“隼鳥2 號”的巡天之旅

楊宇光 / 文

【新聞背景】日前日本宇宙開發署（JAXA）稱，該機構的“隼鳥2 號”探測器已對小行星“龍宮”進行了深入探測，2019 年11 月13 日已經開啟“回家”之旅，預計于2020 年底返回地球。返回途中將從距離地表數十萬公里的極高位置，投下裝有從小行星“龍宮”采集的巖石樣本的密封艙，這些樣本有望揭示有關太陽系起源的奧秘。

“隼鳥2 號”于2014 年12 月發射升空，2018 年6 月底抵達“龍宮”，并于2019 年2 月在“龍宮”著陸，收集“龍宮”表面樣本并發現了水合礦物質，這或許能幫助科學家確定小行星是否將水帶到地球上。

小行星采樣任務的意義

了解和研究太陽系的歷史，是預測地球未來乃至人類未來命運的重要一環。地球上可以找到很多地球早期演化過程的證據，通過這些證據能夠推測早期地球演變過程中發生的重大事件，同時得出很多規律性的結論。

對地球的姊妹行星——金星和火星的研究，也有同樣重要的意義。然而，由于金星、地球和火星這樣的大型天體存在劇烈的地質運動，會將很多過去的“痕跡”抹掉，它們表面的大氣環境也存在同樣的作用，導致地質學家即便鉆取很深的地層樣本，獲得的信息量依然有限。

因此我們可以放眼整個太陽系，與太陽和各大行星同時形成的還有各種小天體。由于引力有限，它們不存在劇烈的地質構造運動，同時無法維持稠密大氣層，也就不存在大氣環境的影響，小天體保留了更多太陽系的原始信息，可以說是太陽系的“活化石”。

過去科學家們主要圍繞隕落在地球上的小天體殘骸，也就是隕石進行研究，比如，太陽系的年齡就是通過研究隕石中放射性同位素的含量推測出來的。然而，隕石穿越大氣層的過程中經歷劇烈的氣動加熱，落到地面后也經歷地球環境的各種影響，同樣損失了很多信息，對太陽系的“考古”來說也不是最理想的樣本。

可見，發射航天器對太陽系的小天體進行就近探測，甚至將小天體的樣本采集送回地球研究，就成為極具科學價值的空間探索活動。不僅如此，由于很多近地小天體與地球的軌道有交叉，未來存在撞擊地球的危險，為避免人類再次遭遇6500 萬年前導致恐龍滅絕的小天體撞擊事件，發射這類探測器研究近地小行星還具有更深遠的意義——為將來改變某些小天體的軌道，消除對人類的安全威脅積累工程方面的經驗。

日本宇宙開發署開展的隼鳥系列計劃就是在上述背景下開展的飛行任務。可以說代表了日本宇航領域的最高水平，也是日本在太空探索領域的“旗艦”級項目。隼鳥號的目標“龍宮”(162173 Ryugu，國際編號1999 JU3)，是一顆C 型近地小行星，這類小行星被認為保留了太陽系最原始的信息，包括礦物質、水冰、有機混合物等。其研究可以加深對內太陽系行星起源和演化的理解，特別是對地球上水和有機物的來源以及地球生命起源的研究，因而具有重要的價值。

“隼鳥2 號”飛行器及其載荷

盡管隼鳥號發生過數次故障，遇到過諸多問題，但不可否認它取得了重要成果。因此，2007 年日本宇宙開發署開始考慮其后續計劃，2009 年日本宇宙開發署的Makoto Yoshikawa 提出了“隼鳥號后續小天體采樣返回任務”設想，并于2010年8 月得到項目批準，正式開始研制“隼鳥2 號”。當時整個項目的成本估算約164 億日元（約合人民幣10.5 億元）。

“隼鳥2 號”由日本NEC 公司承擔研制，其設計是在“隼鳥1 號”的基礎上改進完成的。探測器重達609 公斤，干重約為409 公斤，配備4 臺離子電推進發動機——3 臺主份、1 臺備份。3 臺主份同時工作時，推力能達到28 毫牛，發動機的比沖高達3000 秒，離子電推進系統的干重約66 公斤，攜帶了66 公斤的氙氣。雖然推進劑加注量不多，但因為采用先進的電推進系統，可以為飛行器提供2000 米/秒的速度增量。整個飛行器的本體尺寸為1 米×1.6 米×1.25 米，太陽能帆板尺寸達到6 米×4.23 米，當“隼鳥2 號”與太陽距離1 個天文單位（1 個天文單位約等于1.496 億千米，編者注）時，可以提供2.6 千瓦的電力輸出，即使達到距離太陽最遠處，約1.4 個天文單位，其供電能力依然在1.4 千瓦以上。飛行器攜帶的鋰離子蓄電池容量達到13.2Ah。

為了節約能量，“隼鳥2 號”充分利用了借力飛行技術，在發射一年后，也就是2015 年12 月3 日，它從地球旁邊3090 公里的地方飛掠而過，借助地球引力改變軌道，節約了大量推進劑。比較重要的一次變軌在2018 年6 月28 日進行，通過軌道機動使其成為第一個環繞龍宮小行星運行的人造天體。

此外，飛行器的姿態控制系統采用4 個冗余設計的反作用輪，以及1 套配備了12 臺發動機的化學推進系統，其重量為48 公斤，采用了20 牛頓的推力器。

“隼鳥2 號”的主承包商NEC 公司建造了整個飛行器，同時承擔其Ka 頻段通信系統和中波紅外相機的研制。該飛行器分別由X 波段和Ka 波段的兩套高增益定向天線，傳輸速率為8bps 到32bps。除了日本本土的測控站，日本還借用了美國宇航局和歐空局的深空通信網絡。

與“隼鳥1 號”相比，“隼鳥2 號”進行了各種有針對性的改進，其離子電推進系統的性能比之前更穩定，包括姿態控制在內的導航、制導與控制系統、天線等都增強了可靠性。“隼鳥2 號”攜帶的科學探測載荷包括光學導航相機、近紅外相機、熱紅外相機、激光雷達、采樣裝置、小型撞擊器和可分離部署的小型相機，并攜帶了4 個小型巡視器。

具體來說，光學導航相機ONC-T、寬視場光學導航相機ONC-W2 以及兩臺星敏感器為飛行過程提供導航，主要在接近和下降的過程中使用，提供遙感圖像以便在龍宮上尋找可收集的星際塵埃。其中，ONC-T 的視場角為6.35°×6.35°，并帶有若干光學濾波器；寬視場光學導航相機ONC-W2 的視場角為65.24°×65.24°；近紅外光譜儀用來分析龍宮表面的礦物成分；熱紅外成像光譜儀距離目標20 公里時分辨率為20 米，距離50 米時分辨率達到5 厘米；其攜帶的激光雷達測距范圍是30 米到25 公里；采樣過程中，當飛行器距離龍宮表面小于30 米時，使用另外兩臺激光測距儀LRF-S1 和LRF-S3 測定距離和指向；激光測距儀和光學導航相機的數據結合起來用于繪制龍宮表面的地形圖。同時，還有地面發來的無線電信號用于測定小行星的重力場。

“隼鳥2 號”攜帶的4 個小型巡視器則用于在龍宮表面進行原位探測，并為采樣任務做準備。由于龍宮表面引力非常微小，這4 個巡視器沒有采用輪子進行移動，而是采用跳躍方式。其中巡視器1A、1B 和MASCOT 取得成功，巡視器2 則在釋放前就發生了故障。但“隼鳥2 號”仍然在2019 年10 月2 日把它釋放出來，只不過不是釋放到龍宮表面，而是釋放到環繞它的軌道上，在幾天之后撞擊龍宮之前，提供了重力場測量方面的信息。

“隼鳥2 號”飛行任務與采樣過程

同姊妹星“隼鳥1 號”一樣，“隼鳥2 號”的工程進展也不太順利。探測器原定于2014 年11 月30日發射，由于H-IIA 火箭問題推遲到2014 年12 月3日。與“隼鳥2 號”一起發射的還有PROCYON 小行星探測器，可惜PROCYON 任務已經失敗。“隼鳥2 號”在2018 年6 月27 日到達龍宮小行星，在環繞龍宮運行過程中，開展了為期一年半的探測研究并進行采樣。“隼鳥2 號”在2019 年11 月離開環繞龍宮運行的軌道并啟程開始返回地球之旅，預計2020年底將在澳大利亞著陸。

“隼鳥2 號”進入環繞龍宮小行星的軌道后，初始階段保持在與龍宮表面距離20 公里的高度，對其表面進行勘察和測繪。2018 年6 月16 日開始降低軌道，2018 年9 月21 日，“隼鳥2 號”在55 米高度彈射了巡視器1A、1B 到龍宮表面。兩個巡視器工作正常，并發回了探測數據。此后，“隼鳥2 號”在2018年10 月3 日釋放了由德國宇航中心研制的MASCOT子探測器，它在龍宮表面按計劃運行了16 小時。

日本宇宙開發署計劃讓“隼鳥2 號”進行3 次采樣。首次樣本收集原計劃在2018 年10 月進行，但由于巡視器發回的數據表明龍宮的表面地形過于復雜，且采樣點有大小石塊，卻沒有可采的土壤，因此采樣操作被推遲到2019年2月21日完成了第一次采樣。“隼鳥2 號”的采樣裝置設計與隼鳥號類似，當采樣桿觸及龍宮表面，探測器以300 米/秒的速度發射一個5克重的鈦合金射彈，撞擊濺起的塵埃被采樣桿頂部的收集器收集起來。原計劃的后續類似采樣任務被取消，以減少任務的風險。

隨后通過釋放撞擊器進行采樣。最具特色的是，采用金屬射彈在小行星表面人為制造撞擊坑，并對小行星內部深層物質進行采集，以獲得更有價值的科學數據。

為了排除空間環境對表面土壤的影響，獲得龍宮表層以下的樣本，“隼鳥2 號”在4 月5 日發射了由銅制成的2.5 公斤撞擊器，并釋放了一個可分離的相機DCAM3 觀察并測繪撞擊坑的位置，探測器本身進行了規避機動以避免撞擊碎片的影響。

分離40 分鐘后，探測器到達安全距離，利用4.5公斤塑化HMX 炸藥爆炸加速撞擊器深入龍宮表面。撞擊器從高度500 米的地方被加速，撞擊后形成了10米直徑的撞擊坑。

本文作者（左）與隼鳥號首席科學家山口淳一郎（右）在澳大利亞宇航聯大會討論深空探測任務

2018 年德國不來梅宇航聯大會展示的“隼鳥2 號”模型

“隼鳥2 號”本來計劃在5 月14 日釋放反射標記，可惜失敗。6 月4 日在高度9 米處進行的第二次反射標記釋放成功，落在撞擊坑附近的區域；該標記在探測器下降過程中起到了輔助導航的作用，“隼鳥2 號”在7 月11 日完成了次表層采樣。

完成科學探測活動后，“隼鳥2 號”使用其離子電推進發動機變軌，開始返回地球。探測器于2019 年11月13 日正式離開龍宮小行星。

“隼鳥2 號”的采樣返回艙與“隼鳥1 號”一樣，直徑為40 厘米，配備一個降落傘。返回艙中不同的容器分別存儲了兩次采樣的樣本，整個返回艙重量為16 公斤。

值得期待的是，“隼鳥2號”在2020年底將飛經地球，以每3 秒1 轉的速度使返回艙起旋以保持再入過程中的姿態穩定。返回艙將以12 公里/秒的速度進入大氣層，并在距離地面10 公里高度展開可反射雷達波的降落傘，拋掉防熱罩，并發射位置信標信號。返回艙計劃在澳大利亞的Woomera 靶場著陸，屆時“隼鳥2 號”總飛行距離為52.4 億公里。

截至目前，“隼鳥2 號”已經在太空飛行5 年，而整個任務周期長達6 年。預計完成采樣返回任務后，“隼鳥2 號”還剩余30 公斤氙氣用于推進，可拓展任務探測其他天體。目前一個可選的目標是在2023 年6月27 日對2001 WR1 小行星進行飛掠探測。