引言

游隼是捕猎时俯冲速度最快鸟类之一，它能以超过秒速百米及极大的过载撞击猎物将其撕裂，是最为凶悍的猛禽之一。

日本深空探测活动以小行星为主。虽然日本在深空探测领域起步较晚，深空探测计划直至20世纪末才正式启动，但是他们在细分领域上几乎走在了最前列——完成了小行星采样返回的壮举。按计划，日本的首个小行星探测器仅在小行星着落一秒就随即带着样本离开。2003年，日本飞行力学专家上杉邦宪和川口淳一郎认为探测器采样迅速，就像游隼抓取猎物一样，提议将飞船命名为“隼鸟”，隼鸟与小行星的传奇故事就此开始。

小行星探测近年来已成为主要航天国家的深空探测的目标之一。2013年，ISECG 发布《全球探索路线图》，明确提出了小天体探测的主要任务：验证创新的外层空间探索技术和能力；加深理解太阳系自然天体的演变和生命演进；测试用于抵御来自近地小行星风险的方法[1]。小行星和彗星等太阳系小天体被认为是太阳系初期的遗留物质，对它们的研究可以为行星的起源、太阳系的演变和生命的起源等基础科学研究提供重要线索。围绕小天体，科学家们提出了“有机物的起源、水的分布和起源、近地小行星的碰撞威胁、动力学的形成和演化”等前沿科学问题[2]。小天体探测对人类的重要性不言而喻。

与令人激动的月球探测任务、火星探测任务和载人航天任务相比，小行星探测并没有引起公众的广泛关注。在中文资料中，对日本小行星探测计划的介绍也少且不详。我的这篇报告将以小行星探索的佼佼者 JAXA 的任务为主线，希望能介绍这项同样有意义、且同样具有魅力的宇宙探索活动。

小天体探测历程与计划

世界小天体探测史

最初，人类利用地基望远镜对小行星进行观测和研究只能获得基本的轨道参数和基础物理特性，对小行星的内部结构、物质组成、引力场等几乎一无所知。得益于航天技术的发展，人们在上世纪70年代开始能对小天体近距离观测。

从探测的历史来看，人类对小行星的探测主要有近距离飞越、小行星绕飞探测、附着就位探测和采样返回4个阶段。

NASA于1989年发射的 Galileo 在飞往木星的途中分别于1991年和1993年探测了两颗小行星，1991年 Galileo 飞掠小行星 951 Gaspra 时拍下了人类首张清晰的小行星照片。

NASA在 1996年发射的 NEAR Shoemaker ，在1999年尝试绕飞观测小行星 433 Eros，但由于软件于通讯问题失败，最终为飞掠；2001年 NEAR Shoemaker 成功环绕小行星 433 Eros，随后软着陆，成为人类第一个软着陆在小行星上的探测器。

NASA 于1999年发射的 Stardust 首次完成了从彗星采样返回的任务。

日本JAXA的隼鸟号（はやぶさ）于2003年发射，经过7年的长途旅行最终到达小行星糸川，完成了人类史上首次小行星采样返回，将1500余粒小行星尘粒样本带回地球。小行星糸川是一颗直径500米的近地小行星，被认为对地球安全有潜在威胁性。

日本小行星探测计划

1985年6月时任ISAS教授鹤田浩一郎主办“小行星采样返回小研究会”，构想20世纪90年代通过化学推进的方式对一颗阿莫尔型小行星探测并采样返回，但由于当时日本尚未有满足任务所需性能的火箭，计划未正式提出。1986年日本首个深空探测器彗星号（すいせい）成功发射后，小行星探测计划被提上日程。

M-V运载火箭诞生后，1989年秋至1990年春的宇宙里学委员会决定小行星探测器作为 M-V 2号机的载荷发射。但由于同箭发射的 LUNAR-A 月球探测器开发进度落后，任务取消。

1995年8月宇宙开发委员会认可小行星采样返回项目，计划正式开始，目标小行星4660 海神星。后考虑到M-V运载火箭的运载能力，探测器很难飞达海神星，遂将探测目标改为第二候补小行星10302。但由于2000年2月M-V火箭4号的发射失败，探测器的发射再度延期，并将目的地再度更变为小行星1998SF36，即后来的小行星糸川（イトカワ）。小行星糸川的名称来自于日本宇宙开发之父糸川英夫。

2003年5月9日13时29分25秒，M-V运载火箭5号机搭载小行星探测器隼鸟于内之浦宇宙空间观测所发射。2005年7月29日，隼鸟号发现小行星糸川。

31日，X轴姿势控制装置故障无法使用，改由化学燃料辅助助推器与剩下两个姿势控制装置联合使用。8月28日，接近小行星糸川，关闭发动机。9月2日，探测器与糸川交汇。11月隼鸟号经历数次轨道调整，于11月12日进行降下预演，同时释放出刻有88万人的名字的目标标定球和探测器MINERVA，但可能对该小行星引力场的估计误差而失败，没能着陆于小行星上。11月20日，首次着陆失败。11月26日，成功着陆，在着陆1秒后即完成采样并离开。2007年4月25日开始返回地球，2010年6月13日到达地球重返大气层，翌日完成了样品仓的回收。至此，隼鸟长达7年的宇宙之旅结束，人类完成了第一次小行星采样返回。

2012年1月，隼鸟2号开始筹备。2014年9月，隼鸟2号完成制造，转运到种子岛宇宙中心，并于当年12月3日由H-IIA火箭发射。

5日，隼鸟2号顺利与火箭主体分离，后续伸展太阳能面板，前往目的地小行星 162173 龙宫（リュウグウ）。2018年2月，隼鸟2号成功拍摄到样貌清晰的龙宫。

6月，隼鸟2号抵达龙宫上空。2018年10月3日，隼鸟2号龙宫投放“小行星地表探测车（MASCOT）”，以观测小行星地表情况。2019年2月22日，隼鸟2号成功登陆小行星龙宫，并于4月5日向龙宫地标发射大量金属弹丸，人类首次以发射金属弹到形式人工制造出陨石坑，获取小行星地下岩石。7月11日，再度着落龙宫，成功登陆陨石坑附近，采集了地表下到岩石样本。2019年10月，隼鸟2号投放重力探测机器人到龙宫表面。11月13日，正式启程返回地球。2020年12月5日，隼鸟2号在预定轨道分离回收舱，回收舱于次日降落在澳大利亚，隼鸟2号则重新启程，飞往小行星1998 KY26。隼鸟2号共带回了5.4克的小行星沙土样本。

当前，日本正在继续开发隼鸟的后继者们。日本计划于2024年发射新的探测器 Destiny+，计划飞越多个包括小行星在内的近地天体，探索宇宙尘埃的起源。目标探索D-型小行星的隼鸟MkⅡ/马可波罗号（はやぶさMk2/マルコ・ポーロ）正在与欧洲航天局联合开发中。计划同时探索D-型小行星和P-型小行星的隼鸟X（はやぶさX）也在开发中。

隼鸟系列的设计与任务目标

隼鸟号

隼鸟号质量 510 千克，尺寸 1 m x 1.6 m x 2 m，太阳能板展开时全长 5.7 m。任务时长原规划为4年，但因为发生故障意外而延长至7年。在动力方面，隼鸟号搭载了4台μ10型离子助推器。

隼鸟号携带的主要科学仪器有主要仪器有：

• 可见光谱成相仪（AMICA）
• 远距光学导航相机（ONC-T）
• 广角光学导航相机（ONC-W）
• 光学雷达（LIDAR）
• 近红外线光谱仪（NIRS）
• X射线光谱仪（XRS）
• 目标标定球（Target Marker, TM）
• 采样装置（Sampler Horn）

隼鸟号的主要任务目标有离子发动机推进试验、离子发动机长期连续稼动实验、利用离子发动机达成地球重力助推、自律飞行控制接近微小而不会有重力产生的小行星、小行星科学观测、从小行星进行样本采取行动、样品舱重返大气层并进行回收和小行星样本回收八项。除了采样行动中采集用弹丸没能成功发射以外，其他全部目标均达成[3]。

隼鸟2号

隼鸟2号质量 609 千克，尺寸 1 m x 1.6 m x 1.25 m，太阳能板展开时全长 6 m。隼鸟2号设计寿命7年，截止2022年12月，隼鸟2号已经运作了8年，目前仍在继续工作中，其中已完成的主任务运作6年4天，延伸任务仍在进行中。在动力方面，隼鸟2号搭载了4台改良型的μ10型离子助推器。

隼鸟号携带的主要科学仪器有主要仪器有：

• 远距光学导航相机（ONC-T）
• 广角光学导航相机（ONC-W1 和 ONC-W2）
• 近红外线光谱仪（NIRS）
• 热红外相机（TIR）
• 光学雷达（LIDAR）
• 采样装置 (SMP)
• 小型随身撞击器 (SCI)
• 可展开相机 (DCAM3)
• 四台漫游车（MASCOT、Rover-1A、Rover-1B、Rover-2）

与之前的隼鸟号任务相比，隼鸟2号具有改进过的离子发动机、导航技术、天线和姿态控制系统。此次，采样用的金属弹丸也被成功发射。

小行星龙宫是一颗原始的C-型近地小行星。C-型小行星被认为保存着太阳系中最原始的、未受污染的材料，是矿物、冰和有机化合物相互作用的混合物。研究它有望为内行星的起源和演变特别是地球上水和有机化合物的起源提供更多的依据，有助于我们探寻生命的起源[4]。

隼鸟2号的任务目标是采集到三个目标：

• 采集并带回含水物质样本
• 找到并带回水文改变地貌的证据
• 挖掘并带回小行星地下岩石

最终，隼鸟2号成功带回了地下的岩石，带回的样本中也发现了含有有机物的液态水。

隼鸟系列的成果

隼鸟号带来了来自小行星的样本，这是人类首次实现小行星采样返回。研究揭示，与地球上已知的岩石类型相比，隼鸟号带回的小行星样本成分更类似于陨石，还在样本中发现了辉石、橄榄石、斜长石、硫化铁等矿物。

隼鸟2号在人类史上首次实现了小型探测机器人在小天体表面的移动探测、多个探测机器人在小天体上的投放、实现60cm的超高着陆精度、在一次任务中在同一天体两个地点各着陆一次、获取地球圈外天体地下物质等，还首次带回了来自地球圈外的气体样品。

隼鸟2号带回的样品中发现了含有有机物的液态水，对研究地球早期形成、生命的起源也有重大意义。目前带回的样本仍在分析中。

结束语

小行星探测着眼于探索宇宙的起源和演化、物质结构等重大基础前沿科学问题，还包含诸如资源开发、小行星撞击等公众关心的问题，已成为深空探测的一个热点。它对于开辟新的领域、揭示生命起源、促进技术进步、开发自然资源、保护地球生态都有意义。

小行星探测面临着各方面的挑战。小行星为微引力环境，逃逸速度很低，且人类对小行星的认识很有限，难以在探测器到达前获取较为准确的数据。无论是降落的精度控制、在弱引力环境下的样本采集还是在恶劣环境中的长时间发动机运作都面临诸多技术挑战。

小行星探测虽然没有受到如火星、月球任务般的高关注度，但也同样具有魅力和探究价值。我国也曾在“嫦娥2号”任务中开展对小行星的飞掠，而我们也可以开展小行星探测方面的国际合作。

参考文献

[1] Norberg, C. (Ed.). (2013). Human Spaceflight and Exploration (1st ed.). Springer Berlin, Heidelberg.

[2] 张荣桥，黄江川，赫荣伟，等. 小行星探测发展综述[J]. 深空探测学报，2019，6（5）：417-423，455.

[3] 「はやぶさ」カプセル内のサンプル回収（採取）を開始. ISAS/JAXA. 2010-07-07.

[4]Hayabusa2: Scientific importance of samples returned from C-type near-Earth asteroid (162173) 1999 JU3 S. Tachibana, et al. Geochemical Journal, vol. 48, pp. 571–587, 2014.