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隼鳥2號展示了日本不可小覷的航天實力


觀察者網【文/觀察者網專欄作者李會超】月日,由日本研製發射的隼鳥號探測器在龍宮小行星表面成功完成了首次著陸,並按照計劃在著陸後飛離了小行星表...

- 2019年3月13日03時58分
- 科學文摘 / 觀察者網

觀察者網

文/ 觀察者網專欄作者 李會超

2月22日,由日本研製發射的隼鳥2號探測器在龍宮小行星表面成功完成了首次著陸,並按照計劃在著陸後飛離了小行星表面。

3月5日,日本宇宙航空開發機構(JAXA)在youtube上發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歷,隼鳥2號的探測到目前為止進行的相當順利,包括釋放著陸器在內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機構研製的小行星探測器。它於2014年12月3日在日本種子島宇宙中心,由日本三菱重工設計製造的H2A型運載火箭發射升空,開始了奔赴龍宮小行星的旅程。

隼鳥2號的重量為609公斤,在探測器家族裡並不算特別大,但它卻擁有遙感、巡視和取樣探測等三方面的內容。隼鳥2號上安裝了四台遙感成像儀器。其中,光學導航相機(ONC)與我們一般概念中的攝像機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探測器「眼睛」的任務,用所拍攝的圖像為飛船導航。而近紅外光譜儀、熱紅外成像儀等科學儀器,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成分和溫度進行探測。此外,還有一台光學雷達,可以向小行星表面發射雷射,通過測量雷射反射回探測器所需的時間獲取小行星的地形地貌數據。

在嫦娥四號探測月球的過程中,嫦娥四號著陸之後就釋放出了玉兔二號巡視器,通過不斷在月球表面移動的方式對不同位置的月壤、月岩進行探測。玉兔二號這種靠輪子的轉動在月球表面移動的巡視器,和機遇號、勇氣號等進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,卻採用了另一種有趣的移動方式:他們並沒有安裝輪子,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編隊中的兩台巡視器為例,這兩個圓柱狀的小傢伙直徑約為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「蹦躂」的動力也並非來自巡視器的「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於其內部的飛輪產生的力矩,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編隊的兩台巡視器

之所以採用這樣一種有些呆萌可愛的「蹦躂」設計,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。如果使用輪子進行移動,可能輪子一轉動,產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行控制。已經在龍宮小行星表面著陸的MINERVA-II-1編隊中的兩台巡視器可以利用安裝的相機對小行星表明進行立體成像,還能對小行星表面的溫度進行實地探測,目前仍在正常工作。由日德合造的MASCOT巡視器也和隼鳥2號一起到達了龍宮小行星,但這台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著陸後按照計劃開機並正常工作了17個小時,便徹底的休息了。今年7月,最後一台MINERVA-II-2巡視器將最後到達龍宮小行星表面,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號探測任務的重頭戲,是在小行星上採集土壤岩石樣本,並將這些樣本帶回地球。雖然隼鳥2號本身也可以攜帶科學載荷,在小行星上就地展開分析,但能夠進入太空的分析儀器體積、重量和功耗都受到相當大的限制,分析精度自然也就無法和地球實驗室中的大型儀器相媲美。因此,將樣本採集回地球,可以使科學家們對這些樣本進行更精細、更豐富的研究。同時,如果某天科學家們忽然找到了新的思路,可以再次使用樣品進行分析,而這對於壽命有限的太空飛行器來說是無法實現的。

隼鳥2號底部伸出的杆狀裝置,即為在小行星表面取樣的儀器

隼鳥2號是曾經在糸川小行星執行取樣探測任務的隼鳥號的後繼任務。作為人類歷史上首次小行星取樣探測,隼鳥號的工作進行的相當波折。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,太陽噴射出的高能粒子對隼鳥號上的太陽能帆板產生了損害,使得離子電推發動機得不到充足的供電,登陸時間不得不推遲兩個月。在釋放巡視器時,隼鳥號自身的保護機制觸發了一個上升的動作,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,成為環太陽飛行的最小的人造太空飛行器。

在著陸過程中,隼鳥號又與地面間歇性失聯,地面控制人員無法了解著陸取樣是否成功。而隨後發生的燃料泄露事故更讓隼鳥號失控並與地球長時間失聯,使任務幾乎失敗。但在地面控制人員的不寫努力下,隼鳥號終於還是「活」了過來,踏上了回家之路。

2010年6月,隼鳥號的回送艙終於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。雖然結果不如預期的那麼好,但這隻太空「不死鳥」的故事卻打動了許多人,還被拍成了電影《隼鳥號:遙遠的歸來》。

隼鳥2號著陸完成並在此上升後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驗教訓後,隼鳥2號的任務至今都進行的相當順利。除了已經釋放的三台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,著陸後又快速上升。與此同時,大量的碎石從小行星表面揚起,這實際上是隼鳥2號的「傑作」:它將一顆彈丸以300米/秒的速度發射到了小行星表面,並藉機將揚起的碎石樣品收進自己的囊中,已備未來帶回地球。根據JAXA公布的數據,隼鳥2號的此次著陸很「穩」,幾乎準確落在了預定位置,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,但根據視頻中的圖像,JAXA認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號的採樣工作並未到此結束,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中帶電粒子的轟擊和各個波段的太陽輻射的照射,其性質可能因此發生變化。為了搞清小行星表面物質與深層物質之間性質的差異,隼鳥2號將在龍宮表面製造一場小型爆炸。

隼鳥2號首先會在此上升到距離小行星500米左右的距離,並相繼釋放撞擊器SCI和監視相機DCAM。在引爆4.5公斤高爆炸藥後,SCI將在龍宮小行星表面製造一個人工撞擊坑,炸出小行星的深層物質。SCI的爆炸過程由DCAM監視,而隼鳥2號在爆炸發生的過程中將會隱蔽在小行星的另一側,以免被爆炸產生的碎片擊中。在爆炸發生兩個星期後,隼鳥2號才會在爆炸點附近著陸,進行樣品採集。這項工作完成後,它將啟程返回地球,並在2020年底將小行星樣品帶回科學家的實驗室。

小行星探測有何意義?

目前的理論認為,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,有理論認為地球上構成生命的化學物質是由小行星產生的隕石和彗星、宇宙塵埃帶入地球的,探測小行星還有助於進一步搞清地球生命起源的問題。

根據反照率和光譜信息,一般將小行星劃分為C型、S型和X型三類。其中C型小行星富含碳質和有機成分,其數量約占已發現小行星數的75%。而S型小行星主要成分為矽酸鹽,其數量大概占已發現小行星數量的17%。而X型的小行星則包含其他光譜特徵相似的小行星。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機會獲得有關生命起源問題的新發現。

隼鳥2號的成功也是日本航天和空間科學事業發展的一個縮影。從一枚長度僅二十多厘米的「鉛筆火箭」起家,進過六十多年的發展,日本現在已經擁有了比較完整的宇航工業體系。雖然其總體規模無法和美中俄這三個航天巨頭相比,但它能夠構想和實施一系列可以產出豐富科學成果的航天任務

。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年發射的"日光"(Yohkoh/Solar-A)和2006年發射的"日出"(Hinode/Solar-B")衛星為我們理解日冕加熱、日冕磁場演化等科學問題提供了關鍵的數據。而JAXA研發的HTV飛船,是為國際空間站提供補給的幾種貨運飛船之一,其運載能力與我國的天舟貨運飛船基本相當。筆者認為,日本可以算是世界航天領域第二梯隊中的佼佼者,其身上有許多值得我們學習借鑑的經驗。

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