楊宇光 / 文

【新聞背景】日前日本宇宙開發(fā)署（JAXA）稱，該機(jī)構(gòu)的“隼鳥2 號(hào)”探測器已對(duì)小行星“龍宮”進(jìn)行了深入探測，2019 年11 月13 日已經(jīng)開啟“回家”之旅，預(yù)計(jì)于2020 年底返回地球。返回途中將從距離地表數(shù)十萬公里的極高位置，投下裝有從小行星“龍宮”采集的巖石樣本的密封艙，這些樣本有望揭示有關(guān)太陽系起源的奧秘。

“隼鳥2 號(hào)”于2014 年12 月發(fā)射升空，2018 年6 月底抵達(dá)“龍宮”，并于2019 年2 月在“龍宮”著陸，收集“龍宮”表面樣本并發(fā)現(xiàn)了水合礦物質(zhì)，這或許能幫助科學(xué)家確定小行星是否將水帶到地球上。

小行星采樣任務(wù)的意義

了解和研究太陽系的歷史，是預(yù)測地球未來乃至人類未來命運(yùn)的重要一環(huán)。地球上可以找到很多地球早期演化過程的證據(jù)，通過這些證據(jù)能夠推測早期地球演變過程中發(fā)生的重大事件，同時(shí)得出很多規(guī)律性的結(jié)論。

對(duì)地球的姊妹行星——金星和火星的研究，也有同樣重要的意義。然而，由于金星、地球和火星這樣的大型天體存在劇烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)將很多過去的“痕跡”抹掉，它們表面的大氣環(huán)境也存在同樣的作用，導(dǎo)致地質(zhì)學(xué)家即便鉆取很深的地層樣本，獲得的信息量依然有限。

因此我們可以放眼整個(gè)太陽系，與太陽和各大行星同時(shí)形成的還有各種小天體。由于引力有限，它們不存在劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，同時(shí)無法維持稠密大氣層，也就不存在大氣環(huán)境的影響，小天體保留了更多太陽系的原始信息，可以說是太陽系的“活化石”。

過去科學(xué)家們主要圍繞隕落在地球上的小天體殘骸，也就是隕石進(jìn)行研究，比如，太陽系的年齡就是通過研究隕石中放射性同位素的含量推測出來的。然而，隕石穿越大氣層的過程中經(jīng)歷劇烈的氣動(dòng)加熱，落到地面后也經(jīng)歷地球環(huán)境的各種影響，同樣損失了很多信息，對(duì)太陽系的“考古”來說也不是最理想的樣本。

可見，發(fā)射航天器對(duì)太陽系的小天體進(jìn)行就近探測，甚至將小天體的樣本采集送回地球研究，就成為極具科學(xué)價(jià)值的空間探索活動(dòng)。不僅如此，由于很多近地小天體與地球的軌道有交叉，未來存在撞擊地球的危險(xiǎn)，為避免人類再次遭遇6500 萬年前導(dǎo)致恐龍滅絕的小天體撞擊事件，發(fā)射這類探測器研究近地小行星還具有更深遠(yuǎn)的意義——為將來改變某些小天體的軌道，消除對(duì)人類的安全威脅積累工程方面的經(jīng)驗(yàn)。

日本宇宙開發(fā)署開展的隼鳥系列計(jì)劃就是在上述背景下開展的飛行任務(wù)。可以說代表了日本宇航領(lǐng)域的最高水平，也是日本在太空探索領(lǐng)域的“旗艦”級(jí)項(xiàng)目。隼鳥號(hào)的目標(biāo)“龍宮”(162173 Ryugu，國際編號(hào)1999 JU3)，是一顆C 型近地小行星，這類小行星被認(rèn)為保留了太陽系最原始的信息，包括礦物質(zhì)、水冰、有機(jī)混合物等。其研究可以加深對(duì)內(nèi)太陽系行星起源和演化的理解，特別是對(duì)地球上水和有機(jī)物的來源以及地球生命起源的研究，因而具有重要的價(jià)值。

“隼鳥2 號(hào)”飛行器及其載荷

盡管隼鳥號(hào)發(fā)生過數(shù)次故障，遇到過諸多問題，但不可否認(rèn)它取得了重要成果。因此，2007 年日本宇宙開發(fā)署開始考慮其后續(xù)計(jì)劃，2009 年日本宇宙開發(fā)署的Makoto Yoshikawa 提出了“隼鳥號(hào)后續(xù)小天體采樣返回任務(wù)”設(shè)想，并于2010年8 月得到項(xiàng)目批準(zhǔn)，正式開始研制“隼鳥2 號(hào)”。當(dāng)時(shí)整個(gè)項(xiàng)目的成本估算約164 億日元（約合人民幣10.5 億元）。

“隼鳥2 號(hào)”由日本NEC 公司承擔(dān)研制，其設(shè)計(jì)是在“隼鳥1 號(hào)”的基礎(chǔ)上改進(jìn)完成的。探測器重達(dá)609 公斤，干重約為409 公斤，配備4 臺(tái)離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)——3 臺(tái)主份、1 臺(tái)備份。3 臺(tái)主份同時(shí)工作時(shí)，推力能達(dá)到28 毫牛，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖高達(dá)3000 秒，離子電推進(jìn)系統(tǒng)的干重約66 公斤，攜帶了66 公斤的氙氣。雖然推進(jìn)劑加注量不多，但因?yàn)椴捎孟冗M(jìn)的電推進(jìn)系統(tǒng)，可以為飛行器提供2000 米/秒的速度增量。整個(gè)飛行器的本體尺寸為1 米×1.6 米×1.25 米，太陽能帆板尺寸達(dá)到6 米×4.23 米，當(dāng)“隼鳥2 號(hào)”與太陽距離1 個(gè)天文單位（1 個(gè)天文單位約等于1.496 億千米，編者注）時(shí)，可以提供2.6 千瓦的電力輸出，即使達(dá)到距離太陽最遠(yuǎn)處，約1.4 個(gè)天文單位，其供電能力依然在1.4 千瓦以上。飛行器攜帶的鋰離子蓄電池容量達(dá)到13.2Ah。

為了節(jié)約能量，“隼鳥2 號(hào)”充分利用了借力飛行技術(shù)，在發(fā)射一年后，也就是2015 年12 月3 日，它從地球旁邊3090 公里的地方飛掠而過，借助地球引力改變軌道，節(jié)約了大量推進(jìn)劑。比較重要的一次變軌在2018 年6 月28 日進(jìn)行，通過軌道機(jī)動(dòng)使其成為第一個(gè)環(huán)繞龍宮小行星運(yùn)行的人造天體。

此外，飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)采用4 個(gè)冗余設(shè)計(jì)的反作用輪，以及1 套配備了12 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，其重量為48 公斤，采用了20 牛頓的推力器。

“隼鳥2 號(hào)”的主承包商N(yùn)EC 公司建造了整個(gè)飛行器，同時(shí)承擔(dān)其Ka 頻段通信系統(tǒng)和中波紅外相機(jī)的研制。該飛行器分別由X 波段和Ka 波段的兩套高增益定向天線，傳輸速率為8bps 到32bps。除了日本本土的測控站，日本還借用了美國宇航局和歐空局的深空通信網(wǎng)絡(luò)。

與“隼鳥1 號(hào)”相比，“隼鳥2 號(hào)”進(jìn)行了各種有針對(duì)性的改進(jìn)，其離子電推進(jìn)系統(tǒng)的性能比之前更穩(wěn)定，包括姿態(tài)控制在內(nèi)的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、天線等都增強(qiáng)了可靠性?！蚌励B2 號(hào)”攜帶的科學(xué)探測載荷包括光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、近紅外相機(jī)、熱紅外相機(jī)、激光雷達(dá)、采樣裝置、小型撞擊器和可分離部署的小型相機(jī)，并攜帶了4 個(gè)小型巡視器。

具體來說，光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)ONC-T、寬視場光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)ONC-W2 以及兩臺(tái)星敏感器為飛行過程提供導(dǎo)航，主要在接近和下降的過程中使用，提供遙感圖像以便在龍宮上尋找可收集的星際塵埃。其中，ONC-T 的視場角為6.35°×6.35°，并帶有若干光學(xué)濾波器；寬視場光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)ONC-W2 的視場角為65.24°×65.24°；近紅外光譜儀用來分析龍宮表面的礦物成分；熱紅外成像光譜儀距離目標(biāo)20 公里時(shí)分辨率為20 米，距離50 米時(shí)分辨率達(dá)到5 厘米；其攜帶的激光雷達(dá)測距范圍是30 米到25 公里；采樣過程中，當(dāng)飛行器距離龍宮表面小于30 米時(shí)，使用另外兩臺(tái)激光測距儀LRF-S1 和LRF-S3 測定距離和指向；激光測距儀和光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)合起來用于繪制龍宮表面的地形圖。同時(shí)，還有地面發(fā)來的無線電信號(hào)用于測定小行星的重力場。

“隼鳥2 號(hào)”攜帶的4 個(gè)小型巡視器則用于在龍宮表面進(jìn)行原位探測，并為采樣任務(wù)做準(zhǔn)備。由于龍宮表面引力非常微小，這4 個(gè)巡視器沒有采用輪子進(jìn)行移動(dòng)，而是采用跳躍方式。其中巡視器1A、1B 和MASCOT 取得成功，巡視器2 則在釋放前就發(fā)生了故障。但“隼鳥2 號(hào)”仍然在2019 年10 月2 日把它釋放出來，只不過不是釋放到龍宮表面，而是釋放到環(huán)繞它的軌道上，在幾天之后撞擊龍宮之前，提供了重力場測量方面的信息。

“隼鳥2 號(hào)”飛行任務(wù)與采樣過程

同姊妹星“隼鳥1 號(hào)”一樣，“隼鳥2 號(hào)”的工程進(jìn)展也不太順利。探測器原定于2014 年11 月30日發(fā)射，由于H-IIA 火箭問題推遲到2014 年12 月3日。與“隼鳥2 號(hào)”一起發(fā)射的還有PROCYON 小行星探測器，可惜PROCYON 任務(wù)已經(jīng)失敗?！蚌励B2 號(hào)”在2018 年6 月27 日到達(dá)龍宮小行星，在環(huán)繞龍宮運(yùn)行過程中，開展了為期一年半的探測研究并進(jìn)行采樣?！蚌励B2 號(hào)”在2019 年11 月離開環(huán)繞龍宮運(yùn)行的軌道并啟程開始返回地球之旅，預(yù)計(jì)2020年底將在澳大利亞著陸。

“隼鳥2 號(hào)”進(jìn)入環(huán)繞龍宮小行星的軌道后，初始階段保持在與龍宮表面距離20 公里的高度，對(duì)其表面進(jìn)行勘察和測繪。2018 年6 月16 日開始降低軌道，2018 年9 月21 日，“隼鳥2 號(hào)”在55 米高度彈射了巡視器1A、1B 到龍宮表面。兩個(gè)巡視器工作正常，并發(fā)回了探測數(shù)據(jù)。此后，“隼鳥2 號(hào)”在2018年10 月3 日釋放了由德國宇航中心研制的MASCOT子探測器，它在龍宮表面按計(jì)劃運(yùn)行了16 小時(shí)。

日本宇宙開發(fā)署計(jì)劃讓“隼鳥2 號(hào)”進(jìn)行3 次采樣。首次樣本收集原計(jì)劃在2018 年10 月進(jìn)行，但由于巡視器發(fā)回的數(shù)據(jù)表明龍宮的表面地形過于復(fù)雜，且采樣點(diǎn)有大小石塊，卻沒有可采的土壤，因此采樣操作被推遲到2019年2月21日完成了第一次采樣?！蚌励B2 號(hào)”的采樣裝置設(shè)計(jì)與隼鳥號(hào)類似，當(dāng)采樣桿觸及龍宮表面，探測器以300 米/秒的速度發(fā)射一個(gè)5克重的鈦合金射彈，撞擊濺起的塵埃被采樣桿頂部的收集器收集起來。原計(jì)劃的后續(xù)類似采樣任務(wù)被取消，以減少任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。

隨后通過釋放撞擊器進(jìn)行采樣。最具特色的是，采用金屬射彈在小行星表面人為制造撞擊坑，并對(duì)小行星內(nèi)部深層物質(zhì)進(jìn)行采集，以獲得更有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)。

為了排除空間環(huán)境對(duì)表面土壤的影響，獲得龍宮表層以下的樣本，“隼鳥2 號(hào)”在4 月5 日發(fā)射了由銅制成的2.5 公斤撞擊器，并釋放了一個(gè)可分離的相機(jī)DCAM3 觀察并測繪撞擊坑的位置，探測器本身進(jìn)行了規(guī)避機(jī)動(dòng)以避免撞擊碎片的影響。

分離40 分鐘后，探測器到達(dá)安全距離，利用4.5公斤塑化HMX 炸藥爆炸加速撞擊器深入龍宮表面。撞擊器從高度500 米的地方被加速，撞擊后形成了10米直徑的撞擊坑。

本文作者（左）與隼鳥號(hào)首席科學(xué)家山口淳一郎（右）在澳大利亞宇航聯(lián)大會(huì)討論深空探測任務(wù)

2018 年德國不來梅宇航聯(lián)大會(huì)展示的“隼鳥2 號(hào)”模型

“隼鳥2 號(hào)”本來計(jì)劃在5 月14 日釋放反射標(biāo)記，可惜失敗。6 月4 日在高度9 米處進(jìn)行的第二次反射標(biāo)記釋放成功，落在撞擊坑附近的區(qū)域；該標(biāo)記在探測器下降過程中起到了輔助導(dǎo)航的作用，“隼鳥2 號(hào)”在7 月11 日完成了次表層采樣。

完成科學(xué)探測活動(dòng)后，“隼鳥2 號(hào)”使用其離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)變軌，開始返回地球。探測器于2019 年11月13 日正式離開龍宮小行星。

“隼鳥2 號(hào)”的采樣返回艙與“隼鳥1 號(hào)”一樣，直徑為40 厘米，配備一個(gè)降落傘。返回艙中不同的容器分別存儲(chǔ)了兩次采樣的樣本，整個(gè)返回艙重量為16 公斤。

值得期待的是，“隼鳥2號(hào)”在2020年底將飛經(jīng)地球，以每3 秒1 轉(zhuǎn)的速度使返回艙起旋以保持再入過程中的姿態(tài)穩(wěn)定。返回艙將以12 公里/秒的速度進(jìn)入大氣層，并在距離地面10 公里高度展開可反射雷達(dá)波的降落傘，拋掉防熱罩，并發(fā)射位置信標(biāo)信號(hào)。返回艙計(jì)劃在澳大利亞的Woomera 靶場著陸，屆時(shí)“隼鳥2 號(hào)”總飛行距離為52.4 億公里。

截至目前，“隼鳥2 號(hào)”已經(jīng)在太空飛行5 年，而整個(gè)任務(wù)周期長達(dá)6 年。預(yù)計(jì)完成采樣返回任務(wù)后，“隼鳥2 號(hào)”還剩余30 公斤氙氣用于推進(jìn)，可拓展任務(wù)探測其他天體。目前一個(gè)可選的目標(biāo)是在2023 年6月27 日對(duì)2001 WR1 小行星進(jìn)行飛掠探測。