日本隼鳥－2完成第二次著陸取樣

王存恩（北京空間科技信息研究所）

2019年7月11日，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）發(fā)射的隼鳥－2（Hayabusa－2）探測器再次成功著陸小行星龍宮（Ryugu）。隼鳥－2已于2019年4月在龍宮上炸出了一個小行星坑，而本次任務就是采集從小行星坑中飛散出的小行星內部巖石樣本。完成這項任務使日本成為既掌握小行星表面，又掌握小行星內部取樣技術的國家。

1 引言

2014年12月4日，JAXA用H－2A火箭成功發(fā)射了小行星探測器隼鳥－2；2018年6月27日，隼鳥－2飛抵距龍宮20km的軌道高度；2019年2月11日，隼鳥－2完成第1次采樣任務；4月5日，隼鳥－2再次飛抵距龍宮表面20km的軌道高度，并引爆撞擊裝置，在龍宮表面撞擊形成了一個小行星坑；7月11日，隼鳥－2完成第2次采樣任務。2018年6月27日－2019年7月11日的379天內，隼鳥－2共完成了4項重要任務：

1）對龍宮進行詳細觀測，掌握了龍宮上的重力分布、表面覆蓋的巖石及其碳素含量，以及這些巖石等隨溫度變化的基本物理特征，確認了龍宮上水的存在。

2）向龍宮表面成功投放了目標標識器（TM-A/B）。

3）在匯商后確定的著陸時間和著陸點成功著陸，并在飛離龍宮途中按預定時間和軌道高度彈射出彈子，且準確地擊中龍宮表面，成功地采集了不少于3g的樣品。

4）成功引爆爆炸裝置，在選定點炸出一個直徑約15m的小行星坑，小行星坑周邊形成由濺射起的巖石碎片和粉末堆積起的、厚度達幾十厘米的小行星壤，且在目標標識器的引導下，在龍宮上安全著陸，并從人造小行星坑周邊采集了不少于10g的樣品裝入回收密封艙內，準備帶回地面供進一步研究。

隼鳥－2任務流程圖

2 第2次著陸取樣背景

7月中旬前必須完成第2次著陸取樣

由于龍宮2019年5月開始接近太陽，2019年9月將到達近日點，在逼近近日點時，龍宮表面溫度可高達100℃，不適于探測器在其表面著陸，否則很可能招致探測器上的相關部件受損而無法正常工作。因此，必須在7月中旬前完成在龍宮表面著陸和取樣，最后確定隼鳥－2于7月11日前執(zhí)行對龍宮的著陸和取樣。

再次投放目標標識器

隼鳥－2攜帶5個目標標識器。為演練著陸，掌握龍宮上的詳細情況，2018年10月25日已投放了2個，最初是希望用其引導探測器完成2次著陸演練。然而，由光學導航相機等提供的高清晰圖像確認龍宮表面布滿了巖石，很難找到一塊直徑達20～30m、巖石直徑小于60cm、可供演練探測器著陸的區(qū)域。為避免演練過程中釀成探測器結構體或太陽電池翼等損壞，JAXA決定放棄演練，集中用搭載的觀測儀器觀測和辨識龍宮上的情況，確定著陸取樣地點。當然，投放的2個目標標識器并未報廢，它作為引導探測器向龍宮表面釋放智慧女神－1A、1B（MINERVA－1A、1B）巡視器和“吉祥物”（MASCOT）著陸器，以及引導探測器第1次著陸取樣的目標標識器。

經研究決定，通過降軌只要把剩余的3個目標標識器中的1個投放到選定的著陸點作為引導探測器第2次著陸取樣既可，若1次投放成功，剩下的2個暫留作備用，另2次執(zhí)行降軌任務可用作對著陸點周邊環(huán)境的觀測。

實際上，首次投放目標標識器因激光雷達高度計故障而終止；第2次投放，成功；第3次，只執(zhí)行對著陸點周邊環(huán)境觀測，并未投放目標標識器。

（1）確定投放目標標識器/降軌觀測程序

計劃3次降軌觀測/投放目標標識器，每次限定3天時間，其主要程序如下：

第1天，探測器首先飛抵距龍宮表面20km處，等待下達是否可降軌指令；接著，以0.4m/s的速度降軌，同時用激光雷達高度計測探測器與小行星間距離；約10h后，探測器降軌至距龍宮表面5km處后改為以0.1m/s的速度降軌。

第2天，探測器先降至距龍宮表面35m處，并用激光雷達高度計測量探測器與龍宮間的距離，同時啟用激光測距儀（LRF）測量探測器與龍宮表面的距離，接著，指令推力器沿橫向噴射，控制探測器轉速使之與龍宮自轉速度同步；當探測器飛抵距龍宮表面10m處前18min時，地面管控中心下達投放目標標識器指令。18min后探測器接收到指令時，也恰好是探測器飛抵距龍宮表面10m處時，探測器開始向投放區(qū)域（C01）投放目標標識器；然后升軌。

第3天，探測器返回到距龍宮表面20km的軌道高度。

（2）第1次投放目標標識器

第1次投放目標標識器（PPTD-TM1）于2019年5月14日－17日進行。

5月14日，進入投放前準備；15日，探測器從距龍宮表面20km處開始以0.4m/s的速度降軌，飛抵距龍宮表面5km處改為以0.1m/s的速度繼續(xù)降軌；16日，探測器降至距龍宮表面50m處，正當管控中心要下達投放指令之際，發(fā)現激光雷達高度計故障，探測器上的自主判斷裝置發(fā)出終止下降指令，隨即進入正常中止模式，探測器開始升軌；17日，探測器返回到距龍宮表面20km處。檢測結論是：探測器本身無異常，也不會影響之后的各項飛行任務。

首次向龍宮表面投放目標標識器任務雖未完成，但利用探測器上搭載的光學導航相機（ONC-T）等觀測儀器在距龍宮表面50m處清晰地拍攝到了龍宮上的人造小行星坑照片，確認其周邊沒有直徑大于60cm的巖石，為執(zhí)行繼續(xù)向龍宮表面C01區(qū)域投放目標標識器計劃提供了幫助。

（3）第2次投放目標標識器

第2次投放目標標識器（PPTD-TN1A）于5月28日－30日進行。

5月28日，進入降軌作業(yè)前準備階段；29日，探測器開始以0.4m/s的速度降軌，飛抵距龍宮5km處，然后放慢速度，以0.1m/s的速度緩慢逼近龍宮；30日，探測器飛抵距龍宮表面35m的軌道高度，繼續(xù)下降，在距龍宮表面10m時，接收到目標標識器與探測器分離指令后，將目標標識器投放到C01區(qū)域，隨后探測器開始升軌；31日，探測器回到距龍宮表面20km處。

（4）降低軌道高度觀測小行星坑取得成果

原計劃2019年6月11日－13日執(zhí)行第3次投放目標標識器（PPTD-TM1B）任務，由于5月30日已完成投放，故改為降軌，近距離詳細觀測小行星坑周邊環(huán)境。

降軌至距龍宮表面僅9m處觀測，不僅確認第2次投放的目標標識器就在預定投放點，還確認了人造小行星坑的直徑約為15m，周邊疊起的巖石碎片和粉末等厚度約數十厘米，其中沒有大于60cm的塊狀物，著陸時不會對探測器構成威脅。6月13日10：58（自左上方）和11：01（到右下方），用光學導航遠望相機以每隔7s拍攝1張照片（拍攝首張照片時的軌道高度約52m，最后一張時約為108m）的模式，拍攝了28張照片，合成后不僅可清晰地觀測到人造小行星坑的全貌，還能確認在投放目標標識器周邊無影響著陸取樣的障礙物。

確定第2次著陸的時間及取樣和候補取樣點

為防止撞擊小行星坑時飛濺的碎片和粉塵等在陽光照射下物理特性等發(fā)生變化，無疑越早著陸取樣越好。但考慮到伴隨爆炸、撞擊形成小行星坑導致龍宮表面，特別是小行星坑周邊環(huán)境發(fā)生很大變化，冒然取樣存在很大風險；若形成小行星坑后立即著陸取樣，會使觀測儀器（特別是相機鏡頭）和太陽電池受污染，不僅會導致觀測靈敏度下降，甚至還會出現無法為探測器提供足夠電能的情況，導致無法完成陸取樣任務。 因此，最后確定探測器第2次著陸時間為2019年7月9日－11日，候補著陸時間為7月22日－28日，還確定了著陸取樣和候選著陸取樣地點分別為 C01和 C02。

3 第2次著陸取樣過程

針對第1次著陸取樣出現的問題果斷采取措施

2019年2月22日，首次執(zhí)行小行星表面著陸時，探測器出現了廣角光學導航相機（ONC-W1）和激光測距儀光學系統(tǒng)圖像模糊的現象，執(zhí)行第2次著陸取樣任務前分別采取了2項措施：①降低探測器開始捕獲目標標識器的軌道高度，由45m調整到30m，此外，還調整了數據處理參數（將圖像調到黑白兩檔，以獲取雙值化的閾值），以確保目標標識器進入探測器搭載、視野變窄的廣角光學導航相機的視野范圍，同時充分利用路標點導航法（GCP-NVA）進行制導，提高制導精度；②降低激光測距儀的軌道高度，由28m調整到17m。

第2次著陸取樣

第2次在龍宮著陸取樣任務于7月9日－11日進行。

小行星探測器隼鳥－2第2次著陸取樣升降軌等重要事件

7月9日，進入第2次在小行星著陸取樣準備階段；7月10日，探測器以0.4m/s降軌，飛抵距龍宮5km處，并以0.1m/s的速度緩慢逼近龍宮；7月11日，利用路標點導航法控制探測器進入懸浮狀態(tài)，利用探測器自身的自主功能捕獲到目標標識器，在探測器下降到距龍宮表面17m處（激光測距儀實測值）開始6自由度控制，下降到距龍宮表面8.5m處時，調整探測器姿態(tài)，使之進入在龍宮表面著陸姿態(tài)，目標標識器進入探測器搭載觀測敏感器視場范圍，探測器處于懸浮狀態(tài)，微調探測器與目標標識器間的相對位置（水平誤差小于3m；高度誤差小于5m），低增益天線提供的多普勒數據證明探測器已在小行星坑堆積物上的著陸點（C01C區(qū)域內）安全著陸（誤差小于60cm），接著，采樣裝置從位于C01C區(qū)域疊起的巖石碎片和粉末中取樣，并以最快速度將進入采樣漏斗內的樣品送入樣品采集器內，隨后，探測器開始升軌，飛離龍宮表面；7月12日，探測器升軌至降軌前距龍宮表面20km的安全區(qū)域。

7月11日和25日，JAXA 2次召開記者招待會，公布了小行星探測器隼鳥－2成功在選定的著陸點C01C區(qū)域實現著陸，著陸精度為60cm；取樣器觸地半徑為20cm，采集到了預期的10g以上的樣品。

4 隼鳥－2兩次成功著陸取樣經驗

探測器隼鳥－2于2019年2月22日和7月11日2次在龍宮上著陸，成功地完成了對龍宮表面和內部取樣，其主要原因是：

軌道控制得力

探測器選用改進型的10μN微波放電式氙離子發(fā)動機系統(tǒng)（IES）為主，23N雙元液態(tài)肼推進系統(tǒng)為輔，彼此配合，精準地進行軌道控制，使探測器不僅按設計要求于2018年6月27日飛抵距龍宮表面20km的軌道高度，還完成了投放巡視器、著陸器，多次降軌對龍宮進行詳細觀測，投放目標標識器，以及2次在龍宮上著陸，實現了對龍宮表面探測、取樣和內部取樣，為保持日本在這一領域的領先地位奠定了基礎。

高精度的姿態(tài)控制

隼鳥－2采用4斜裝反作用飛輪的三軸控制，在軌期間，無論是升軌，還是降軌，乃至著陸取樣，都成功地控制探測器使其尾部繞Y軸旋轉10°，呈翹起姿態(tài)著陸，不僅有效地防止了地球反射偏振和方向性探測儀與探測器接觸，成功地避免了探測器構架和太陽電池翼等受損壞，還使姿態(tài)控制精度一直保持在優(yōu)于0.1°。

研發(fā)高性能觀測和測量儀器，確保獲取與龍宮相關的各種信息

探測器上搭載了高性能光學導航相機等5種觀測和測量儀器，由于高精度地進行了探測器的姿態(tài)和軌道控制，獲取到大量信息，做到即便在龍宮表面上布滿了巖石，無法演練著陸的情況下，仍憑獲取高清晰度的觀測圖像和測得詳細的重力數據等，依靠強大的科學分析能力完成了向小行星上投放巡視器、著陸器和目標標識器，以及確定探測器2次在小行星上著陸取樣的時間、地點，并順利地完成著陸取樣任務。

5 結束語

小行星探測器隼鳥－2于2019年7月11日完成在龍宮上第2次安全著陸，完成樣品采集任務。返回密封艙將于2019年11月－12月與探測器分離，并于2020年底前攜帶采集到的樣品返回地面。日本很可能成為世界上首個既具備從小行星表面，又擁有從小行星內部采樣技術的國家，引起國際關注。