隼鸟2号从“龙宫”回家

文/ 李会超

2020年12月6日，日本小行星探测器“隼鸟2号”的样品返回舱成功再入地球大气层，并按照计划降落在澳大利亚的荒漠中，被已经做好准备的回收人员成功回收。这标志着为期6年的日本"隼鸟2号”小行星采样任务已经基本成功。样品回收舱随即被运回日本国内，它所带回的5.4克的在“龙宫”小行星上采集的样本，有望获得科学家们对太阳系演化和生命的产生等科学问题的新认识。

装备先进

“隼鸟2号”是由日本宇宙航空研究开发机构研制的小行星探测器。它于2014年12月3日在日本种子岛航天中心，由日本三菱重工设计制造的H-2A型运载火箭发射升空，开始了奔赴龙宫小行星的旅程。

“隼鸟2号”的重量为609千克，在探测器家族里并不算特别大，但它却拥有遥感、巡视和取样探测等三方面的功能。“隼鸟2号”上安装了4台遥感成像仪器。其中，光学导航相机（ONC）与我们一般概念中的摄像机的工作原理基本相似，在“隼鸟2号”飞行和着陆的过程中承担探测器“眼睛”的任务，用所拍摄的图像为飞船导航。而近红外光谱仪、热红外成像仪等科学仪器，则可以利用肉眼无法识别的红外信号，对龙宫小行星表面的物质成分和温度进行探测。此外，还有一台光学雷达，可以向小行星表面发射激光，通过测量激光反射回探测器所需的时间获取小行星的地形地貌数据。

“钻石状”小行星

“隼鸟2号”的探测目标龙宫小行星是在1999年才被发现的一颗小行星。这颗小行星在围绕太阳的椭圆轨道上运行，与太阳的最近距离甚至小于地球与太阳的平均距离。

▲ 火箭发射，出发“挖土”

龙宫小行星属于小行星分类中的C类。C类小行星的反照率较小，富含碳质和有机成分，其数量约占已发现小行星数的75%。一开始，人们通过地球上的天文台观测数据推测，这颗小行星应该具备球形的形状。“隼鸟2号”的抵近探测发现这颗小行星具有和钻石类似的形状，表面光滑。

特殊的巡视方式

人类探测器在其他天体表面上的巡视探测，一般采用类似火星车的轮式设计方案。但“隼鸟2号”上携带的小行星巡视器，却采用了另一种有趣的移动方式：它们并没有安装轮子，想要移动时就要像青蛙一样在小行星上从一个地方跳跃到另一个地方。

以最先着陆的MINERVA-II-1编队中的两台巡视器为例，这两个圆柱状的小家伙直径约为18厘米，高约为7厘米（大概和川菜馆用来盛毛血旺、水煮肉片的那种大碗差不多大），一次跳跃大概需要15分钟，能使他们移动约15米。它们“蹦跶”的动力也并非来自巡视器的“腿”。实际上，图片中看到的那些看起来像是“腿”的装置，实际上是巡视器的温度探测器。而巡视器跳跃的动力来自于其内部的飞轮产生的力矩，通过改变力矩的方向和大小可以控制跳跃的速度和方向。

之所以采用这样一种有些呆萌可爱的“蹦跶”设计，是因为龙宫小行星的重力场相比月球和火星实在是太微弱了。如果使用轮子进行移动，可能轮子一转动，产生的力就足以让巡视器在小行星表面漂浮起来，反而无法有效对移动进行控制。

▲ “隼鸟2号”接近龙宫小行星过程中拍摄到的龙宫小行星

▲ “隼鸟2号”巡视器温度探测“腿”

▲ 成功的喜悦

▲ “隼鸟2号”巡视器在跳跃过程中拍摄的小行星表面

2018年9月21日，“隼鸟2号”释放了MINERVA-II-1编队中的两台巡视器。这两台巡视器在龙宫小行星表面成功着陆，利用安装的相机对小行星表明进行立体成像，还对小行星表面的温度进行实地探测。两台探测器在分别工作了36个地球日和3个地球日后就完成了使命。遗憾的是，后续的MINERVAII-2巡视器在释放前就出现了故障，无线电通信系统无法正常工作。虽然无法执行计划的工作，但MINERVA-II-2也没有白跑一趟。2019年10月2日，“隼鸟2号”释放了MINERVA-II-2，通过它绕龙宫小行星运行的情况来进行重力场方面的探测。

此外，由日德合造的MASCOT巡视器也和“隼鸟2号”一起到达了龙宫小行星，但这台能够探测多种物理量的巡视器安装的却是一次性电池。2018年10月3日，MASCOT着陆后按照计划开机并正常工作了17个小时，探测了龙宫小行星表面结构、矿物成分和热力学特征，之后便彻底的休息了。

大难不死的“隼鸟号”

“隼鸟2号”是曾经在糸川小行星执行取样探测任务的“隼鸟号”的后继任务。

作为人类历史上首次小行星取样探测，“隼鸟号”的工作进行得相当波折。在飞行过程中，“隼鸟号”在2003年10月到11月遭遇了罕见的太阳大爆发，太阳喷射出的高能粒子对“隼鸟号”上的太阳能帆板产生了损害，使得离子电推发动机得不到充足的供电，登陆时间不得不推迟两个月。在释放巡视器时，“隼鸟号”自身的保护机制触发了一个上升的动作，使得巡视器未能被小行星的重力场捕获，反而漂浮到了太空中，成为环太阳飞行的最小的人造航天器。

▲ 返回舱样本

▲ 穿着防爆服的科研人员小心端着返回舱样本

▲ 从龙宫小行星挖回的部分样品

在着陆过程中，“隼鸟号”又与地面间歇性失联，地面控制人员无法了解着陆取样是否成功。而随后发生的燃料泄露事故更让“隼鸟号”失控并与地球长时间失联，使任务几乎失败。但在地面控制人员的不懈努力下，“隼鸟号”终于还是“活”了过来，踏上了回家之路。2010年6月，“隼鸟号”的回收舱终于在澳大利亚的一片荒漠中着陆，成功带回来少量糸川小行星上的样品。

“挖土”成功

在吸取了“隼鸟号”的种种经验教训后，“隼鸟2号”的任务进行得比较顺利。除了已经释放的3台巡视器全都正常工作外，“隼鸟2号”任务的重头戏——在小行星表面着陆采样，进行得也十分顺利。

在2019年2月22日进行的第一次采样中，“隼鸟2号”缓缓接近小行星表面，着陆后又快速上升。与此同时，大量的碎石从小行星表面扬起，这实际上是“隼鸟2号”的“杰作”：它将一颗弹丸以300米/秒的速度发射到了小行星表面，并借机将扬起的碎石样品收进自己的囊中，已备未来带回地球。

根据日本宇宙航空研究开发机构公布的数据，“隼鸟2号”此次着陆很“稳”，几乎准确地落在了预定位置，降落误差仅为1米。经过后续评估，相关人员认为“隼鸟2号”已经采集了足够多的小行星表面样本，因此取消了计划中的另一次表面采样，以降低任务风险。

小行星表面长期受到太阳风中带电粒子的轰击和各个波段的太阳辐射的照射，其性质可能因此发生变化。为了搞清小行星表面物质与深层物质之间性质的差异，“隼鸟2号”还在2019年4月到7月间进行了一次更复杂的采样。

“隼鸟2号”首先在4月5日释放了撞击器SCI和监视相机DCAM。由于这次撞击的规模比较大，弹开的碎片有可能击中“隼鸟2号”，整个撞击过程由DCAM监视，而“隼鸟2号”在此过程中则会飞到小行星的另一侧以保证安全。SCI在距离小行星表面500米的距离“开炮”，通过爆炸4.5千克炸药，射出了一颗重量为2.5千克的铜质撞击体，在小行星表面打出了一个直径约为10米的撞击坑。随后，“隼鸟2号”释放了一个信标以引导其着陆，并最终在7月11日完成了采样。

▲ 装有返回舱样本的特殊“收纳柜”

▲ 搜救人员找到样本返回舱

▲ “隼鸟2号”的星敏仪和高增益天线

▲ “隼鸟2号”再入大气层时在天空中划出灿烂的火光，这个场景被全天空相机捕捉下来

成功回家

“隼鸟2号”飞行的动力来源于采用等离子电推技术的发动机。这种发动机工作的能量来自于电能，相比使用化学能的传统航天发动机，这种发动机可以使用较少的推进剂实现变轨目的。

在完成龙宫小行星附近的科学探测任务后，“隼鸟2号”于2019年11月开始使用发动机输出的动力变轨，踏上返回地球的道路。“隼鸟2号”进入的是一条飞掠地球的轨道，其本身并不会被地球捕获，携带采集的小行星样品的是“隼鸟2号”的样品返回舱。根据先前任务的经验和教训，“隼鸟2号”的样品返回舱使用了改进的设计，以使其中珍贵的小行星样品免于被地球物质污染。2020年12月6日，样品返回舱成功在澳大利亚回收。

由于“隼鸟2号”还剩余约30千克推进剂，各个系统的工作状态目前也比较好，因此人们为它的未来计划了扩展任务。从2020年12月开始，“隼鸟2号”将飞向一颗编号为2001CC21的小行星，利用遥感探测仪器在2026年7月对这颗小行星进行探测。之后，它会与地球再次相遇，并继续飞向另一颗小行星1998KY26，并在2031年完成最后的探测任务。

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日本航天的骄傲

作为日本十分拿得出手的航天项目，隼鸟系列小行星探测是一件让日本人认为“就像世界杯夺冠一样骄傲”的事情，也是日本宇宙航空研究开发机构向公众力推“航天文化”的重要载体。以“隼鸟号”“隼鸟2号”任务为主题的文创品有孩子的衣服、乐高玩具、绘本、动漫，也有面向成年人的电影和社交媒体活动。“隼鸟2号”的探测目标小行星1999 JU3 也是通过公众征集，最终以入海取宝的日本神话命名，得名“龙宫”（Ryugu）。科学技术的本质是一种文化。唯有文化，能够实现其所载道器的全面、协调、可持续发展。

（白瑞雪）