文/遲惑

日本是一個(gè)對(duì)航天探索非常積極的國(guó)家，在小行星探測(cè)這個(gè)問(wèn)題上，雖然美國(guó)人的調(diào)門(mén)非常高，但實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前面的卻是日本。早在本世紀(jì)初，日本就發(fā)射了隼鳥(niǎo)1號(hào)小行星探測(cè)器，歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦，終于從糸川號(hào)小行星上帶回了珍貴的巖石樣本。受到這次成功的鼓舞，日本在2014年前又發(fā)射了隼鳥(niǎo)2號(hào)小行星探測(cè)器。這次的目標(biāo)不再是糸川，而是龍宮小行星。按計(jì)劃，它將通過(guò)“炮擊”的方式在“龍宮”實(shí)施采樣并返回地球（這一采樣方式將在后文詳述）。因?yàn)橛星耙淮纬晒Φ慕?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，因此“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的任務(wù)到目前為止執(zhí)行得很是順利。2018年7月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”成功抵達(dá)了龍宮小行星附近，開(kāi)始了科學(xué)探索任務(wù)。

或許是因?yàn)槿毡緵](méi)有載人航天能力，也或許是因?yàn)槿毡竞教斓恼{(diào)門(mén)不高，所以人們對(duì)這顆小行星以及隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器的成績(jī)并不是太重視。在這里我們就把這個(gè)不應(yīng)該受到忽視的探測(cè)器詳細(xì)介紹一下。

“龍宮”是顆什么小行星

▲ 龍宮小行星外觀

▲ “隼鳥(niǎo)2號(hào)”的外形

“龍宮”是一顆接近于正方形的C類(lèi)小行星，編號(hào)是1999JU3。它的對(duì)角線長(zhǎng)度大約是900米，有7小時(shí)38分的自轉(zhuǎn)周期。C類(lèi)的意思是可能含有水合化合物，如果確認(rèn)了這樣的推測(cè)，它們就能成為未來(lái)人類(lèi)在宇宙中的水庫(kù)和養(yǎng)料庫(kù)。“龍宮”的質(zhì)量達(dá)到1.7×108～1.4×109噸，哪怕只有百萬(wàn)分之一的含水量也能為人類(lèi)提供百噸規(guī)模的水資源。這在宇宙中是極為寶貴的。

龍宮小行星是1999年5月由美國(guó)人發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)在為“隼鳥(niǎo)2號(hào)”選擇目標(biāo)的時(shí)候。提出了幾個(gè)原則。第一，軌道必須在地球和火星之間，便于探測(cè)器的軌道控制。第二，自轉(zhuǎn)周期必須大于6小時(shí)，轉(zhuǎn)得太快的小行星不容易降落。第三，直徑在數(shù)百米級(jí)別，這樣采樣時(shí)容易瞄準(zhǔn)。第四，用“隼鳥(niǎo)2號(hào)”攜帶的燃料能飛一個(gè)來(lái)回，所以這顆小行星的公轉(zhuǎn)軌道面和地球公轉(zhuǎn)軌道面的夾角不能太大，降低對(duì)變軌速度增量的需求。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，“龍宮”被確定為探測(cè)的對(duì)象。

按照J(rèn)AXA的說(shuō)法，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的具體任務(wù)有四項(xiàng)，分別是兩項(xiàng)科學(xué)任務(wù)和兩項(xiàng)工程任務(wù)。

其中，科學(xué)任務(wù)的第一項(xiàng)是研究太陽(yáng)系演變過(guò)程中各種物質(zhì)是如何變化的。在“龍宮”這樣的C型小行星上，人們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些獨(dú)特的信息，尤其是礦物質(zhì)水和有機(jī)物之間的相互關(guān)系。第二項(xiàng)科學(xué)任務(wù)是發(fā)現(xiàn)行星演變過(guò)程的秘密，這需要對(duì)“龍宮”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和淺地表物質(zhì)進(jìn)行研究。

工程上的兩項(xiàng)任務(wù)是：第一，“隼鳥(niǎo)1號(hào)”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善深空采樣返回技術(shù)，提高魯棒性、穩(wěn)定性和可操作性。第二，驗(yàn)證“小型便攜式?jīng)_擊器”技術(shù)。第二項(xiàng)聽(tīng)起來(lái)讓人有點(diǎn)費(fèi)解，我們會(huì)在后文中進(jìn)行詳細(xì)的論述。

▲ “隼鳥(niǎo)2號(hào)”的離子發(fā)動(dòng)機(jī)

全副武裝的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”

和各種深空探測(cè)器一樣，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”身上也裝滿了各式各樣、花里胡哨的設(shè)備。這并不僅僅因?yàn)镴AXA秉承了日本人喜歡小而全的天性，更是因?yàn)橄蛏羁漳繕?biāo)發(fā)射一顆探測(cè)器的機(jī)會(huì)實(shí)在是太難得了，不多搭載一些設(shè)備、多具備一些功能，實(shí)在是太浪費(fèi)了。實(shí)際上，在各國(guó)的各種深空探測(cè)器上，都是能多塞一件設(shè)備就多塞一件設(shè)備的。

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的本體上帶有四臺(tái)科學(xué)儀器，分別是光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、激光高度計(jì)、紅外波譜儀和熱紅外相機(jī)。光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)實(shí)際上是由三臺(tái)相機(jī)組成的。分別叫做ONC-T、ONC-W1、ONC-W2。ONC-T 的視場(chǎng)角是6.35°×6.35°，焦距為100米至無(wú)窮大，指向天底方向。ONC-W1、ONC-W2的視場(chǎng)角都是65.24°×65.24°，焦距都是1米至無(wú)窮遠(yuǎn)。但ONC-W1指向天底方向，ONC-W2指向探測(cè)器的側(cè)面。光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)的主要任務(wù)是拍攝宇宙中的星圖，與探測(cè)器電腦中存儲(chǔ)的星圖進(jìn)行對(duì)比，從而確定自己的飛行方向。當(dāng)接近“龍宮”小行星之后，它們還要從眾多天體中找到“龍宮”，指引探測(cè)器向著它飛行。

激光高度儀的工作波長(zhǎng)為1.064微米，工作距離為30米至25000米。它在“隼鳥(niǎo)2號(hào)”上有兩個(gè)用途。首先是作為最后階段的精確導(dǎo)航設(shè)備，另外還可以繪制“龍宮”表面的地形圖。后一種功能與地球觀測(cè)衛(wèi)星上的激光高度計(jì)很類(lèi)似。

紅外波譜儀被稱(chēng)為NIRS3，這就有些意思了。因?yàn)檫@種儀器的縮寫(xiě)一般是NIRS，這個(gè)“3”字是從何而來(lái)的呢？根據(jù)JAXA的說(shuō)法，3指的工作波段為1.8～3.2微米。這種選擇是因?yàn)榱u基化合物和水分子在3微米上的反射信號(hào)最為強(qiáng)烈，因此這臺(tái)紅外波譜儀實(shí)際上是去找水的。

熱紅外相機(jī)，用來(lái)探查小行星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。小行星上沒(méi)有大氣層，因此晝夜溫差很大。沙質(zhì)結(jié)構(gòu)和中空巖石的溫度差大一些，高密度巖石小一些。通過(guò)對(duì)比晝夜的紅外圖像。就能了解小行星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)在“隼鳥(niǎo)1號(hào)”上已經(jīng)得到了驗(yàn)證，清晰地展示了糸川小行星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

除了這么多的設(shè)備，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”還攜帶了四個(gè)小型的著陸器。其中有三個(gè)圓的和一個(gè)方的。長(zhǎng)方體著陸器是德國(guó)航天局和法國(guó)航天局聯(lián)合研制的。三個(gè)圓柱形著陸器中，有兩個(gè)是JAXA自己研制的，還有一個(gè)是多家日本大學(xué)聯(lián)合研制的。需要注意的是，這些著陸器沒(méi)有輪子也沒(méi)有腿，它們是靠特制機(jī)構(gòu)來(lái)蹦跳的。關(guān)于它們，我們?cè)诤笪倪€要詳細(xì)解讀。

用超大型天線保持聯(lián)系

深空探測(cè)器最怕的是什么事情呢？是動(dòng)力不足嗎？是電力不夠嗎？是飛行時(shí)間太長(zhǎng)嗎？都不是。它們最怕的事情就是失聯(lián)。

在茫茫宇宙當(dāng)中，一個(gè)只有600多千克的探測(cè)器如果丟了，那是無(wú)論如何也別想再找回來(lái)了。因此，深空探測(cè)器上最重要的設(shè)備就是與地球聯(lián)系的天線。隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器也是一樣，在它身上裝著三套通信設(shè)備，分別工作在X頻段和Ka頻段。其中X頻段上設(shè)置了4套天線，分別是2副低增益天線、1副中增益天線和1副高增益天線。而Ka頻段天線是高增益天線，據(jù)說(shuō)這也是Ka頻段第一次用于深空探測(cè)。

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”上攜帶了兩套推力裝置，一套是傳統(tǒng)的化學(xué)推力器，另一套就是在“隼鳥(niǎo)1號(hào)”飛行期間立下汗馬功勞的離子推進(jìn)器。當(dāng)然，即使攜帶了這么復(fù)雜的推力系統(tǒng)，要想憑借它們把609千克的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”送到龍宮小行星附近也是很費(fèi)力的。因此，JAXA設(shè)計(jì)了極其復(fù)雜的軌道，繞地球飛行的軌道上進(jìn)行多次變軌。這樣復(fù)雜的變軌，憑借日本本土設(shè)置的測(cè)控站是無(wú)法完成的，因此JAXA協(xié)調(diào)了美國(guó)和歐洲的合作伙伴進(jìn)行測(cè)控。

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”總共動(dòng)用了5套測(cè)控天線。主要測(cè)控工作在X頻段實(shí)施，日本本土臼田站的64米超大天線作為主站，日本內(nèi)之浦站的34米天線、美國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)的34米天線和70米天線、歐洲空間局的測(cè)控天線作為輔助站。這四套天線都具有收發(fā)功能，其中美國(guó)、歐洲的兩套系統(tǒng)具備8GHz和32GHz兩個(gè)頻段的接收能力。另外還有日本內(nèi)之浦站的20米天線作為單收站。而Ka頻段測(cè)控能力只有美國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)才具備，必須借用它。

在具體的測(cè)控站上，除了臼田站和內(nèi)之浦站，還動(dòng)用了澳大利亞的堪培拉站和新諾西亞站，歐洲的威爾海姆站、色布雷斯站、馬德里站，美國(guó)的哥德?tīng)査诡D站，阿根廷的Malargüe站。

日常的測(cè)控工作由臼田站執(zhí)行。在重大操作時(shí)——比如炮轟“龍宮”和實(shí)際采樣的時(shí)候，要靠美國(guó)宇航局的深空網(wǎng)來(lái)實(shí)施，。

總體來(lái)說(shuō)，與“隼鳥(niǎo)1號(hào)”相比，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”在體積和重量上略微大了一點(diǎn)，功能卻強(qiáng)了很多。下表給出了主要參數(shù)的對(duì)比。

用太陽(yáng)來(lái)吹一吹

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”起飛后，進(jìn)入了一條繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道，公轉(zhuǎn)周期和地球大致相同。一年后的2015年12月3日，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”再次與地球相遇，然后加速向前進(jìn)，進(jìn)入一條半長(zhǎng)軸更大的公轉(zhuǎn)軌道，和“龍宮”的公轉(zhuǎn)軌道近似。在這個(gè)過(guò)程中，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”一度回到地球公轉(zhuǎn)軌道附近。但那個(gè)時(shí)候地球并不在那里?！蚌励B(niǎo)2號(hào)”繼續(xù)公轉(zhuǎn)。利用和“龍宮”之間的周期差，終于在2018年7月2日追上了“龍宮”。

隼鳥(niǎo)1號(hào) 隼鳥(niǎo)2號(hào)星體尺寸 1米×1.6米×1.1米 1米×1.6米×1.25米質(zhì)量（含推進(jìn)劑） 510千克 609千克發(fā)射年份與火箭 2003年5月9日，M-V-5火箭 2014年12月3日，H-IIA火箭通信頻段 X頻段（7～8GHz） X頻段（7～8GHz），Ka頻段（32GHz）探測(cè)時(shí)長(zhǎng) 3個(gè)月 計(jì)劃18個(gè)月采樣次數(shù) 2次（僅星體表面） 3次（星體表面和淺地表）返回日期 2010年6月13日 計(jì)劃2020年年底

▲ “隼鳥(niǎo)2號(hào)”全球測(cè)控網(wǎng)組成

按照傳統(tǒng)方式，這個(gè)過(guò)程要消耗很多燃料。因此，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)器還采用了一種腦洞很大的推進(jìn)模式，稱(chēng)為太陽(yáng)帆模式。

早在2010年，JAXA就研制并且試驗(yàn)了一種太陽(yáng)帆飛行器。經(jīng)過(guò)這次實(shí)踐，日本取得了關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)壓推進(jìn)的第一手經(jīng)驗(yàn)。在“隼鳥(niǎo)2號(hào)”飛行的某個(gè)階段，它的推進(jìn)不是僅僅靠離子推進(jìn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是利用兩片太陽(yáng)電池來(lái)當(dāng)做真正意義上的風(fēng)帆。

2015年3月27日，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”成功進(jìn)入了繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道，太陽(yáng)風(fēng)吹拂在兩片太陽(yáng)電池上。這時(shí)候，通過(guò)獨(dú)立調(diào)整這兩片太陽(yáng)電池的角度，就能為“隼鳥(niǎo)2號(hào)”提供一定的控制力矩，地面控制人員關(guān)掉了4臺(tái)反作用飛輪中的3臺(tái)，只留下一臺(tái)繼續(xù)工作。這樣也可以節(jié)省飛輪的消耗，以備不時(shí)之需。這個(gè)工作狀態(tài)持續(xù)到了2015年5月7日。

到2015年9月6日，太陽(yáng)正好處在“隼鳥(niǎo)2號(hào)”飛行方向的后面，于是太陽(yáng)帆推進(jìn)模式全開(kāi)。這個(gè)階段一直持續(xù)到2016年8月3日，再次回到太陽(yáng)帆姿態(tài)控制模式。

在“隼鳥(niǎo)2號(hào)”前往“龍宮”的兩年半旅程之中，太陽(yáng)帆姿態(tài)控制模式可以運(yùn)行9個(gè)月之多。這大大減少了飛輪的壽命消耗，也節(jié)省了推力器的燃料。

其實(shí)，太陽(yáng)光壓對(duì)航天器姿態(tài)的影響一直為人們所熟知。在環(huán)繞地球運(yùn)行的航天器上，太陽(yáng)光壓是個(gè)擾動(dòng)因素，對(duì)宇宙飛行來(lái)說(shuō)就是另外一回事了。未來(lái)，能不能讓太陽(yáng)風(fēng)發(fā)揮更大的作用呢？能不能讓它成為星際飛行的主要?jiǎng)恿δ兀咳绻軌蛑圃斐龈p、更薄的太陽(yáng)電池來(lái)，或許就可以實(shí)現(xiàn)了。