日本隼鳥－2任務進展及后續(xù)飛行計劃

王存恩（北京空間科技信息研究所）

2014年12月3日日本發(fā)射的隼鳥－2（Hayabusa－2）小行星探測器歷經3年半的長途飛行，于2018年6月27日飛抵小行星龍宮（Ryugu），開始環(huán)繞小行星飛行，執(zhí)行觀測任務，取得了階段性成果。對隼鳥－2探測器而言，2018年7月－2019年12月才是關鍵之關鍵時段。此間，需要完成多次降軌和升軌機動，對小行星龍宮進行遙感觀測，對小行星表面及轟擊出的深坑進行接觸取樣，投放小行星巡視器進行表面巡視觀測，還要完成返回器攜帶樣品返回地球等任務。

1 飛行任務的最新進展

隼鳥－2探測器是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的小行星探測器（詳見本刊2014年第11期），自2014年12月3日發(fā)射入軌后，歷時90天，按設定程序分別完成了太陽電池翼展開、姿態(tài)和軌道調整等一系列操作，于2015年3月3日進入電推進和地球引力輔助階段（EDVEGA）飛行過程；又歷時275天，即2015年12月3日，經過地球引力借力后轉向小行星巡航飛行階段；在巡航階段經過3次電推力器點火，于2018年6月27日抵達小行星龍宮。

從2018年初到6月27日，隼鳥－2探測器完成了如下主要操作：

1月10日，氙離子發(fā)動機開始巡航階段的第3次（也是最后一次）點火工作，將隼鳥-2送往環(huán)繞小行星龍宮飛行之旅。

2月26日，通過遙測數據分析確認隼鳥－2探測器運行狀態(tài)良好，探測器上的多光譜窄視場光學導航相機（ONC-T）等完成了小行星龍宮的拍攝，并將圖像傳回了地面。經圖像處理和分析后確認小行星龍宮形狀為直徑約1000m酷似陀螺的C型小行星，還初步判明小行星龍宮土壤富含碳，是46億年前太陽系形成過程所產生物質之殘骸凝聚而成。

6月3日，在距離小行星龍宮3100km處，隼鳥－2探測器氙離子發(fā)動機關機。

6月7日，隼鳥－2探測器轉入光學和無線電綜合導航模式。期間，探測器的多光譜窄視場光學導航相機和中紅外成像儀（TIR）等遙感載荷對小行星龍宮進行了觀測和拍攝，通過圖像進一步精確測定小行星龍宮的直徑為900m。

6月27日，隼鳥－2探測器經過機動變軌，進入20km高的小行星龍宮環(huán)繞軌道。

隼鳥－2探測器（上）及其在2018年6月25日在距小行星龍宮40km處拍攝的圖片（下）

2 探測任務時間表

正如隼鳥－2項目負責人吉田真博士所言，“隼鳥－2探測器進入環(huán)繞軌道拍攝小行星龍宮照片只是整個任務的一小部分，今后，即從2018年6月28日到2019年底的任務相當繁重、艱巨和復雜。”后續(xù)隼鳥－2探測器將轉入正式觀測、采樣和巡視探測階段，并將于2019年底攜帶采集到樣品的返回器將與探測器本體分離并返回地球，預計于2020年底返回器重返大氣，濺落在海上進行回收。

從2018年6月28日到2019年底，隼鳥－2探測器將要完成的主要操作如下：

2018年7月末，隼鳥－2探測器實施降軌，飛行高度降至5km，進入第1次中高度觀測階段，詳細觀測小行星的地形地貌。

2018年8月，隼鳥－2探測器再次實施降軌，飛行高度降至1km，除遙感觀測外，還將對小行星龍宮非常弱的引力場進行測量。通過觀測，于8月底確定后續(xù)下降著陸地點。

2018年9月－10月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第1次小行星著陸和接觸采樣。隨后還將向小行星龍宮表面投放德國和法國聯合研制的“吉祥物”（MACSOT）移動巡視器。

隼鳥－2探測器及其攜帶的“吉祥物”巡視器著陸小行星龍宮示意圖

2018年11月－12月，隼鳥－2探測器無法與地球進行通信，地面操作隊伍將利用此段空閑時間進行后續(xù)任務演練。

2019年1月，隼鳥－2探測器軌道重新提升至5km高度，轉入第2次中高度觀測階段。

2019年2月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第2次小行星著陸和接觸采樣操作，還將選定小行星轟擊觀測的最佳地點。

2019年3月－4月，隼鳥－2探測器將向小行星龍宮表面投放轟擊裝置（SCI），能夠在小行星龍宮表面炸出一個直徑數米的深坑。

2019年4月－5月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第3次小行星著陸和接觸采樣操作。還將選定投放“智慧女神”（MINERVA）小型跳躍式巡視器的最佳地點。

2019年7月，隼鳥－2探測器向小行星龍宮表面投放3個“智慧女神”小型跳躍式巡視器。

2019年8月－11月，隼鳥－2探測器在小行星龍宮附近停留，繼續(xù)執(zhí)行觀測任務。

2019年11月－12月，隼鳥－2探測器的小行星樣品返回艙將與探測器分離，飛離繞小行星龍宮運行軌道，踏上返回地球之旅。

3 即將開展的主要科學任務

隼鳥－2探測器則是一個承擔科學研究使命的探測器，其兩大科學目標是采集小行星龍宮表面和深處樣品，掌握C類小行星物質成分；通過觀測和測量，了解C型小行星形成過程和內部結構。為此，隼鳥－2探測器后續(xù)將開展五方面的科學探測任務。

執(zhí)行詳細高精度觀測任務

隼鳥－2探測器帶有多種相機以及激光高度計，覆蓋可見光、近紅外和中紅外等多個譜段。后續(xù)將正式進入對小行星龍宮的高精度詳細觀測階段，對小行星龍宮的地形地貌進行攝影測量，對其表面土壤是否存在水和有機物進行探測，還將利用分離監(jiān)測相機（DCAM）實時監(jiān)視彈丸撞擊小行星龍宮表面、轟擊裝置爆炸形成深坑以及巡視器著陸等過程。

執(zhí)行多次小行星著陸和表面與炸坑內樣品采集任務

隼鳥－2探測器將3次緩慢降落在小行星龍宮表面，通過下方管狀采樣器接觸小行星表面，采集彈丸撞擊產生的表面碎片樣品。隼鳥－2探測器還新開發(fā)了圓筒形轟擊裝置。釋放后該裝置內部的烈性炸藥爆炸后將純銅金屬藥罩擠壓形成一個2kg的高速破片彈丸，以2km/s速度轟擊小行星龍宮表面，形成直徑數米的深坑。為避免炸坑內物質受輻照污染，探測器需以最快速度著陸并利用采樣器采集坑內樣品，將炸坑內樣品分裝在與小行星表面樣品不同的容器中。按照計劃，隼鳥－2探測器將在小行星龍宮上采集至少100mg表面巖石樣品和900mg炸坑內樣品。

執(zhí)行多個巡視器著陸和巡視任務

隼鳥－2探測器計劃投放3種共4個巡視器，包括1個“吉祥物”巡視器、2個智慧女神－2－1A/1B巡視器和1個智慧女神－2－2巡視器。前者是由德法兩國研制的；后三者是由日本廠家研制的。2種巡視器均靠直流無刷步進電機驅動，在小行星龍宮表面上跳躍式移動。

“吉祥物”巡視器為0.3m×0.3m×0.2m箱型結構，質量為10kg，搭載了磁強計、熱輻射計、廣角光學相機和紅外光譜儀等4種主要觀測儀器。在探測器距小行星龍宮100m高度投放?！凹槲铩毖惨暺鞑扇∮仓懙姆绞浇德湓谛⌒行潜砻妫惨暺鬟€可以利用內部擺臂產生反作用力矩實現跳躍行走，從而改變探測位置。在姿態(tài)穩(wěn)定后，巡視器開始對小行星龍宮表面進行連續(xù)觀測（夜間用攜帶的發(fā)光二極管照明），記錄跳經的各觀測點的礦物分布等信息，通過高速通信系統(tǒng)經隼鳥－2探測器后傳送回地球。巡視器采用了新型鋰電池，保障1個小行星（龍宮）日，即7.6h的探測時間。

隼鳥－2及其配置小型巡視器的位置

智慧女神－2－1和智慧女神－2－2巡視器也是跳躍行走式巡視器，質量分別為1.25kg和1.6kg，帶有相機、光電二極管、溫度傳感器、加速度計和陀螺儀等設備，主要目的是驗證跳躍行走技術，次要目的是探測小行星龍宮的地形地貌。上次“隼鳥”攜帶的智慧女神－1跳躍行走巡視器未能在小行星糸川（Itokawa）表面著陸的原因是人員設計錯誤，沒有將約16s的遙操作延遲計算在內，使之未能成功著陸小行星表面。在隼鳥－2探測器任務中，研制人員已經修正了該錯誤。

小型巡視器的外觀圖

執(zhí)行樣品返回任務

“隼鳥”探測器幾經周折，成功返回并將在小行星糸川表面采集的樣品回收。隼鳥－2探測器在其基礎上進一步細化了返回密封艙與探測器本體分離以及再入大氣層各階段的操作細節(jié)，還擬定了備用方案。隼鳥－2返回密封艙海上濺落地點與“隼鳥”相同，仍為澳大利亞海域。

4 后續(xù)任務展望

日本正在考慮返回密封艙分離后隼鳥－2探測器的擴展任務問題，日本宇宙科學研究所（ISAS）的科學家們希望它能夠飛往日地拉格朗日點或接近其他小行星等，繼續(xù)開展探測任務。

美國國家航空航天局（NASA）于2016年9月8日也發(fā)射了一顆探測C族小行星貝努（Bennu）的探測器“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex），按計劃應于2018年12月初飛抵小行星貝努，在2020年下半年開始采樣，2023年送回地面。日美已就2顆小行星探測，以及從2顆小行星上采集樣品的研究與分析成果共享達成協(xié)議，或許有助于推動這項研究工作。