“隼鳥”炮打小行星

文/遲惑

▲ “隼鳥2號”天底點方向的設備攜帶方式，圓圈中心是小型空間沖擊器，周圍是反光器。漫游器在圓圈外面

▲ “隼鳥2號” 的采樣器和采樣原理

前文當中，提到了“炮擊”小行星。采樣返回為什么還要用上“大炮”呢？這要從“隼鳥1號”說起。

鳥槍換炮

在“隼鳥1號”探測期間，發生了一件烏龍的事情。當2011年著陸器返回地球之后，日本宇宙與航空開發機構（JAXA）的科研人員打開了返回艙，卻發現里面什么都沒有。一時間，人們還以為“隼鳥1號”的任務失敗了。但是，當科研人員把返回艙放到顯微鏡下之后，發生了奇跡，艙壁上分布著1500粒細小的灰塵。它們正是從糸川小行星上采集回來的。

這樣的驚喜實在是太容易叫人犯心臟病了。因此，在“隼鳥2號”研制期間，日本航天科研人員打算改變采樣的方式，把“槍”換成“炮”。

現在我們先來回顧一下“隼鳥1號”上那支悄悄進村的“槍”。在“隼鳥1號”探測器的前面，是一根長長的采樣管。在采樣管里放著兩顆子彈，按照當時的設計，“隼鳥1號”要把采樣管的端部頂住糸川號小行星的巖石，然后點燃火藥把子彈發射出去。因為糸川號小行星的引力非常微弱，子彈擊中巖石之后，會濺起一些碎渣和塵埃。這些淬渣和塵埃不會被重力吸附在小行星上，而是會沿著采樣器的管道進入收納器。

這只是設計而已。“隼鳥1號”采樣的事實證明這樣打槍確實威力差了一些。因此“隼鳥2號”的采樣器就改成使用反坦克火炮的原理。不過它并不是真的帶了一門大炮飛進宇宙，而是在探測器本體的貼地面安裝了叫做“小型攜帶式沖擊器”的設備，主要是一個類似于自鍛破片彈原理的炸藥漏斗。

自鍛破片彈也被稱作爆炸成形彈藥，和反坦克火箭筒上常見的破甲彈形狀有點相似，但是漏斗的坡度更小一些。在炸藥漏斗的前面貼著一層漏斗形的紫銅罩子。當炸藥爆炸的時候，火藥的威力會把這個銅罩子向中間擠壓，形成一個尖頭的圓柱體。這個圓柱體的飛行速度非常快，幾乎能夠達到每秒2000米以上。武器設計師們一般用火炮來發射自鍛破片彈，讓它飛到坦克集群的上空之后起爆，用高速的尖頭圓柱體從上往下攻擊坦克的頂部。坦克頂部是比較薄的，很容易被這種圓柱體打出個大窟窿來。因此，自鍛破片彈的應用越來越廣泛。

不過，能夠想出把自鍛破片彈原理用在小行星探測上，也算是日本人的腦洞了。

不過，自鍛破片彈是不是真的能用來打小行星呢？JAXA可能也不是非常有把握。因此，在2011年的10月，JAXA在自己的實驗廠進行了一次射擊實驗。他們把自鍛破片彈放在一個混凝土掩體當中，在100米外設置了一個邊長為4米的白色靶子，中間還豎著6個用白紙糊成的薄板。點火之后，自鍛破片彈的4.7千克炸藥起爆，順利形成了一個2000克重的尖頭圓柱體，以2000米每秒的初速飛向靶子，不但順利擊穿了六層薄板，還把靶子打了一個大窟窿，然后繼續飛行，在靶子后面的山體上打碎了一大塊巖石。

或許有讀者會問，100米這個距離是怎么設定出來的呢？在軍事領域，用于反坦克的自鍛破片彈就是設定在坦克上空100米左右的距離起爆的，是綜合考慮炮彈飛行速度、尖頭圓柱體形成過程和蘇聯坦克集群進攻模式等因素計算出來的，嚴格來說是冷戰的產物。沒想到JAXA就直接把它拿來用了。

先躲起來再開炮

自鍛破片彈的銅罩變成尖頭圓柱體需要一定的過程，因此不能像“隼鳥1號”那樣頂著小行星開火。而且炮彈的威力比子彈大多了，炸飛的碎石完全可能把“隼鳥2號”自己打壞。因此，必須從一定的距離上開炮才可以。不過離得很遠瞄準未必能打中。而且在宇宙空間發射炮彈并不是在地面上，不但不能用駐鋤和底鈑之類的設備來固定自己，空間飛行器脆弱的結構也無法承受炸藥的爆炸威力。因此，JAXA的科研人員決定，先把這個帶著自鍛破片彈頭的“小型攜帶式沖擊器”從“隼鳥2號”本體上分離出去，在它向“龍宮”下降的過程中，“隼鳥2號”本體先向旁邊躲閃，然后縱向機動，飛到預定炮擊位置的另一側去。

空間沖擊器會在“龍宮”上方約250米的高度起爆，把一枚彈丸高速射向“龍宮”，同時自己也炸成一團碎片。不過，無論這些碎片還是被彈丸激起的碎石，都會被“龍宮”本身擋住，不會影響到“隼鳥2號”。等碎石和碎片都飛遠之后，“隼鳥2號”再回到原先的位置飛行，準備采樣。

▲ “隼鳥2號”準備投擲到龍宮上的反光器

然而，這樣會導致“隼鳥2號”本身看不到炮擊過程——視線被“龍宮”的星體擋住了。這實在是太可惜了，而且也無法及時了解炮擊的位置到底在哪里。因此，當“隼鳥2號”飛行到與預定炮擊點大致平行的位置時，會先釋放一個“可部署相機”。這臺圓柱形相機的直徑和長度都是78毫米，上面有兩個鏡頭，自帶電池和通信天線——日本作為世界上最強大的相機生產者，制造這種無線鏡頭簡直是輕車熟路。它可以從1000米外拍攝炮擊過程，第一時間定位彈著點，節省采樣過程的時間。

一切安全之后，“隼鳥2號”回到“龍宮”上方大約20公里的地方，開始下降程序。首先要拍攝彈著點的圖像，由地面人員編制圖像匹配程序。然后根據程序確定飛行彈道和修正量，控制“隼鳥2號”逐步向彈著點下降。這個過程中要不斷修正，確保精確瞄準。

當距離縮短為100米的時候，“隼鳥2號”進入自動下降模式。

距離縮短到30米的時候，距離彈著點已經很近了。但“龍宮”并不是一個很明亮的目標，彈坑更有可能處在暗影之中。JAXA的工作人員又不可能通過遙控的方式來瞄準。隔著那么遠的距離，無線電通信有著顯著的延遲，根本就對不準。

▲ 可部署相機的構造與工作方式

日本人的解決方案和炮兵一模一樣。既然不容易瞄準，那么就把它變成一個明亮的目標好了。在“小型攜帶式沖擊器”原先的位置周圍裝著五枚高強度反光器，在下降采樣之前先把這五顆反光器一個一個向彈坑扔去。通過測量反光器和彈坑的距離，就可以知道當前的下降方向是不是準確。根據計算，只要連續投擲三個反光器就能準確對準彈坑。實際上，隼鳥1號探測器就這樣干過，只不過他它帶了三枚反光器，沒有冗余度。

反光器如果能準確丟在彈坑附近，“隼鳥2號”就可以對準它下降。為了留出彈道修正的時間，也為了防止撞擊，下降速度控制在每秒10厘米。距離縮短到40米的時候，地面控制的圖像匹配導航就不再發揮作用了。“隼鳥2號”關閉激光高度計，改用激光測距機。

抵達小行星表面后，“隼鳥2號”就把采樣器頭部伸進彈坑，用一個類似于倒刺結構的管子把碎石和渣土采集起來，送到收納器里，準備運回地球。

這應該是人類歷史上第一次對一顆外星球開炮。幸虧龍宮小行星上沒有任何生物，否則這或許就引發星際戰爭了吧。

目前，這一炮還沒有打響。預計炮擊時間是在2019年年底的某個時刻。