隼鳥2號：一帆風順抵“龍宮”

文/遲惑

日本是一個對航天探索非常積極的國家，在小行星探測這個問題上，雖然美國人的調門非常高，但實際上遠遠走在前面的卻是日本。早在本世紀初，日本就發射了隼鳥1號小行星探測器，歷經千辛萬苦，終于從糸川號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年前又發射了隼鳥2號小行星探測器。這次的目標不再是糸川，而是龍宮小行星。按計劃，它將通過“炮擊”的方式在“龍宮”實施采樣并返回地球（這一采樣方式將在后文詳述）。因為有前一次成功的經驗教訓，因此“隼鳥2號”的任務到目前為止執行得很是順利。2018年7月，“隼鳥2號”成功抵達了龍宮小行星附近，開始了科學探索任務。

或許是因為日本沒有載人航天能力，也或許是因為日本航天的調門不高，所以人們對這顆小行星以及隼鳥2號探測器的成績并不是太重視。在這里我們就把這個不應該受到忽視的探測器詳細介紹一下。

“龍宮”是顆什么小行星

▲ 龍宮小行星外觀

▲ “隼鳥2號”的外形

“龍宮”是一顆接近于正方形的C類小行星，編號是1999JU3。它的對角線長度大約是900米，有7小時38分的自轉周期。C類的意思是可能含有水合化合物，如果確認了這樣的推測，它們就能成為未來人類在宇宙中的水庫和養料庫?！褒垖m”的質量達到1.7×108～1.4×109噸，哪怕只有百萬分之一的含水量也能為人類提供百噸規模的水資源。這在宇宙中是極為寶貴的。

龍宮小行星是1999年5月由美國人發現和確認的。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)在為“隼鳥2號”選擇目標的時候。提出了幾個原則。第一，軌道必須在地球和火星之間，便于探測器的軌道控制。第二，自轉周期必須大于6小時，轉得太快的小行星不容易降落。第三，直徑在數百米級別，這樣采樣時容易瞄準。第四，用“隼鳥2號”攜帶的燃料能飛一個來回，所以這顆小行星的公轉軌道面和地球公轉軌道面的夾角不能太大，降低對變軌速度增量的需求。經過反復篩選，“龍宮”被確定為探測的對象。

按照JAXA的說法，“隼鳥2號”的具體任務有四項，分別是兩項科學任務和兩項工程任務。

其中，科學任務的第一項是研究太陽系演變過程中各種物質是如何變化的。在“龍宮”這樣的C型小行星上，人們可能會發現一些獨特的信息，尤其是礦物質水和有機物之間的相互關系。第二項科學任務是發現行星演變過程的秘密，這需要對“龍宮”的內部結構和淺地表物質進行研究。

工程上的兩項任務是：第一，“隼鳥1號”的基礎上進一步完善深空采樣返回技術，提高魯棒性、穩定性和可操作性。第二，驗證“小型便攜式沖擊器”技術。第二項聽起來讓人有點費解，我們會在后文中進行詳細的論述。

▲ “隼鳥2號”的離子發動機

全副武裝的“隼鳥2號”

和各種深空探測器一樣，“隼鳥2號”身上也裝滿了各式各樣、花里胡哨的設備。這并不僅僅因為JAXA秉承了日本人喜歡小而全的天性，更是因為向深空目標發射一顆探測器的機會實在是太難得了，不多搭載一些設備、多具備一些功能，實在是太浪費了。實際上，在各國的各種深空探測器上，都是能多塞一件設備就多塞一件設備的。

“隼鳥2號”的本體上帶有四臺科學儀器，分別是光學導航相機、激光高度計、紅外波譜儀和熱紅外相機。光學導航相機實際上是由三臺相機組成的。分別叫做ONC-T、ONC-W1、ONC-W2。ONC-T 的視場角是6.35°×6.35°，焦距為100米至無窮大，指向天底方向。ONC-W1、ONC-W2的視場角都是65.24°×65.24°，焦距都是1米至無窮遠。但ONC-W1指向天底方向，ONC-W2指向探測器的側面。光學導航相機的主要任務是拍攝宇宙中的星圖，與探測器電腦中存儲的星圖進行對比，從而確定自己的飛行方向。當接近“龍宮”小行星之后，它們還要從眾多天體中找到“龍宮”，指引探測器向著它飛行。

激光高度儀的工作波長為1.064微米，工作距離為30米至25000米。它在“隼鳥2號”上有兩個用途。首先是作為最后階段的精確導航設備，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衛星上的激光高度計很類似。

紅外波譜儀被稱為NIRS3，這就有些意思了。因為這種儀器的縮寫一般是NIRS，這個“3”字是從何而來的呢？根據JAXA的說法，3指的工作波段為1.8～3.2微米。這種選擇是因為羥基化合物和水分子在3微米上的反射信號最為強烈，因此這臺紅外波譜儀實際上是去找水的。

熱紅外相機，用來探查小行星的地質結構。小行星上沒有大氣層，因此晝夜溫差很大。沙質結構和中空巖石的溫度差大一些，高密度巖石小一些。通過對比晝夜的紅外圖像。就能了解小行星的地質結構。這項技術在“隼鳥1號”上已經得到了驗證，清晰地展示了糸川小行星的地質結構。

除了這么多的設備，“隼鳥2號”還攜帶了四個小型的著陸器。其中有三個圓的和一個方的。長方體著陸器是德國航天局和法國航天局聯合研制的。三個圓柱形著陸器中，有兩個是JAXA自己研制的，還有一個是多家日本大學聯合研制的。需要注意的是，這些著陸器沒有輪子也沒有腿，它們是靠特制機構來蹦跳的。關于它們，我們在后文還要詳細解讀。

用超大型天線保持聯系

深空探測器最怕的是什么事情呢？是動力不足嗎？是電力不夠嗎？是飛行時間太長嗎？都不是。它們最怕的事情就是失聯。

在茫茫宇宙當中，一個只有600多千克的探測器如果丟了，那是無論如何也別想再找回來了。因此，深空探測器上最重要的設備就是與地球聯系的天線。隼鳥2號探測器也是一樣，在它身上裝著三套通信設備，分別工作在X頻段和Ka頻段。其中X頻段上設置了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，據說這也是Ka頻段第一次用于深空探測。

“隼鳥2號”上攜帶了兩套推力裝置，一套是傳統的化學推力器，另一套就是在“隼鳥1號”飛行期間立下汗馬功勞的離子推進器。當然，即使攜帶了這么復雜的推力系統，要想憑借它們把609千克的“隼鳥2號”送到龍宮小行星附近也是很費力的。因此，JAXA設計了極其復雜的軌道，繞地球飛行的軌道上進行多次變軌。這樣復雜的變軌，憑借日本本土設置的測控站是無法完成的，因此JAXA協調了美國和歐洲的合作伙伴進行測控。

“隼鳥2號”總共動用了5套測控天線。主要測控工作在X頻段實施，日本本土臼田站的64米超大天線作為主站，日本內之浦站的34米天線、美國深空探測網的34米天線和70米天線、歐洲空間局的測控天線作為輔助站。這四套天線都具有收發功能，其中美國、歐洲的兩套系統具備8GHz和32GHz兩個頻段的接收能力。另外還有日本內之浦站的20米天線作為單收站。而Ka頻段測控能力只有美國深空探測網才具備，必須借用它。

在具體的測控站上，除了臼田站和內之浦站，還動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，美國的哥德爾斯頓站，阿根廷的Malargüe站。

日常的測控工作由臼田站執行。在重大操作時——比如炮轟“龍宮”和實際采樣的時候，要靠美國宇航局的深空網來實施，。

總體來說，與“隼鳥1號”相比，“隼鳥2號”在體積和重量上略微大了一點，功能卻強了很多。下表給出了主要參數的對比。

用太陽來吹一吹

“隼鳥2號”起飛后，進入了一條繞太陽公轉的軌道，公轉周期和地球大致相同。一年后的2015年12月3日，“隼鳥2號”再次與地球相遇，然后加速向前進，進入一條半長軸更大的公轉軌道，和“龍宮”的公轉軌道近似。在這個過程中，“隼鳥2號”一度回到地球公轉軌道附近。但那個時候地球并不在那里?！蚌励B2號”繼續公轉。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1號 隼鳥2號星體尺寸 1米×1.6米×1.1米 1米×1.6米×1.25米質量（含推進劑） 510千克 609千克發射年份與火箭 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）探測時長 3個月 計劃18個月采樣次數 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 計劃2020年年底

▲ “隼鳥2號”全球測控網組成

按照傳統方式，這個過程要消耗很多燃料。因此，“隼鳥2號”探測器還采用了一種腦洞很大的推進模式，稱為太陽帆模式。

早在2010年，JAXA就研制并且試驗了一種太陽帆飛行器。經過這次實踐，日本取得了關于太陽風壓推進的第一手經驗。在“隼鳥2號”飛行的某個階段，它的推進不是僅僅靠離子推進器來實現的，而是利用兩片太陽電池來當做真正意義上的風帆。

2015年3月27日，“隼鳥2號”成功進入了繞太陽公轉的軌道，太陽風吹拂在兩片太陽電池上。這時候，通過獨立調整這兩片太陽電池的角度，就能為“隼鳥2號”提供一定的控制力矩，地面控制人員關掉了4臺反作用飛輪中的3臺，只留下一臺繼續工作。這樣也可以節省飛輪的消耗，以備不時之需。這個工作狀態持續到了2015年5月7日。

到2015年9月6日，太陽正好處在“隼鳥2號”飛行方向的后面，于是太陽帆推進模式全開。這個階段一直持續到2016年8月3日，再次回到太陽帆姿態控制模式。

在“隼鳥2號”前往“龍宮”的兩年半旅程之中，太陽帆姿態控制模式可以運行9個月之多。這大大減少了飛輪的壽命消耗，也節省了推力器的燃料。

其實，太陽光壓對航天器姿態的影響一直為人們所熟知。在環繞地球運行的航天器上，太陽光壓是個擾動因素，對宇宙飛行來說就是另外一回事了。未來，能不能讓太陽風發揮更大的作用呢？能不能讓它成為星際飛行的主要動力呢？如果能夠制造出更輕、更薄的太陽電池來，或許就可以實現了。