日本研制發(fā)射的隼鳥2號探測器在龍宮小行星表面成功完成了首次著陸

2月22日，由日本研制發(fā)射的隼鳥2號探測器在龍宮小行星表面成功完成了首次著陸，并按照計劃在著陸后飛離了小行星表面。3月5日，日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在youtube上發(fā)布了這次著陸過程的視頻畫面。

比起“前輩”隼鳥號一波三折的探測經(jīng)歷，隼鳥2號的探測到目前為止進(jìn)行的相當(dāng)順利，包括釋放著陸器在內(nèi)的一系列計劃工作都得以正常實施。如果一切正常，隼鳥2號將有望為我們帶來“龍宮”小行星上的樣品，為小行星和太陽系起源研究提供無可替代的珍貴研究樣本。同時，隼鳥2號、隼鳥號等科學(xué)計劃，也從一個方面展示了日本不容小覷的航天實力。

小行星探測多面手

隼鳥2號是由日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的小行星探測器。它于2014年12月3日在日本種子島宇宙中心，由日本三菱重工設(shè)計制造的H2A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公斤，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內(nèi)容。隼鳥2號上安裝了四臺遙感成像儀器。

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)。

在嫦娥四號探測月球的過程中，嫦娥四號著陸之后就釋放出了與玉兔二號巡視器，通過不斷在月球表面移動的方式對不同位置的月壤、月巖進(jìn)行探測。玉兔二號這種靠輪子的轉(zhuǎn)動在月球表面移動的巡視器，和機(jī)遇號、勇氣號等進(jìn)行行星探測的著陸器工作方式類似，也是大部分讀者心目中的巡視器的模樣。

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：他們并沒有安裝輪子，想要移動時就要像蛤蟆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”。實際上，圖片中看到的那些看起來像是"腿"的裝置，實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。

(MINERVA-II-1編隊的兩臺巡視器）

之所以采用這樣一種有些呆萌可愛的“蹦跶”設(shè)計，是因為龍宮小行星的重力場相比月球和火星實在是太微弱了。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。已經(jīng)在龍宮小行星表面著陸的MINERVA-II-1編隊中的兩臺巡視器可以利用安裝的相機(jī)對小行星表明進(jìn)行立體成像，還能對小行星表面的溫度進(jìn)行實地探測，目前仍在正常工作。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著陸后按照計劃開機(jī)并正常工作了17個小時，便徹底的休息了。今年7月，最后一臺MINERVA-II-2巡視器將最后到達(dá)龍宮小行星表面，對小行星表面的土壤特性開展研究。

（MINERVA-II-1B巡視器拍攝的小行星表面圖像）

比前輩順利的多的取樣探測

隼鳥2號探測任務(wù)的重頭戲，是在小行星上采集土壤巖石樣本，并將這些樣本帶回地球。雖然隼鳥2號本身也可以攜帶科學(xué)載荷，在小行星上就地展開分析，但能夠進(jìn)入太空的分析儀器體積、重量和功耗都受到相當(dāng)大的限制，分析精度自然也就無法和地球?qū)嶒炇抑械拇笮蛢x器相媲美。因此，將樣本采集回地球，可以使科學(xué)家們對這些樣本進(jìn)行更精細(xì)、更豐富的研究。同時，如果某天科學(xué)家們忽然找到了新的思路，可以再次使用樣品進(jìn)行分析，而這對于壽命有限的航天器來說是無法實現(xiàn)的。

（隼鳥2號底部伸出的桿狀裝置，即為在小行星表面取樣的儀器）

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)行的相當(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。

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寫努力下，隼鳥號終于還是“活”了過來，踏上了回家之路。2010年6月，隼鳥號的回送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。雖然結(jié)果不如預(yù)期的那么好，但這只太空“不死鳥”的故事卻打動了許多人，還被拍成了電影《隼鳥號：遙遠(yuǎn)的歸來》。

（隼鳥2號著陸完成并在此上升后拍攝的小行星表面圖像，圖中的陰影是隼鳥2號自身的影子）

在吸取了隼鳥號的種種經(jīng)驗教訓(xùn)后，隼鳥2號的任務(wù)至今都進(jìn)行的相當(dāng)順利。除了已經(jīng)釋放的三臺巡視器全都正常工作外，2月20日-22日隼鳥2號在小行星表面的第一次著陸也非常成功。從視頻中可以看到，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)JAXA公布的數(shù)據(jù)，隼鳥2號的此次著陸很“穩(wěn)”，幾乎準(zhǔn)確的落在了預(yù)定位置，降落誤差僅為1米。目前，JAXA還無法完全確定對小行星的樣品收集是否成功，但根據(jù)視頻中的圖像，JAXA認(rèn)為成功收集的可能非常大。

（隼鳥2號著陸過程視頻，視頻速度為實際速度的5倍）

隼鳥2號的采樣工作并未到此結(jié)束，按照計劃，下個月它還將在龍宮小行星上掀起更大的“波瀾”。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號將在龍宮表面制造一場小型爆炸。隼鳥2號首先會在此上升到距離小行星500米左右的距離，并相繼釋放撞擊器SCI和監(jiān)視相機(jī)DCAM。在引爆4.5公斤高爆炸藥后，SCI將在龍宮小行星表面制造一個人工撞擊坑，炸出小行星的深層物質(zhì)。SCI的爆炸過程由DCAM監(jiān)視，而隼鳥2號在爆炸發(fā)生的過程中將會隱蔽在小行星的另一側(cè)，以免被爆炸產(chǎn)生的碎片擊中。在爆炸發(fā)生兩個星期后，隼鳥2號才會在爆炸點(diǎn)附近著陸，進(jìn)行樣品采集。這項工作完成后，它將啟程返回地球，并在2020年底將小行星樣品帶回科學(xué)家的實驗室。

小行星探測有何意義？

目前的理論認(rèn)為，小行星和太陽系的其他天體實在同一時期形成的。在46億年前的太陽系形成早期，固體物質(zhì)不斷從太陽系中凝聚出來，形成行星子。有些行星子被大行星捕獲，成為大行星的一部分，有些則不斷增長形成小行星。因此，小行星的探測可以使我們更清楚的了解太陽系起源的奧秘。此外，有理論認(rèn)為地球上構(gòu)成生命的化學(xué)物質(zhì)是由小行星產(chǎn)生的隕石和彗星、宇宙塵埃帶入地球的，探測小行星還有助于進(jìn)一步搞清地球生命起源的問題。

根據(jù)反照率和光譜信息，一般將小行星劃分為C型、S型和X型三類。其中C型小行星富含碳質(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%。而S型小行星則主要由主要成分為硅酸鹽，其數(shù)量大概占已發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)量的17%。而X型的小行星則包含其他光譜特征相似的小行星。隼鳥號探測的糸川小行星是一顆S型小行星，而隼鳥2號探測的龍宮小行星則為一顆C型小行星，比其他類型的小行星更有記過獲得有關(guān)生命起源問題的新發(fā)現(xiàn)。

（龍宮小行星全貌和隼鳥2號著陸位置（紅點(diǎn)））

隼鳥2號的成功也是日本航天和空間科學(xué)事業(yè)發(fā)展的一個縮影。從一枚長度僅二十多厘米的“鉛筆火箭”起家，進(jìn)過六十多年的發(fā)展，日本現(xiàn)在已經(jīng)擁有了比較完整的宇航工業(yè)體系。雖然其總體規(guī)模無法和美中俄這三個航天巨頭相比，但它能夠構(gòu)想和實施一系列可以產(chǎn)出豐富科學(xué)成果的航天任務(wù)。

以筆者本人所從事的空間物理和太陽物理研究為例，日本在1991年發(fā)射的"日光"（Yohkoh/Solar-A）和2006年發(fā)射的"日出"（Hinode/Solar-B")衛(wèi)星為我們理解日冕加熱、日冕磁場演化等科學(xué)問題提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。而JAXA研發(fā)的HTV飛船，是為國際空間站提供補(bǔ)給的幾種貨運(yùn)飛船之一，其運(yùn)載能力與我國的天舟貨運(yùn)飛船基本相當(dāng)。筆者認(rèn)為，日本可以算是世界航天領(lǐng)域第二梯隊中的佼佼者，其身上有許多值得我們學(xué)習(xí)借鑒的經(jīng)驗。