探測器。而巡視器跳躍的動力來自于其內(nèi)部的飛輪產(chǎn)生的力矩，通過改變力矩的方向和大小可以控制跳躍的速度和方向。

之所以采用這樣一種有些呆萌可愛的“蹦跶”設(shè)計(jì)，是因?yàn)辇垖m小行星的重力場相比月球和火星實(shí)在是太微弱了。如果使用輪子進(jìn)行移動，可能輪子一轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的力就足以讓巡視器在小行星表面漂浮起來，反而無法有效對移動進(jìn)行控制。

▲ “隼鳥2號”接近龍宮小行星過程中拍攝到的龍宮小行星

▲ “隼鳥2號”巡視器溫度探測“腿”

▲ 成功的喜悅

▲ “隼鳥2號”巡視器在跳躍過程中拍攝的小行星表面

2018年9月21日，“隼鳥2號”釋放了MINERVA-II-1編隊(duì)中的兩臺巡視器。這兩臺巡視器在龍宮小行星表面成功著陸，利用安裝的相機(jī)對小行星表明進(jìn)行立體成像，還對小行星表面的溫度進(jìn)行實(shí)地探測。兩臺探測器在分別工作了36個地球日和3個地球日后就完成了使命。遺憾的是，后續(xù)的MINERVAII-2巡視器在釋放前就出現(xiàn)了故障，無線電通信系統(tǒng)無法正常工作。雖然無法執(zhí)行計(jì)劃的工作，但MINERVA-II-2也沒有白跑一趟。2019年10月2日，“隼鳥2號”釋放了MINERVA-II-2，通過它繞龍宮小行星運(yùn)行的情況來進(jìn)行重力場方面的探測。

此外，由日德合造的MASCOT巡視器也和“隼鳥2號”一起到達(dá)了龍宮小行星，但這臺能夠探測多種物理量的巡視器安裝的卻是一次性電池。2018年10月3日，MASCOT著陸后按照計(jì)劃開機(jī)并正常工作了17個小時，探測了龍宮小行星表面結(jié)構(gòu)、礦物成分和熱力學(xué)特征，之后便徹底的休息了。

大難不死的“隼鳥號”

“隼鳥2號”是曾經(jīng)在糸川小行星執(zhí)行取樣探測任務(wù)的“隼鳥號”的后繼任務(wù)。

作為人類歷史上首次小行星取樣探測，“隼鳥號”的工作進(jìn)行得相當(dāng)波折。在飛行過程中，“隼鳥號”在2003年10月到11月遭遇了罕見的太陽大爆發(fā)，太陽噴射出的高能粒子對“隼鳥號”上的太陽能帆板產(chǎn)生了損害，使得離子電推發(fā)動機(jī)得不到充足的供電，登陸時間不得不推遲兩個月。在釋放巡視器時，“隼鳥號”自身的保護(hù)機(jī)制觸發(fā)了一個上升的動作，使得巡視器未能被小行星的重力場捕獲，反而漂浮到了太空中，成為環(huán)太陽飛行的最小的人造航天器。

▲ 返回艙樣本

▲ 穿著防爆服的科研人員小心端著返回艙樣本

▲ 從龍宮小行星挖回的部分樣品

在著陸過程中，“隼鳥號”又與地面間歇性失聯(lián)，地面控制人員無法了解著陸取樣是否成功。而隨后發(fā)生的燃料泄露事故更讓“隼鳥號”失控并與地球長時間失聯(lián)，使任務(wù)幾乎失敗。但在地面控制人員的不懈努力下，“隼鳥號”終于還是“活”了過來，踏上了回家之路。2010年6月，“隼鳥號”的回收艙終于在澳大利亞的一片荒漠中著陸，成功帶回來少量糸川小行星上的樣品。

“挖土”成功

在吸取了“隼鳥號”的種種經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，“隼鳥2號”的任務(wù)進(jìn)行得比較順利。除了已經(jīng)釋放的3臺巡視器全都正常工作外，“隼鳥2號”任務(wù)的重頭戲——在小行星表面著陸采樣，進(jìn)行得也十分順利。

在2019年2月22日進(jìn)行的第一次采樣中，“隼鳥2號”緩緩接近小行星表面，著陸后又快速上升。與此同時，大量的碎石從小行星表面揚(yáng)起，這實(shí)際上是“隼鳥2號”的“杰作”：它將一顆彈丸以300米/秒的速度發(fā)射到了小行星表面，并借機(jī)將揚(yáng)起的碎石樣品收進(jìn)自己的囊中，已備未來帶回地球。

根據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，“隼鳥2號”此次著陸很“穩(wěn)”，幾乎準(zhǔn)確地落在了預(yù)定位置，降落誤差僅為1米。經(jīng)過后續(xù)評估，相關(guān)人員認(rèn)為“隼鳥2號”已經(jīng)采集了足夠多的小行星表面樣本，因此取消了計(jì)劃中的另一次表面采樣，以降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

小行星表面長期受到太陽風(fēng)中帶電粒子的轟擊和各個波段的太陽輻射的照射，其性質(zhì)可能因此發(fā)生變化。為了搞清小行星表面物質(zhì)與深層物質(zhì)之間性質(zhì)的差異，“隼鳥2號”還在2019年4月到7月間進(jìn)行了一次更復(fù)雜的采樣。

“隼鳥2號”首先在4月5日釋放了撞擊器SCI和監(jiān)視相機(jī)DCAM。由于這次撞擊的規(guī)模比較大，彈開的碎片有可能擊中“隼鳥2號”，整個撞擊過程由DCAM監(jiān)視，而“隼鳥2號”在此過程中則會飛到小行星的另一側(cè)以保證安全。SCI在距離小行星表面500米的距離“開炮”，通過爆炸4.5千克炸藥，射出了一顆重量為2.5千克的銅質(zhì)撞擊體，在小行星表面打出了一個直徑約為10米的撞擊坑。隨后，“隼鳥2號”釋放了一個信標(biāo)以引導(dǎo)其著陸，并最終在7月11日完成了采樣。

▲ 裝有返回艙樣本的特殊“收納柜”

▲ 搜救人員找到樣本返回艙

▲ “隼鳥2號”的星敏儀和高增益天線

▲ “隼鳥2號”再入大氣層時在天空中劃出燦爛的火光，這個場景被全天空相機(jī)捕捉下來

成功回家

“隼鳥2號”飛行的動力來源于采用等離子電推技術(shù)的發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)工作的能量來自于電能，相比使用化學(xué)能的傳統(tǒng)航天發(fā)動機(jī)，這種發(fā)動機(jī)可以使用較少的推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)變軌目的。

在完成龍宮小行星附近的科學(xué)探測任務(wù)后，“隼鳥2號”于2019年11月開始使用發(fā)動機(jī)輸出的動力變軌，踏上返回地球的道路?！蚌励B2號”進(jìn)入的是一條飛掠地球的軌道，其本身并不會被地球捕獲，攜帶采集的小行星樣品的是“隼鳥2號”的樣品返回艙。根據(jù)先前任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，“隼鳥2號”的樣品返回艙使用了改進(jìn)的設(shè)計(jì)，以使其中珍貴的小行星樣品免于被地球物質(zhì)污染。2020年12月6日，樣品返回艙成功在澳大利亞回收。

由于“隼鳥2號”還剩余約30千克推進(jìn)劑，各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)目前也比較好，因此人們?yōu)樗奈磥碛?jì)劃了擴(kuò)展任務(wù)。從2020年12月開始，“隼鳥2號”將飛向一顆編號為2001CC21的小行星，利用遙感探測儀器在2026年7月對這顆小行星進(jìn)行探測。之后，它會與地球再次相遇，并繼續(xù)飛向另一顆小行星1998KY26，并在2031年完成最后的探測任務(wù)。

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日本航天的驕傲

作為日本十分拿得出手的航天項(xiàng)目，隼鳥系列小行星探測是一件讓日本人認(rèn)為“就像世界杯奪冠一樣驕傲”的事情，也是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)向公眾力推“航天文化”的重要載體。以“隼鳥號”“隼鳥2號”任務(wù)為主題的文創(chuàng)品有孩子的衣服、樂高玩具、繪本、動漫，也有面向成年人的電影和社交媒體活動?！蚌励B2號”的探測目標(biāo)小行星1999 JU3 也是通過公眾征集，最終以入海取寶的日本神話命名，得名“龍宮”（Ryugu）?？茖W(xué)技術(shù)的本質(zhì)是一種文化。唯有文化，能夠?qū)崿F(xiàn)其所載道器的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

（白瑞雪）