日本研制發(fā)射的隼鳥2號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器在龍宮小行星表面成功完成了首次著陸，并按照計(jì)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(hào)一波三折的探測(cè)經(jīng)歷，隼鳥2號(hào)的探測(cè)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(jì)劃工作都得以正常實(shí)施。如果一切正常，隼鳥2號(hào)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(shí)，隼鳥2號(hào)、隼鳥號(hào)等科學(xué)計(jì)劃，也從一個(gè)方面展示了日本不容小覷的航天實(shí)力。

小行星探測(cè)多面手

隼鳥2號(hào)是由日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的小行星探測(cè)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(jì)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(hào)的重量為609公斤，在探測(cè)器家族里并不算特別大，但它卻擁有遙感、巡視和取樣探測(cè)等三方面的內(nèi)容。隼鳥2號(hào)上安裝了四臺(tái)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(hào)飛行和著陸的過程中承擔(dān)探測(cè)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(shí)別的紅外信號(hào)，對(duì)龍宮小行星表面的物質(zhì)成分和溫度進(jìn)行探測(cè)。此外，還有一臺(tái)光學(xué)雷達(dá)，可以向小行星表面發(fā)射激光，通過測(cè)量激光反射回探測(cè)器所需的時(shí)間獲取小行星的地形地貌數(shù)據(jù)。

在嫦娥四號(hào)探測(cè)月球的過程中，嫦娥四號(hào)著陸之后就釋放出了與玉兔二號(hào)巡視器，通過不斷在月球表面移動(dòng)的方式對(duì)不同位置的月壤、月巖進(jìn)行探測(cè)。玉兔二號(hào)這種靠輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)在月球表面移動(dòng)的巡視器，和機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)等進(jìn)行行星探測(cè)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(hào)上攜帶的小行星巡視器，卻采用了另一種有趣的移動(dòng)方式：他們并沒有安裝輪子，想要移動(dòng)時(shí)就要像蛤蟆一樣在小行星上從一個(gè)地方跳躍到另一個(gè)地方。以最先著陸的MINERVA-II-1編隊(duì)中的兩臺(tái)巡視器為例，這兩個(gè)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(dòng)約15米。它們“蹦跶”的動(dòng)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(cè)器。而巡視器跳躍的動(dòng)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(duì)的兩臺(tái)巡視器）

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(chǎng)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(dòng)，可能輪子一轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)移動(dòng)進(jìn)行控制。已經(jīng)在龍宮小行星表面著陸的MINERVA-II-1編隊(duì)中的兩臺(tái)巡視器可以利用安裝的相機(jī)對(duì)小行星表明進(jìn)行立體成像，還能對(duì)小行星表面的溫度進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，目前仍在正常工作。由日德合造的MASCOT巡視器也和隼鳥2號(hào)一起到達(dá)了龍宮小行星，但這臺(tái)能夠探測(cè)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(gè)小時(shí)，便徹底的休息了。今年7月，最后一臺(tái)MINERVA-II-2巡視器將最后到達(dá)龍宮小行星表面，對(duì)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(cè)

隼鳥2號(hào)探測(cè)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(hào)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?yàn)室中的大型儀器相媲美。因此，將樣本采集回地球，可以使科學(xué)家們對(duì)這些樣本進(jìn)行更精細(xì)、更豐富的研究。同時(shí)，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(duì)于壽命有限的航天器來說是無法實(shí)現(xiàn)的。

（隼鳥2號(hào)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(hào)是曾經(jīng)在糸川小行星執(zhí)行取樣探測(cè)任務(wù)的隼鳥號(hào)的后繼任務(wù)。作為人類歷史上首次小行星取樣探測(cè)，隼鳥號(hào)的工作進(jìn)行的相當(dāng)波折。在飛行過程中，隼鳥號(hào)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(duì)隼鳥號(hào)上的太陽能帆板產(chǎn)生了損害，使得離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)得不到充足的供電，登陸時(shí)間不得不推遲兩個(gè)月。在釋放巡視器時(shí)，隼鳥號(hào)自身的保護(hù)機(jī)制觸發(fā)了一個(gè)上升的動(dòng)作，使得巡視器未能被小行星的重力場(chǎng)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(hào)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(hào)失控并與地球長(zhǎng)時(shí)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(hào)終于還是“活”了過來，踏上了回家之路。2010年6月，隼鳥號(hào)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(dòng)了許多人，還被拍成了電影《隼鳥號(hào)：遙遠(yuǎn)的歸來》。

（隼鳥2號(hào)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(hào)自身的影子）

在吸取了隼鳥號(hào)的種種經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，隼鳥2號(hào)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(tái)巡視器全都正常工作外，2月20日-22日隼鳥2號(hào)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(hào)緩緩接近小行星表面，著陸后又快速上升。與此同時(shí)，大量的碎石從小行星表面揚(yáng)起，這實(shí)際上是隼鳥2號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)著陸過程視頻，視頻速度為實(shí)際速度的5倍）

隼鳥2號(hào)的采樣工作并未到此結(jié)束，按照計(jì)劃，下個(gè)月它還將在龍宮小行星上掀起更大的“波瀾”。小行星表面長(zhǎng)期受到太陽風(fēng)中帶電粒子的轟擊和各個(gè)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(hào)將在龍宮表面制造一場(chǎng)小型爆炸。隼鳥2號(hào)首先會(huì)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(gè)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(hào)在爆炸發(fā)生的過程中將會(huì)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(gè)星期后，隼鳥2號(hào)才會(huì)在爆炸點(diǎn)附近著陸，進(jìn)行樣品采集。這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室。

小行星探測(cè)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(shí)在同一時(shí)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(zhǎng)形成小行星。因此，小行星的探測(cè)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(cè)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(hào)探測(cè)的糸川小行星是一顆S型小行星，而隼鳥2號(hào)探測(cè)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(hào)著陸位置（紅點(diǎn)））

隼鳥2號(hào)的成功也是日本航天和空間科學(xué)事業(yè)發(fā)展的一個(gè)縮影。從一枚長(zhǎng)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(gè)航天巨頭相比，但它能夠構(gòu)想和實(shí)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(chǎng)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(guó)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(guó)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(duì)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(yàn)。