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隼鳥與小行星——日本的深空探測計劃

引言

遊隼是捕獵時俯衝速度最快鳥類之一,它能以超過秒速百米及極大的過載撞擊獵物將其撕裂,是最為兇悍的猛禽之一。

日本深空探測活動以小行星為主。雖然日本在深空探測領域起步較晚,深空探測計劃直至20世紀末才正式啟動,但是他們在細分領域上幾乎走在了最前列——完成了小行星採樣返回的壯舉。按計劃,日本的首個小行星探測器僅在小行星着落一秒就隨即帶着樣本離開。2003年,日本飛行力學專家上杉邦憲和川口淳一郎認為探測器採樣迅速,就像遊隼抓取獵物一樣,提議將飛船命名為「隼鳥」,隼鳥與小行星的傳奇故事就此開始。

小行星探測近年來已成為主要航天國家的深空探測的目標之一。2013年,ISECG 發佈《全球探索路線圖》,明確提出了小天體探測的主要任務:驗證創新的外層空間探索技術和能力;加深理解太陽系自然天體的演變和生命演進;測試用於抵禦來自近地小行星風險的方法[1]。小行星和彗星等太陽系小天體被認為是太陽系初期的遺留物質,對它們的研究可以為行星的起源、太陽系的演變和生命的起源等基礎科學研究提供重要線索。圍繞小天體,科學家們提出了「有機物的起源、水的分佈和起源、近地小行星的碰撞威脅、動力學的形成和演化」等前沿科學問題[2]。小天體探測對人類的重要性不言而喻。

與令人激動的月球探測任務、火星探測任務和載人航天任務相比,小行星探測並沒有引起公眾的廣泛關注。在中文資料中,對日本小行星探測計劃的介紹也少且不詳。我的這篇報吿將以小行星探索的佼佼者 JAXA 的任務為主線,希望能介紹這項同樣有意義、且同樣具有魅力的宇宙探索活動。

小天體探測歷程與計劃

世界小天體探測史

最初,人類利用地基望遠鏡對小行星進行觀測和研究只能獲得基本的軌道參數和基礎物理特性,對小行星的內部結構、物質組成、引力場等幾乎一無所知。得益於航天技術的發展,人們在上世紀70年代開始能對小天體近距離觀測。

從探測的歷史來看,人類對小行星的探測主要有近距離飛越、小行星繞飛探測、附着就位探測和採樣返回4個階段。

NASA於1989年發射的 Galileo 在飛往木星的途中分別於1991年和1993年探測了兩顆小行星,1991年 Galileo 飛掠小行星 951 Gaspra 時拍下了人類首張清晰的小行星照片。

小行星 951 Gaspra

NASA在 1996年發射的 NEAR Shoemaker ,在1999年嘗試繞飛觀測小行星 433 Eros,但由於軟件於通訊問題失敗,最終為飛掠;2001年 NEAR Shoemaker 成功環繞小行星 433 Eros,隨後軟着陸,成為人類第一個軟着陸在小行星上的探測器。

小行星 433 Eros

NASA 於1999年發射的 Stardust 首次完成了從彗星採樣返回的任務。

日本JAXA的隼鳥號(はやぶさ)於2003年發射,經過7年的長途旅行最終到達小行星糸川,完成了人類史上首次小行星採樣返回,將1500餘粒小行星塵粒樣本帶回地球。小行星糸川是一顆直徑500米的近地小行星,被認為對地球安全有潛在威脅性。

隼鳥號渲染圖

日本小行星探測計劃

1985年6月時任ISAS教授鶴田浩一郎主辦「小行星採樣返回小研究會」,構想20世紀90年代通過化學推進的方式對一顆阿莫爾型小行星探測並採樣返回,但由於當時日本尚未有滿足任務所需性能的火箭,計劃未正式提出。1986年日本首個深空探測器彗星號(すいせい)成功發射後,小行星探測計劃被提上日程。

M-V運載火箭誕生後,1989年秋至1990年春的宇宙裏學委員會決定小行星探測器作為 M-V 2號機的載荷發射。但由於同箭發射的 LUNAR-A 月球探測器開發進度落後,任務取消。

1995年8月宇宙開發委員會認可小行星採樣返回項目,計劃正式開始,目標小行星4660 海神星。後考慮到M-V運載火箭的運載能力,探測器很難飛達海神星,遂將探測目標改為第二候補小行星10302。但由於2000年2月M-V火箭4號的發射失敗,探測器的發射再度延期,並將目的地再度更變為小行星1998SF36,即後來的小行星糸川(イトカワ)。小行星糸川的名稱來自於日本宇宙開發之父糸川英夫。

2003年5月9日13時29分25秒,M-V運載火箭5號機搭載小行星探測器隼鳥於內之浦宇宙空間觀測所發射。2005年7月29日,隼鳥號發現小行星糸川。

小行星糸川全貌圖,JAXA

31日,X軸姿勢控制裝置故障無法使用,改由化學燃料輔助助推器與剩下兩個姿勢控制裝置聯合使用。8月28日,接近小行星糸川,關閉發動機。9月2日,探測器與糸川交匯。11月隼鳥號經歷數次軌道調整,於11月12日進行降下預演,同時釋放出刻有88萬人的名字的目標標定球和探測器MINERVA,但可能對該小行星引力場的估計誤差而失敗,沒能着陸於小行星上。11月20日,首次着陸失敗。11月26日,成功着陸,在着陸1秒後即完成採樣並離開。2007年4月25日開始返回地球,2010年6月13日到達地球重返大氣層,翌日完成了樣品倉的回收。至此,隼鳥長達7年的宇宙之旅結束,人類完成了第一次小行星採樣返回。

2012年1月,隼鳥2號開始籌備。2014年9月,隼鳥2號完成製造,轉運到種子島宇宙中心,並於當年12月3日由H-IIA火箭發射。

隼鳥2號模型

隼鳥2號發射

5日,隼鳥2號順利與火箭主體分離,後續伸展太陽能面板,前往目的地小行星 162173 龍宮(リュウグウ)。2018年2月,隼鳥2號成功拍攝到樣貌清晰的龍宮。

隼鳥2號拍攝到的小行星龍宮的照片,JAXA

6月,隼鳥2號抵達龍宮上空。2018年10月3日,隼鳥2號龍宮投放「小行星地表探測車(MASCOT)」,以觀測小行星地表情況。2019年2月22日,隼鳥2號成功登陸小行星龍宮,並於4月5日向龍宮地標發射大量金屬彈丸,人類首次以發射金屬彈到形式人工製造出隕石坑,獲取小行星地下岩石。7月11日,再度着落龍宮,成功登陸隕石坑附近,採集了地表下到岩石樣本。2019年10月,隼鳥2號投放重力探測機械人到龍宮表面。11月13日,正式啟程返回地球。2020年12月5日,隼鳥2號在預定軌道分離回收艙,回收艙於次日降落在澳洲,隼鳥2號則重新啟程,飛往小行星1998 KY26。隼鳥2號共帶回了5.4克的小行星沙土樣本。

隼鳥2號返回艙的複製品

當前,日本正在繼續開發隼鳥的後繼者們。日本計劃於2024年發射新的探測器 Destiny+,計劃飛越多個包括小行星在內的近地天體,探索宇宙塵埃的起源。目標探索D-型小行星的隼鳥MkⅡ/馬可波羅號(はやぶさMk2/マルコ・ポーロ)正在與歐洲航天局聯合開發中。計劃同時探索D-型小行星和P-型小行星的隼鳥X(はやぶさX)也在開發中。

隼鳥系列的設計與任務目標

隼鳥號

隼鳥號質量 510 公斤,尺寸 1 m x 1.6 m x 2 m,太陽能板展開時全長 5.7 m。任務時長原規劃為4年,但因為發生故障意外而延長至7年。在動力方面,隼鳥號搭載了4台μ10型離子助推器。

隼鳥號攜帶的主要科學儀器有主要儀器有:

  • 可見光譜成相儀(AMICA)
  • 遠距光學導航相機(ONC-T)
  • 廣角光學導航相機(ONC-W)
  • 光學雷達(LIDAR)
  • 近紅外線光譜儀(NIRS)
  • X射線光譜儀(XRS)
  • 目標標定球(Target Marker, TM)
  • 採樣裝置(Sampler Horn)

隼鳥號的主要任務目標有離子發動機推進試驗、離子發動機長期連續稼動實驗、利用離子發動機達成地球重力助推、自律飛行控制接近微小而不會有重力產生的小行星、小行星科學觀測、從小行星進行樣本採取行動、樣品艙重返大氣層並進行回收和小行星樣本回收八項。除了採樣行動中採集用彈丸沒能成功發射以外,其他全部目標均達成[3]

隼鳥2號

隼鳥2號質量 609 公斤,尺寸 1 m x 1.6 m x 1.25 m,太陽能板展開時全長 6 m。隼鳥2號設計壽命7年,截止2022年12月,隼鳥2號已經運作了8年,目前仍在繼續工作中,其中已完成的主任務運作6年4天,延伸任務仍在進行中。在動力方面,隼鳥2號搭載了4台改良型的μ10型離子助推器。

隼鳥號攜帶的主要科學儀器有主要儀器有:

  • 遠距光學導航相機(ONC-T)
  • 廣角光學導航相機(ONC-W1 和 ONC-W2)
  • 近紅外線光譜儀(NIRS)
  • 熱紅外相機(TIR)
  • 光學雷達(LIDAR)
  • 採樣裝置 (SMP)
  • 小型隨身撞擊器 (SCI)
  • 可展開相機 (DCAM3)
  • 四台漫遊車(MASCOT、Rover-1A、Rover-1B、Rover-2)

隼鳥2號儀器盤點

與之前的隼鳥號任務相比,隼鳥2號具有改進過的離子發動機、導航技術、天線和姿態控制系統。此次,採樣用的金屬彈丸也被成功發射。

小行星龍宮是一顆原始的C-型近地小行星。C-型小行星被認為保存着太陽系中最原始的、未受污染的材料,是礦物、冰和有機化合物相互作用的混合物。研究它有望為內行星的起源和演變特別是地球上水和有機化合物的起源提供更多的依據,有助於我們探尋生命的起源[4]

隼鳥2號的任務目標是採集到三個目標:

  • 採集並帶回含水物質樣本
  • 找到並帶回水文改變地貌的證據
  • 挖掘並帶回小行星地下岩石

最終,隼鳥2號成功帶回了地下的岩石,帶回的樣本中也發現了含有有機物的液態水。

隼鳥系列的成果

隼鳥號帶來了來自小行星的樣本,這是人類首次實現小行星採樣返回。研究揭示,與地球上已知的岩石類型相比,隼鳥號帶回的小行星樣本成分更類似於隕石,還在樣本中發現了輝石、橄欖石、斜長石、硫化鐵等礦物。

隼鳥2號在人類史上首次實現了小型探測機械人在小天體表面的移動探測、多個探測機械人在小天體上的投放、實現60cm的超高着陸精度、在一次任務中在同一天體兩個地點各着陸一次、獲取地球圈外天體地下物質等,還首次帶回了來自地球圈外的氣體樣品。

隼鳥2號帶回的樣品中發現了含有有機物的液態水,對研究地球早期形成、生命的起源也有重大意義。目前帶回的樣本仍在分析中。

結束語

小行星探測着眼於探索宇宙的起源和演化、物質結構等重大基礎前沿科學問題,還包含諸如資源開發、小行星撞擊等公眾關心的問題,已成為深空探測的一個熱點。它對於開闢新的領域、揭示生命起源、促進技術進步、開發自然資源、保護地球生態都有意義。

小行星探測面臨着各方面的挑戰。小行星為微引力環境,逃逸速度很低,且人類對小行星的認識很有限,難以在探測器到達前獲取較為準確的數據。無論是降落的精度控制、在弱引力環境下的樣本採集還是在惡劣環境中的長時間發動機運作都面臨諸多技術挑戰。

小行星探測雖然沒有受到如火星、月球任務般的高關注度,但也同樣具有魅力和探究價值。我國也曾在「嫦娥2號」任務中開展對小行星的飛掠,而我們也可以開展小行星探測方面的國際合作。

參考文獻

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

[2] 張榮橋,黃江川,赫榮偉,等. 小行星探測發展綜述[J]. 深空探測學報,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.

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