不死鳥傳奇——「隼鳥」家族的小行星之旅（上）
對未知的探索總是充滿了危險和不確定性。
大航海時代，無數風帆折戟深海；
早期的飛行史，無數飛機折翼藍天；
當人類的腳步延伸到太陽系的時候，又有一些探測器像斷線的風箏一樣杳無音信。
然而和大多數航海航空迥然不同的是，為了飛得更遠，看到更多，絕大多數航天探測器都不會把燃料浪費在「飛回來」上。
對它們來說，這場太陽系的航程是一條不歸路，一旦開始飛向廣袤的太陽系，就是義無反顧，一去不返，極少有再能回到地球懷抱的幸運兒。
生死未卜，義無反顧，這樣的征途使得航天探測器的旅程多少有些悲壯。
然而卻有這樣的一個幸運兒，它是一隻不屈服於命運的「不死鳥」，在探索一片人類從未涉足過的陌生地帶時，「身體」不幸受到巨大摧殘，甚至一度和地面失去了聯繫。
在這樣的情況下，「隼鳥」卻毅然決然地堅持了下來，大難不死，最後在人類的幫助下，帶著珍貴的小行星樣本返回地球。
這隻成就了不死鳥傳奇的，是日本JAXA的「隼鳥」號（Hayabusa）小行星探測器。
在「隼鳥」號功成名就之後，「隼鳥」家族再添一名得力幹將——「隼鳥」2號小行星探測器。這顆探測器也正在追隨著前輩們的腳步，再次前往一個新的未知之地。目前，隼鳥2號即將抵達目標小行星「龍宮」（詳見：速報||隼鳥2號探測器即將揭開的小行星「龍宮」的真面目）。預計兩年後，「隼鳥」2號便會攜帶著「龍宮」的禮物返回地球。
隼鳥號和隼鳥2號探測目標天體時的假想圖。來源：池下章裕/MEF/JAXA?ISAS
今天，我們先來介紹「隼鳥」家族的第一位成員——隼鳥號探測器。
隼鳥號
命途多舛卻大難不死的隼鳥號，是世界上第一個成功從小行星採集到樣品並返回地球的探測器，也是第一個成功在小行星表面進行停留並離開的探測器。
不過這些光環的背後，卻是隼鳥號辛酸的「傷病史」：電能供應也不盡人意，接二連三的故障和發動機罷工，燃料泄露…這些「傷病」差點毀掉了隼鳥號，甚至讓隼鳥號一度與地球失聯。
然而隼鳥號頑強地堅持了下來，經歷3年艱辛的回家路程，最終成功返回地球。
傳奇的經歷，加上「隼鳥」的名字，讓它成為了一段不死鳥的傳奇。
隼鳥號看起來其貌不揚，不過是一個長1.6米，寬1.1米，高1米的立方體。重量也只有510千克，而通常相同壽命的人造地球衛星重量在一兩噸左右。
隼鳥號。來源：JAXA
「隼鳥」號計劃探測的目標也只是一顆名不見經傳的小行星，這顆後來以日本火箭之父糸川英夫命名的小行星25143號「糸川」（Itokawa，漢語常翻譯為「絲川」），原本並不是隼鳥號計劃探測的目標。
隼鳥號原本打算探測的是小行星4660 Nereus，但因為探測器設計出了點問題，使得小行星4660 Nereus變得不太合適，於是延期了一次，探測目標改成了二號備胎小行星1989 ML。然後火箭又出了問題，不得不再延期一次，這時候1989 ML也飛遠了，最終只好選定了當時軌道位置合適的三號備胎小行星「絲川」號…不過在發射之前，它都還沒有正式的命名，只有一個臨時的編號——1998SF36。（也就是說，如果不是火箭出了問題，現在就是1989 ML叫「絲川」星了！）
小行星「絲川」極其袖珍，僅有535米長，294米寬和209米高。這個尺寸僅僅只有9個國家體育場「鳥巢」的大小，或者16座胡夫大金字塔的體積——「絲川」也成為了當時人類主動探測的最小的一顆天體。而隼鳥號不僅要飛到「絲川」那裡，還要採集「絲川」的樣品返回地球——這是1972年美國阿波羅載人登月並採樣返回之後再也沒有完成過的挑戰。
小行星「絲川」的外形也常被稱為「水獺形」，別說話，用心體會~ 來源：維基
小行星「絲川」並不位於我們所熟知的，介於火星和木星之間的小行星帶，而是近地小行星的一支——阿波羅型（Apollo）小行星中的一顆。阿波羅型小行星軌道通常比較橢圓，既和小行星帶相交，又和地球軌道相交（因此阿波羅小行星也是一類對地球最有潛在威脅的小行星）。也正因為如此，部分阿波羅型小行星接近地球的時候距離非常近，這些使得阿波羅型小行星成為相對容易探測的一類小行星。
阿波羅型（Apollo）小行星的軌道。來源：維基
出師？有點…不利
2003年5月9日，隼鳥號從日本鹿兒島內之浦宇宙空間觀測所發射升空。
隼鳥號發射。來源：JAXA
然而發射後不久，超強的太陽黑子爆發，「隼鳥」號的一部分太陽能帆板失效，太陽能電量供應下降。
雪上加霜的是，它的蓄電池後來也有一部分損壞了。
不過，這些故障對於隼鳥號後來的際遇而言只是命運的開胃小菜，最初的行程還算順利。
2004年5月19日，「隼鳥」號再次飛掠地球，為什麼離開地球之後又一次飛回來呢？隼鳥號和地球都只是恰好繞太陽轉了一圈，兜…兜圈怎麼能算回頭路呢，就是一直向前走的啊。
隼鳥號前期軌道。改編自：newscientistspace.com
在技術層面上，引力助推是一個非常節約成本的選擇，因為這樣的軌道設計對燃料的需求比較低，隼鳥號可以借用地球的引力加速來提高自己的效率。要知道為了節省燃料，本應飛向地球外側的土星探測器卡西尼號甚至借力了地球內側金星的引力來加速。
另一個幫助實現低成本低燃料消耗的，是隼鳥號使用的新技術——離子推進發動機。這種發動機並不是在隼鳥號上首次使用的，但像隼鳥號這樣如此長時間使用和驗證離子推進發動機的卻不多見，這也正是 隼鳥號的一個科學目標。離子推進發動機目前的推力相比常見的化學能發動機要小得多，但非常節省燃料，因此可以減少燃料的重量和…錢。並且離子推進發動機在太空中長時間的加速性能滿足航天器的使用，因此有望成為未來長距離航天器的主要發動機類型。
不過，現在回頭看看，隼鳥號的曲折經歷無一不和離子推進發動機有關。
接下來我們可以看到這項新技術是如何像蹦極一樣，將隼鳥號推進深淵，又從深淵裡拉回。
順利會師…的短暫喜悅
2005年7月29日，隼鳥號的儀器首次拍攝到目標小行星「絲川」，這標誌著「隼鳥」號已經快要接近目的地了…簡直不要太順利。
然而，僅僅兩天後的7月31日，隼鳥號就出現了第一個大問題——x軸姿態控制失靈，這相當於一架不能穩定自己左右轉彎的飛機。
現代的航天器大多採用的是三軸穩定的方式，即通過內部控制器的調整，穩定航天器在x，y，z三個坐標軸上的方位，保證航天器在漫無邊際的空間中維持自身的相對穩定。
姿態調整的一個簡單的例子是我們熟悉的飛機，當飛機需要左右轉向（x軸）、左右翻滾（y軸）或上下俯仰（z軸）時，就需要調整飛機的飛行姿態，航天器也是類似的。
好在，壞了一個方向的控制的情況並不算糟糕，隼鳥號可以用自己的發動機調整自身姿態。
隼鳥號的ONC-T相機於8月22-23日拍攝的小行星「絲川」。來源：JAXA
2005年9月12日，隼鳥號離目標小行星「絲川」僅相距20 km，官方宣布隼鳥號順利的抵達目的地。
艱難著陸…和死而復生
然而禍不單行，10月2日，「隼鳥」號的y軸姿態穩定也失靈了。
病情加重的「隼鳥」號並沒有外科醫生，所以它只能繼續硬扛。
進入11月，隼鳥號開始了多次「薛定諤式」的著陸。由於著陸時通信天線無法對準地球，因此這段時間地球和隼鳥號之間是失聯的。外加上此時地球和小行星「絲川」之間的距離並不近，因此光速的信號傳輸回來也會有幾分鐘的延遲。
這就導致了地面並不知道隼鳥號的情況，也不知道隼鳥號是否有條件著陸——你不知道它有沒有著陸，你也不知道你發過去的指令有沒有生效，只有它發給你消息時，你才知道它有沒有著陸。
由於此時的著陸器實際上距離「絲川」地表太高，而「絲川」自身的引力又非常小，因此在這個高度下釋放的「Minerva」逃逸到了太空，著陸失敗了。
不過和接下來的事故相比，這依然不過是「隼鳥」號眾多故障中的一個插曲。
11月20日，隼鳥號首次「觸摸」到了小行星「絲川」。
隼鳥號著陸假想圖。來源：JAXA
這又是一次薛定諤的著陸。隼鳥號因為不明原因的故障而在10米高的半空中停留，並進入安全模式，此時地球基站發出了放棄著陸和上升的指令。
然而，還沒等隼鳥號收到這一指令，就已自行降落在了小行星「絲川」的地面上。
隨後在上升狀態中，隼鳥號才收到了來自地球基站的上升指令，而另一邊的地球基站才收到了隼鳥號的著陸狀態確認…難以形容此時地面工作人員的複雜心情。
11月26日，隼鳥號第二次「觸碰」到小行星「絲川」並完成了採樣回收，雖然一共只採集了幾克樣本…主要都是著陸時候的灰塵和微粒…
隼鳥號著陸假想圖。來源：池下章裕/MEF/JAXA?ISAS
再次上升，升到距離「絲川」表面5 km時，隼鳥號終於確認了一直以來的燃料泄露問題，這才終止了泄露。
就在之後的第二天，病情加重了！隼鳥號本身就已經有兩個方向的姿態穩定控制失靈，不得已依靠12台轉向發動機來維持姿態的穩定。
而不幸的是，因為隼鳥號的燃料泄露多時，電池由於失溫幾乎喪失機能，主發動機也沒有足夠的燃料可用，一時無法及時的調整隼鳥號自己的姿態…姿態逐漸失控。
而姿態的失控意味著隼鳥號的天線將無法對準地球，和地球的聯絡可能中斷。
局勢越來越惡化，主發動機幾乎處於棄療狀態，12月8日，最不願意看到的事情還是發生了，隼鳥號與地球完全失聯了！
12月14日，JAXA宣布隼鳥號的返回計劃延期。
……
不拋棄，不放棄，成為接下來的奮鬥目標，這不僅是對地面工作人員的勉勵，也是對隼鳥號的期待。
隼鳥號在失聯狀態下，姿態會持續的處於不穩定狀態。然而在這些不穩定狀態中，隼鳥號會有一定概率處在可以與地球進行短時間聯絡的特定姿態，這時候地面工作人員就可以嘗試人為啟動離子推進發動機了。
另一方面，地球自身也在公轉，因此地球的視角也在不斷的變化。總而言之，就是希望能有幸聯繫上正在亂轉的隼鳥號，希望它能在亂轉之中逐漸恢復有序。
地面此時能做的，就是不斷地搜尋可能由隼鳥號發出的信標信號，並寄希望於隼鳥號能夠調整回一部分姿態，能夠朝向地球哪怕一小會兒。
等待的過程是煎熬的，很多探測器在失聯之後就從此杳無音信，工作人員並不知道自己需要等待多久，大家也不知道遙遠的隼鳥號此時此刻正在經歷著什麼樣的煎熬。
2006年1月23日，經歷了46個日日夜夜的失聯之後，地球基站最終等到了來自隼鳥號的信標信號。
隼鳥號沒有放棄自己，地球也不會。
收到信標信號是一個好的苗頭，說明隼鳥號的系統還在正常工作，姿態調整還具備一定的功能。於是地面使用了一個最簡單的方式來看看是否能控制隼鳥號，地面讓隼鳥號發送另一個信標信號，3天後，地面收到了另一個信標信號，隼鳥號做到了！
2月6日，根據地面的指令，隼鳥號啟動了離子推進發動機，一步一步的進行姿態校準和控制，將天線對準地球。
2006年3月7日，官方正式宣布再次與隼鳥號恢復正常聯絡，隼鳥號大難不死。
回家
然而「隼鳥」號還有個終極目標——返回地球。可隼鳥號病入膏肓的身體還能夠繼續這場旅程嗎？
即使是完全正常工作的探測器，地球的往返票並不像火車往返北京和上海之間那樣有軌道，也不像飛機那樣有航線，畢竟北京和上海不會長腿亂跑——路線的設計會簡單的多。
但是地球、隼鳥號和小行星「絲川」都是在以每秒幾公里甚至幾十公里的速度在不斷高速運動的，在這麼快的速度下往返天地之間的難度可想而知。
隼鳥號的軌道是經過精心設計的，採用了一個特殊的大橢圓軌道，這個橢圓軌道的近日點的距離和角度與地球軌道相近，遠日點和小行星的距離相近。再利用地球公轉周期和探測器公轉周期的不同，使得某一時間段內，探測器在近日點附近能夠遇上地球，這樣探測器再進行變軌和分離返回艙的操作，從而使得返回艙返回地球。
隼鳥號的返回軌道。綠色是地球軌道，橙色是火星軌道，藍色是小行星「絲川」（Itokawa），紅色是隼鳥號（Hayabusa）探測器軌道，標尺單位為天文單位AU，1AU表示太陽和地球之間的平均距離，約1.5億公里。來源：JAXA
對於隼鳥號這樣經歷了這麼多坎坷和風雨的遊子來說，回家，或許意味著更多。人們期待隼鳥號能夠回家，也期待著隼鳥號帶給我們來自小行星的禮物。
2007年4月25日，隼鳥號正式開始返航。此前的一年裡，隼鳥號一直在做著各種準備工作，包括調整姿態和把採樣容器封裝進返回艙。
2007年10月18日，完成回家旅途的第一次變軌。
2009年2月4日，開始返程的第二次變軌。
2009年11月4日，離子推進發動機D故障。禍不單行的是，在發動機D完全故障的同時，還有兩台各壞了一半，發動機A和B分別有一部分器件故障。
「隼鳥」號一共有四台離子推進發動機，分別編號為A、B、C、D，原本預計有一台做備份，現在卻只有一台完好的發動機。來源：JAXA
幸好A和B壞的部分不一樣，地面工作人員將A和B正常工作的部分拼湊成了「一台」可用的發動機，最終的隼鳥號僅剩這兩台可以使用的發動機。而經過技術人員的計算，這幾乎是勉強能使隼鳥號返回地球的最低發動機配置了。
身殘志堅的隼鳥號憑藉著微弱的動力和強大的毅力，一步步靠近地球，這條回家路，隼鳥號走了三年。
三年後的2010年4月，隼鳥號進入返回地球的60天倒計時，此時的隼鳥號距離地球還有2700萬公里，在這個距離飛向地球的精準程度，堪比太空狙擊手。要知道，隼鳥號還是帶病工作，發動機壞的差不多了的那種。在最後的兩個月中，隼鳥號進行了4次軌道調整，確保準確無誤的進入地球軌道。
返回地球的倒數第3天，隼鳥號在距離地球四萬公里的高度釋放返回艙，準備投入地球的懷抱。隼鳥號的返回艙是一個直徑40厘米，高20厘米，重量僅17公斤的「圓盾」狀殼體，緊密的保護著來自小行星的「饋贈」。
裝著「絲川」星樣本的返回艙。來源：JAXA
2010年6月13日，隼鳥號返回艙再入返回地球，速度高達12 km/s，比普通返回式衛星和載人飛船返回艙速度每秒要多跑4公里。如此高速地進入大氣層，返回艙需要耐受和隔離大氣層摩擦產生的更高溫度，這個溫度是載人飛船和太空梭難以承受的。
隼鳥號返回大氣層的過程。改編自：JAXA
隼鳥號主體本可能就此漂泊太陽系，就像同為採樣返回任務的星塵號一樣，但它最終選擇了回歸地球，不過這項選擇的代價是墜入大氣層燒毀。隼鳥號的再入畫面十分震撼，高速摩擦產生的視覺效果如同高空的煙花一般絢爛，隼鳥號在煙花中完成了自己的使命。
隼鳥號再入大氣層的的壯觀場面。右下角的光點是裝著樣本的返回艙，中間密集的光點是燃燒的熊熊燃燒的隼鳥號。來源：NASA Ames
澳大利亞南部Woomera拍攝的沙漠中拍攝的隼鳥號和返回艙的軌跡。來源：JAXA
最終，隼鳥號返回艙安全落在預定的澳大利亞沙漠中，不死鳥回家了！
工作人員找到返回艙後正在確認返回艙的狀況。因為不確定返回艙分離時的火藥有沒有殘留，因此工作人員都穿著防護服。來源：JAXA
在此之前，人類從沒有過一個無人探測器，經歷過這麼多艱難坎坷和這麼多次絕處逢生。
隼鳥號的不屈歷程，鼓舞了無數人。
這早已不僅僅是一個探測器的旅途，更成為了無數人精神信仰和願望的投射，這是一場史詩意義的回家。
日本為此製作的電影《隼鳥歸來》的海報中這樣寫著：
60億公里距離，2592個日日夜夜，
這場宇宙之旅，
只為歸來。
隼鳥號的旅程也成為了很多日本流行文化的創作源泉，這些作品中幾乎無一例外地把隼鳥號（はやぶさ）擬人化為一個出發去探險的遊子，而母親（地球）和父親（糸川英夫）既是ta堅強的後盾，也在溫柔地等待ta的歸來。
SHO(キセノンP)創作，初音ミク演唱的歌《隼鳥》里這樣唱道：
舞いあがれ はやぶさ/高飛吧 隼鳥號
翼が折れたとしても/即使折斷翅膀
幾重の夢抱えて/仍要懷抱重重夢想
故郷の空見えるまで/直到見到故鄉的天空
その身が燃え盡きるまで/直到燃盡最後的軀殼
ただいま/ （也要對地球母親說）「我回來了！」
此去是星辰大海，
歸來仍是地球母親的孩子。
Hayabusa，歡迎回家！
關於作者：鸑鷟鵷鶵
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