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日本研制发射的隼鸟2号探测器在龙宫小行星表面成功完成了首次着陆

作者:   时间:2019-03-13 09:21   

2月22日,由日本研制发射的隼鸟2号探测器在龙宫ag客户端官网小行星表面成功完成了首次着陆,并按照计划在着陆后飞离了小行星表面。3月5日,日本宇宙航空开发机构(JAXA)在youtube上发布了这次着陆过程的视频画面。

比起“前辈”隼鸟号一波三折的探测经历,隼鸟2号的探测到目前为止进行的相当顺利,包括释放着陆器在内的一系列计划工作都得以正常实施。如果一切正常,隼鸟2号将有望为我们带来“龙宫”小行星上的样品,为小行星和太阳系起源研究提供无可替代的珍贵研究样本。同时,隼鸟2号、隼鸟号等科学计划,也从一个方面展示了日本不容小觑的航天实力。

小行星探测多面手

隼鸟2号是由日本宇宙航空开发机构研制的小行星探测器。它于2014年12月3日在日本种子岛宇宙中心,由日本三菱重工设计制造的H2A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公斤,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内容。隼鸟2号上安装了四台遥感成像仪器。

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。

在嫦娥四号探测月球的过程中,嫦娥四号着陆之后就释放出了与玉兔二号巡视器,通过不断在月球表面移动的方式对不同位置的月壤、月岩进行探测。玉兔二号这种靠轮子的转动在月球表面移动的巡视器,和机遇号、勇气号等进行行星探测的着陆器工作方式类似,也是大部分读者心目中的巡视器的模样。

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:他们并没有安装轮子,想要移动时就要像蛤蟆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。

(MINERVA-II-1编队的两台巡视器)

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。已经在龙宫小行星表面着陆的MINERVA-II-1编队中的两台巡视器可以利用安装的相机对小行星表明进行立体成像,还能对小行星表面的温度进行实地探测,目前仍在正常工作。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,便彻底的休息了。今年7月,最后一台MINERVA-II-2巡视器将最后到达龙宫小行星表面,对小行星表面的土壤特性开展研究。

(MINERVA-II-1B巡视器拍摄的小行星表面图像)

比前辈顺利的多的取样探测

隼鸟2号探测任务的重头戏,是在小行星上采集土壤岩石样本,并将这些样本带回地球。虽然隼鸟2号本身也可以携带科学载荷,在小行星上就地展开分析,但能够进入太空的分析仪器体积、重量和功耗都受到相当大的限制,分析精度自然也就无法和地球实验室中的大型仪器相媲美。因此,将样本采集回地球,可以使科学家们对这些样本进行更精细、更丰富的研究。同时,如果某天科学家们忽然找到了新的思路,可以再次使用样品进行分析,而这对于寿命有限的航天器来说是无法实现的。

(隼鸟2号底部伸出的杆状装置,即为在小行星表面取样的仪器)

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,隼鸟号的工作进行的相当波折。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。

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写努力下,隼鸟号终于还是“活”了过来,踏上了回家之路。2010年6月,隼鸟号的回送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。虽然结果不如预期的那么好,但这只太空“不死鸟”的故事却打动了许多人,还被拍成了电影《隼鸟号:遥远的归来》。

(隼鸟2号着陆完成并在此上升后拍摄的小行星表面图像,图中的阴影是隼鸟2号自身的影子)

在吸取了隼鸟号的种种经验教训后,隼鸟2号的任务至今都进行的相当顺利。除了已经释放的三台巡视器全都正常工作外,2月20日-22日隼鸟2号在小行星表面的第一次着陆也非常成功。从视频中可以看到,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JAXA公布的数据,隼鸟2号的此次着陆很“稳”,几乎准确的落在了预定位置,降落误差仅为1米。目前,JAXA还无法完全确定对小行星的样品收集是否成功,但根据视频中的图像,JAXA认为成功收集的可能非常大。

(隼鸟2号着陆过程视频,视频速度为实际速度的5倍)

隼鸟2号的采样工作并未到此结束,按照计划,下个月它还将在龙宫小行星上掀起更大的“波澜”。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号将在龙宫表面制造一场小型爆炸。隼鸟2号首先会在此上升到距离小行星500米左右的距离,并相继释放撞击器SCI和监视相机DCAM。在引爆4.5公斤高爆炸药后,SCI将在龙宫小行星表面制造一个人工撞击坑,炸出小行星的深层物质。SCI的爆炸过程由DCAM监视,而隼鸟2号在爆炸发生的过程中将会隐蔽在小行星的另一侧,以免被爆炸产生的碎片击中。在爆炸发生两个星期后,隼鸟2号才会在爆炸点附近着陆,进行样品采集。这项工作完成后,它将启程返回地球,并在2020年底将小行星样品带回科学家的实验室。

小行星探测有何意义?

目前的理论认为,小行星和太阳系的其他天体实在同一时期形成的。在46亿年前的太阳系形成早期,固体物质不断从太阳系中凝聚出来,形成行星子。有些行星子被大行星捕获,成为大行星的一部分,有些则不断增长形成小行星。因此,小行星的探测可以使我们更清楚的了解太阳系起源的奥秘。此外,有理论认为地球上构成生命的化学物质是由小行星产生的陨石和彗星、宇宙尘埃带入地球的,探测小行星还有助于进一步搞清地球生命起源的问题。

根据反照率和光谱信息,一般将小行星划分为C型、S型和X型三类。其中C型小行星富含碳质和有机成分,其数量约占已发现小行星数的75%。而S型小行星则主要由主要成分为硅酸盐,其数量大概占已发现小行星数量的17%。而X型的小行星则包含其他光谱特征相似的小行星。隼鸟号探测的糸川小行星是一颗S型小行星,而隼鸟2号探测的龙宫小行星则为一颗C型小行星,比其他类型的小行星更有记过获得有关生命起源问题的新发现。

(龙宫小行星全貌和隼鸟2号着陆位置(红点))

隼鸟2号的成功也是日本航天和空间科学事业发展的一个缩影。从一枚长度仅二十多厘米的“铅笔火箭”起家,进过六十多年的发展,日本现在已经拥有了比较完整的宇航工业体系。虽然其总体规模无法和美中俄这三个航天巨头相比,但它能够构想和实施一系列可以产出丰富科学成果的航天任务。

以笔者本人所从事的空间物理和太阳物理研究为例,日本在1991年发射的"日光"(Yohkoh/Solar-A)和2006年发射的"日出"(Hinode/Solar-B")卫星为我们理解日冕加热、日冕磁场演化等科学问题提供了关键的数据。而JAXA研发的HTV飞船,是为国际空间站提供补给的几种货运飞船之一,其运载能力与我国的天舟货运飞船基本相当。笔者认为,日本可以算是世界航天领域第二梯队中的佼佼者,其身上有许多值得我们学习借鉴的经验。