「隼鳥2號」快到「龍宮」了 將在小行星採樣返回

「隼鳥2號」小行星探測器接近「龍宮」想像圖

在博物館中展出的「隼鳥號」樣品回送艙

「隼鳥號」小行星探測器

李會超

新聞背景

今年6月30日，全世界迎來了第一個由聯合國確定的「國際小行星日」。而正在太空中飛行的日本探測器「隼鳥2號」，為這個紀念日送出了一份特殊的賀禮。經過三年半時間的飛行，它終於接近了科學家們為它設定的探測目標——「龍宮」小行星。在距離龍宮小行星1500公里的位置上，「隼鳥2號」傳回了龍宮小行星一張比較清晰的圖片。

按照計劃，「隼鳥2號」將在龍宮小行星上著陸，採集小行星上的岩石樣本並帶回地球，為科學家們提供最鮮活的研究素材。

小行星探測成為航天新熱點

小行星是圍繞太陽運行的一類天體。與地球、火星這樣的大行星相比，小行星的體積相當小。在目前已經發現的約74萬顆小行星中，最大的小行星穀神星的直徑只有約1000公里，大約相當於地球的十三分之一，而大部分小行星的直徑均在10公里以下。小行星可能出現的位置從地球軌道內側一直延伸到太陽系的邊緣，但絕大部分小行星分布在火星和木星軌道之間的小行星帶中。有些小行星可能在運行過程中到達距離地球相當近的位置，存在潛在的與地球相撞可能，這類小行星被稱為「近地小行星」。國際上有許多機構在對它們進行嚴密監控，並制定了小行星與地球可能相撞時的應對方案。

像大行星一樣，小行星本身不發光，但天文學家們可以通過觀測它們反射的太陽輻射來推測小行星的性質。小行星研究的一個重要參數是反照率，即小行星可以把多大比例的太陽輻射反射出去。反照率與小行星的成分和表面結構等性質有關，可以使天文學家們獲取關於小行星的一些信息。隨著光譜觀測技術的發展，天文學家們還可以從小行星反射的光線中分辨出哪些波段的反射比其他波段更強，進而根據這些光譜特徵進一步精確推斷小行星的成分。根據反照率和光譜信息，一般將小行星劃分為C型、S型和X型三類。其中C型小行星的反照率較小，富含碳質和有機成分，其數量約佔已發現小行星數的75%。S型小行星主要成分為硅酸鹽，其數量大概占已發現小行星數量的17%。而X型的小行星則包含其他光譜特徵相似的小行星。

目前的理論認為，小行星和太陽系的其他天體是在同一時期形成的。在46億年前的太陽系形成早期，固體物質不斷從太陽系中凝聚出來，形成行星子。有些行星子被大行星捕獲，成為大行星的一部分，有些則不斷增長形成小行星。因此，小行星的探測可以使我們更清楚地了解太陽系起源的奧秘。此外，有理論認為，地球上構成生命的化學物質是由小行星產生的隕石和彗星、宇宙塵埃帶入地球的，探測小行星還有助於進一步搞清地球生命起源的問題。更有人認為，有些小行星富含地球缺乏的珍貴礦產資源，因此一些國家已經啟動小行星採礦計劃。

1991年，探測木星的「伽利略號」飛船在途中飛掠探測了GASPRA小行星，進行了航天器對小行星的首次探測。1996年2月，美國NEAR探測器則飛抵433號小行星「愛神星」，進行了環繞和著陸探測，測量了愛神星的大小、形狀、質量分布、磁場、化學成分和礦物質分布等特徵。而日本的「隼鳥號」探測器，則把小行星探測帶入了取樣返回探測的新階段。

「隼鳥號」驚魂旅行帶回糸川小行星樣本

長久以來，科學家們一直試圖搞清地球上收集到的隕石和小行星之間的聯繫，希望能確定每一類隕石是來自哪一類小行星。一旦這種關係建立，在地球上能夠收集到的隕石就為小行星研究提供了更豐富的樣本。如果使用太空探測器環繞小行星探測，由於距離小行星表面的距離還相對較大，觀測數據精度不夠，不能準確確定小行星表面的礦物組成和化學成分。而如果發射探測器在小行星表面登陸，採集樣品後返回地球，科學家們就能夠使用高精度的分析儀器對樣本進行分析，從而揭示小行星與隕石間的聯繫。為了完成這個科學目標，日本航天局設計製造了「隼鳥號」探測器，在一波三折之後終於取回了糸川小行星上的樣品，完成了人類首次從小行星上採樣返回的航天任務。

糸川小行星是一顆外形與土豆類似的S型小行星，長約500米，運行於地球和火星之間的橢圓軌道上，在環繞太陽的過程中要穿越地球軌道。2003年5月9日，「隼鳥號」由日本鹿兒島航天中心發射升空後，先進行了環繞太陽2周的飛行，之後與地球再次相遇，利用地球的引力彈弓效應進入一條弧形軌道中，逐漸接近糸川小行星。

「隼鳥號」是第一艘採用微波放電離子電推技術發動機的探測器。這種發動機工作的能量來自於電能，相比使用化學能的傳統航天發動機，這種發動機可以使用較少的推進劑實現變軌目的。但由於瞬時輸出的推力較低，這種發動機必須在飛船飛行過程中持續工作。然而，2003年10月到11月，太陽上產生了一系列強度罕見的爆發現象，對「隼鳥號」上負責發電的太陽能帆板造成了損害，離子發動機得不到充足的供電，因而「隼鳥號」在糸川小行星上的登陸時間不得不推遲了兩個月。

隨著與糸川小行星的接近，「隼鳥號」上負責控制姿態的兩個反作用輪相繼出現故障，不得不依靠僅剩的一個反作用輪和兩台發動機來勉強維持姿態，給在小行星上著陸增加了困難。2005年11月12日，在科學家們向「隼鳥號」發出投放「智慧女神」微型著陸器指令的同時，「隼鳥號」發現自己距離糸川表面僅有44米，自動啟動了高度維持功能並開始上升。這個巧合使得「智慧女神」的投放高度過高，未能被小行星微弱的重力場捕獲，失控飛入了茫茫太空中。好在這並不影響「隼鳥號」執行取樣任務。按照計劃，「隼鳥號」在小行星上軟著陸後，將向小行星發射一顆彈丸，收集彈丸擊中小行星後揚起的塵埃來取回樣品。然而，在11月20日開始的兩次登陸嘗試中，「隼鳥號」頻繁發生與地球的間歇性失聯，使控制人員很難掌握它的工作狀況。科學家們只知道「隼鳥號」的確著陸在了小行星表面，但並不能確認發射彈丸的裝置是否正常工作，「隼鳥號」是否收集到了小行星樣品。隨後，「隼鳥號」上發生了燃料泄漏事故，導致其姿態失控並與地球長時間失聯，幾乎讓任務失敗。在地面人員的不懈努力下，失聯數天後的「隼鳥號」又恢復了與地球的聯繫，踏上了回家之路。

2010年6月13日，在天外漂泊七年的「隼鳥」終於返回地球。在進入大氣層時，歷盡磨難的「隼鳥號」本體在大氣中焚毀，而可能保存著小行星樣本的回送艙則正常與主體脫離，按照計劃在澳大利亞的一片荒漠中著陸。

通過對回送艙中樣品的分析，科學家們欣慰地確認「隼鳥號」在歷經波折後的確取回了糸川小行星上的樣品。航天愛好者們給「隼鳥號」探測器取了個稱號叫作「不死鳥」。

重整旗鼓 「隼鳥2號」再探「龍宮」

「隼鳥號」的成功給了科學家們再探小行星的信心。2014年12月3日，「隼鳥2號」成功發射，將探測目標鎖定在了「龍宮」小行星上。相比於S型小行星糸川，龍宮是一顆C型小行星，能夠提供糸川所無法提供的信息。

「隼鳥2號」幾乎複製了「隼鳥號」探測器的基本設計，但根據「隼鳥號」任務中出現的問題，「隼鳥2號」進行了許多有針對性的改進。例如，通過增強內部磁場強度的方法，提高了離子發動機的壽命，避免其在飛行過程中失效。小行星樣品採集裝置的容量和密封性被增強，進一步確保珍貴的小行星樣本不會在飛行過程中被其他物質污染。採用新的採集裝置後，地面控制人員可以在「隼鳥2號」在小行星表面工作時就能夠判斷採樣是否成功，無需像「隼鳥號」那樣在返回地球後才能搞清。「隼鳥2號」還採用了新型的平板天線，在通信能力不變的情況下減輕了重量。

小行星表面長期受到太陽風中帶電粒子的轟擊和各個波段的太陽輻射的照射，其性質可能因此發生變化。為了搞清小行星表面物質與深層物質之間性質的差異，「隼鳥2號」將在龍宮表面製造一場小型爆炸。在完成第一次表面取樣後，「隼鳥2號」會上升到距離小行星500米左右的距離，並相繼釋放撞擊器SCI和監視相機DCAM。在引爆4.5公斤高爆炸藥後，SCI將在龍宮表面製造一個人工撞擊坑，炸出小行星的深層物質。SCI的爆炸過程由DCAM監視，而「隼鳥2號」在爆炸發生的過程中將會隱蔽在小行星的另一側，以免被爆炸產生的碎片擊中。在爆炸發生兩個星期後，「隼鳥2號」才會在爆炸點附近著陸，進行樣品採集。

據日本航天局在6月27日公布的消息，「隼鳥2號」已經接近到距離龍宮小行星20公里的位置，各項科學探測正在逐步展開。在接下來的任務中，科學家們還要應對許多挑戰。他們要根據「隼鳥2號」傳回的龍宮表面圖像，為將要釋放的一個微型著陸器和三個微型巡視器挑選合適的著陸地點，避開可能使著陸失敗的地形地貌。外形與鑽石相似的龍宮小行星，其本身存在一個周期為7.5小時的自轉，因此無論是著陸器、巡視器還是「隼鳥2號」本身，在著陸小行星的過程中所受到的小行星引力方向，可能並不與小行星表面垂直。科學家們需要充分考慮這個特性，設計合理的著陸方案。如果一切順利，「隼鳥2號」將在2020年底返回地球。

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