太阳系新知:隼鸟2号的着陆囧旅

作者: 汪诘

来源: 科学有故事

发布日期: 2019-11-20 17:48:11

隼鸟2号是隼鸟号的升级版,经过3亿公里的长途跋涉,终于抵达了距离目标小行星“龙宫”20公里左右的地方。隼鸟2号在小行星“龙宫”上投射出一个小小的影子,并释放出一个标记球,为精确着陆提供了导航。最终,隼鸟2号成功着陆并采集到了小行星的深层物质,计划于2020年返回地球。

上一期我给你讲了隼鸟号的精彩故事,那个故事只要把真实的事情叙述出来,就是一部电影,连编剧都不需要了。今天,我要给你讲讲隼鸟号的升级版,隼鸟2号的旅程,故事依旧精彩。

2018年6月27日,地球上的夏至刚刚过去。位于日本神奈川的JAXA宇宙科学研究所的控制室内,隼鸟2号项目的总负责人津田雄一,与他的600位同事们,正焦急地等待着什么。没错,这个时刻到来了!在发射后的1302天,隼鸟2号经过3亿公里的长途跋涉,终于抵达了距离目标小行星“龙宫”20公里左右的地方,并且与小行星保持了相对静止。

这一刻,控制室内立刻爆发出热烈的掌声,研究人员们欢呼雀跃——4年的等待终于没有白费!很快,隼鸟2号就传来了第一套珍贵的“龙宫”特写照片。可是,令人万万没有想到的是,当小行星龙宫的地貌逐渐显现出来后,笑容在43岁的津田雄一脸上凝固了。他怎么也没有想到,“龙宫”竟然是这个形状,因为他心里最清楚,龙宫这张令人吃惊的“麻脸”,或许会引发灾难性的后果……

那么,“龙宫”到底长什么样呢?为什么小行星的“颜值”对着陆如此至关重要?隼鸟2号到底有没有顺利着陆呢?咱们书归正传,从头讲起。让我们先来认识一下隼鸟2号。基于隼鸟号的教训,隼鸟2号做出了一些针对性的改进:第一个重要改进就是姿态控制系统。隼鸟号有三个用于姿态控制的反作用轮,但在第一次着陆前就坏了两个。隼鸟2号增加了一个反作用轮,并且尽量少地去使用它们。

另一个重要改进是燃料和氧化剂管道的走线。

隼鸟号有两种走线管道,但遇到问题时都不管用,在第二次着陆后,发生了可怕的燃料泄漏。所以,隼鸟2号的化学推进系统进行了优化,具体方式有改进阀门清洗方法和气密性试验、减少焊接位置、审查焊接程序等。隼鸟2号还改进了离子发动机。隼鸟号有4个离子发动机,在任务的最后,它们老化严重,坏的坏,伤的伤,最后勉强才拼凑出一个好用的。

所以,隼鸟2号用等离子体保护放电器的内壁,并且通过加强磁场来降低电子发射所需的电压,来延长发动机的使用寿命,引擎的推力水平也增加了20%左右。

我们再来看一下这次隼鸟2号探测的目标——小行星“龙宫”。“龙宫”小行星,1999年被发现,位于地球和火星之间。龙宫这个名字和隼鸟号拜访的丝川一样,都是日本决定对它进行探索后再起的名字。这个名字,来源于日本民俗故事——《浦岛太郎》。

在故事中,渔民浦岛太郎救了一只乌龟,乌龟为了报恩,将他带到了水下的“龙宫”。浦岛太郎爱上了一位恳求他留下来的公主,三天之后,他希望回到水面。作为一份离别礼物,公主给了他一个盒子,告诉他永远不要打开。回到家后,浦岛太郎震惊地发现300年过去了,他认识的每个人都已经死了。在困惑中,他打开盒子,立刻被一团白雾笼罩。当雾消失后,他发现自己变成了一个老人,因为盒子里有他的过去。

不知道大家能不能从这个故事中听出龙宫的寓意。在故事中,浦岛太郎在“龙宫”的盒子里找到了他丢失的过去,而隼鸟2号的目的,也是取得小行星“龙宫”的碎片,并带回地球,希望从中获取太阳系最初的信息。“龙宫”是一颗C型小行星,比隼鸟号探索的“丝川”更加原始,像一颗“时间胶囊”,了解小行星上的物质构成有助于我们更加了解地球和生命的起源。

由此可见,“龙宫”绝对是被寄予厚望的。

那么,在出发之前,隼鸟2号研究团队对“龙宫”了解多少呢?通过红外观测,研究团队知道了“龙宫”的直径约为900米,表面积有9个足球场那么大,大致呈球形。它的反射率很低,仅有0.05,就像一个圆不隆冬的黑色土豆。4年中,隼鸟2号不断传回照片,但始终都像打着马赛克,不见庐山真面目。于是,就有了文章开头的那一幕。

当隼鸟2号距离“龙宫”仅20公里,拍下第一张特写近照时,研究人员还真被被吓了一跳——谁都没想到,“龙宫”不是预想中的球形,而更像一个奇异的算盘珠,更可怕的是,“龙宫”有一张麻子脸,上面密密麻麻,满是凹凸不平的岩石。

为了弄清岩石数量,项目团队用绿色标记出大小在8-10米间的岩石。这是一张让人忍不住犯密集恐惧症的图片——到底都是星星点点,荧荧的绿色。

这些岩石的分布事关隼鸟2号任务的成败,因为隼鸟2号的着陆条件很严格,着陆点必须满足以下几点要求:1. 表面的倾斜度平均在30度以内。着陆时,隼鸟2号的太阳能电池板需要与“龙宫”表面平行。如果着陆点部分倾斜,则航天器的姿态也将倾斜,进入太阳能电池的太阳光会减弱。2. 应有一个直径约100米的平坦区域。隼鸟2号自主着陆时,导航制导系统的精度估计约为±50米。

因此,为了安全着地,必须具有直径约100米的平坦区域。3. 周围的巨石高度不高于50厘米。隼鸟2号的下端,有一个从表面收集材料的采样器喇叭,长度约为1米。因此,当采样器喇叭的尖端在地面上时,希望巨石的高度为50厘米或更小,否则就会有“触礁”的危险。4. 表面温度低于97℃。接地点的温度必须低于此极限,以防止由于地面热量导致太空船上安装的设备因过热而失效。

因此,岩石遍布的“龙宫”有一个致命的问题:它不满足着陆条件中的第二点——无法提供一个直径约100米的平坦区域。别说100米了,甚至连一块直径为20米的平坦区域都难以找到。再回看隼鸟2号,它长1米,宽1.6米,高1.25米。两边的两个大翅膀——太阳能板,长6米,宽4.23米。这个大小相对于龙宫的“岩石丛林”来说,就显得太大了,所以,着陆龙宫最大的难题就是如何才能找到一个“落脚点”呢?

不过,好在天无绝人之路——隼鸟2号导航制导系统的精度是可以提高的,现在是±50米,通过练习,或许可以达到±20米,甚至±10米。于是,隼鸟2号项目团队兵分两路:第一路,通过不断测试来提高着陆精度;第二路,仔细研究“龙宫”的地形,努力找出一块适合的着陆地点。2018年8月17日,行动正式开始了。

隼鸟团队在分析了各种地点的巨石分布图之后,把岩石数量较少的L08确定为隼鸟2号着陆点的第一备选,L07和M04作为后备选项。名称“L”和“M”指的是低纬度(L)和中纬度(M)位置。

这里我要特别说明一下,隼鸟2号还有两个小型的附属设备,一个叫小型巡视器,一个叫着陆器,它们俩就像是隼鸟2号派出的侦察兵,可以提前在小行星上着陆,为隼鸟2号提供更精确的数据。9月21日,小型巡视器顺利着陆。

10月3日,着陆器顺利着陆。小任务的接连成功,所有人都震奋不已,暂时从着陆困难的阴霾中走出。而很快,又传来好消息——在隼鸟2号项目团队的努力下,着陆范围再一次缩小,圈画出了石块较少的L08-B区。正当大家以为万事大吉,隼鸟2号着陆无忧时,意外却又发生了。

隼鸟2号团队突然宣布:将原定于2018年10月底着陆的计划,推迟到2019年1月以后。

在10月10日的新闻发布会上,研究人员无奈地说:“龙宫开始对我们张牙舞爪了。”这个消息非常的突兀,因为从隼鸟2号的官方推特来看,简直完全没有道理,前一篇推特还是一切顺利,怎么就突然推迟了呢?还一下子就推迟了3个月?隼鸟团队官方给出的两个原因是:一是为了通过现有的数据,更好地了解龙宫的地表条件;二是为了增加隼鸟2号的导航精度。

其实,导致计划推迟的导火索,是一个月前的测试中发生的意外。

一个月前,隼鸟2号在降落到600米处时,自动停止了下落,并且突然和地面失去了联系。地面的研究人员除了等待,毫无办法,等信号恢复后,竟然发现隼鸟2号已经自动返回了20公里处。这到底是怎么回事儿呢?隼鸟2号失联、自主攀升的行为看似诡异,但原因非常简单,甚至有点好笑——都是因为龙宫太黑了!别忘了,“龙宫”的反射率只有0.05,在漆黑的宇宙背景下,就像黑人掉进煤堆里一样,很难找到。

而隼鸟2号是通过激光来测定距离的,如果龙宫太黑,光反射不回来,探测器无法获取高度,为了躲避风险,就会自动上升。2018年10月3日,着陆器的官方推特曾经有过这样一条推文是这么写的:“哇!龙宫是如此黑,我无法定位自己。我不得不使用我的摇臂重新定位,所以我可以继续收集科学数据……现在好多了!”这次意外暴露出一个关键问题:隼鸟2号激光测距的定位方法,面对漆黑的“龙宫”有时会失效。

有没有一种更好的定位方法呢?不妨想一想,如果一个黑人掉入煤堆,如何让他迅速被认出?很简单:咧嘴一笑,露出白牙。隼鸟2号精准定位的关键就在于:要在“龙宫”上布置一颗“白牙”,也就是释放会发亮的标记球。隼鸟2号只要瞄准“白牙”,就能被精准地引导了。这个设想很好,但实际操作起来,导航精度能否达到要求呢?这需要谨慎的实验来验证。于是,隼鸟团队进行了两次“排练”。

这次,命运向隼鸟2号团队露出了微笑,两次排练都进行得非常顺利。

10月25日,隼鸟2号利用LRF(激光测距)的方法,自动下降并悬停在L08-B区上空,在“龙宫”上投射出一个小小的影子。然后,像是母鸡下蛋一样,一个圆圆的球体,也就是标记球,从隼鸟2号底部释放出来,直直地落在“龙宫”上,滚动了几米。标记球是用逆向反射材料制作的,能够反射出太阳光,形成一个亮晶晶的光点,虽然只有10厘米大小,却是“龙宫”上导航的灯塔。

这一天,隼鸟2号项目团队兴奋地在推特上写道:“这个结果取得了巨大的成功!”现在,隼鸟2号成功着陆的一个重要条件:导航定位,已经顺利满足。但是,隼鸟2号依然面临一个大难题,符合要求的着陆地点还是没找到。虽然经过几轮测试和练习后,导航的准确度已经提升到了±15米,也就是说,符合要求的平坦区域已经缩小到了30米。但问题是,L08-B的直径仅为约20米。

幸运的是,这个棘手的问题,也刚好被10月25日释放的“灯塔”解决了。原来,“灯塔”的存在,为隼鸟2号提供了一种“精确触地”的方法,把最终的导航精度提高到了±2.7米,换句话说,20米的直径的空间绰绰有余了。最终,隼鸟2号选择了离目标标记较近的L08-E1区。这里比L08-B区狭窄,宽度为6米,刚刚满足隼鸟2号现在的导航精度!

项目团队说:“虽然这个区域的大小只是勉强够用,但我们会尝试在这里触地得分。”终于,在小小一颗标记球的帮助下,所有难题迎刃而解,隼鸟2号已准备就绪,可以迎接最后的光辉时刻了。2019年2月6日,隼鸟2号团队在日本宇宙航空研究开发机构东京办事处举行了新闻发布会,向全世界宣布:触地时间定在2月21日,着陆位置为L08-E1。整个过程都没有地面干预,只能靠隼鸟2号自己。

2月21日,东京时间下午13点45分开始,隼鸟2号以0.9米/秒的速度下降。在下降到距“龙宫”40米处时,它“看到了”标记球,缓慢地移动过去。突然,它停下了,原来,这附近有一块2米高的岩石。隼鸟2号不得不继续调整自己的姿态。终于,它避开了所有大型岩石,准确到达了着陆地点的上空,就像猎人锁定了猎物一样,非常耐心地一点一点接近目标。

就这样,下降一直持续到第二天上午7点29分,隼鸟2号的底端抵达了“龙宫”,仅轻轻的一触,便迅速弹起,激起碎石飞舞。渐渐的,在“龙宫”上投下的阴影越来越小,它又优雅地重新回到上空。与隼鸟号的设计一样,所谓的“着陆”,其实就是蜻蜓点水般的轻轻碰一下。在隼鸟2号底部,有一个长长的、筒状的东西,名为“取样喇叭”。

在它的顶端接触小行星表面的瞬间,它会发射子弹,在“龙宫”的表面激起碎片,这些碎片会被取样喇叭收集起来。整个过程复杂且迅速,仅在几秒中之内便能完成,之后立刻转为上升状态。这精彩的瞬间被称为“触地得分”。

由于信号延迟,几分钟后,地面上的隼鸟2号项目团队才接到“着陆”成功的信号。一时间,控制室响起一片热烈的掌声,人们高声欢呼,互相拥抱,总负责人津田雄一更是忍不住流下了激动的泪水。

然而,着陆的成功只是一个开始。2个月后,2019年4月5日,隼鸟2号向小行星龙宫表面发射了携带9.5公斤炸药的撞击器——SCI,在爆炸的巨大威力下,小行星地下岩石喷涌而出。撞击器给龙宫表面制造了一个人工撞击坑,炸出了小行星的深层物质。

又3个月后,2019年7月11日,隼鸟2号二度成功登陆小行星“龙宫”,采集到了上次炸出来的地下岩石标本。在我们欢度国庆节期间的10月3日,官方宣布,隼鸟2号成功完成了小行星漫游车的释放任务。至此,隼鸟2号的小行星考察任务全部完成,将于11月或12月启程返航。

看起来一切都很顺利。但是,请各位听众千万别忘了,太空探索充满了不确定性和意外。隼鸟2号计划于2020年返回地球。

在没有拿到最终的样品前,隼鸟2号的任务都有可能因为任何微小的失误而前功尽弃。因此,隼鸟2号的团队丝毫不能大意,现在依然是他们最为紧张的时候。让我们一起期待隼鸟2号的归来吧。或许你不喜欢日本,也不愿意看到日本在太空探索领域与我国有得一拼,但这一刻,我还是希望你暂时放下民族感情,这毕竟是代表全人类的太空探索事业,他们在太空探索领域取得的成果是属于全人类的。

将来总有一天,人类要向宇宙社会展示我们的文明史,当我们面对外星文明时,我们一定会说:人类,而不是美国人,于1969年7月20日登上月球;人类探测器,而不是中国探测器,于2019年1月3号成功登陆月球背面;人类探测器,于某年某月某日,第二次将小行星物质带回地球。科学是属于全人类的壮丽事业,任何科学成就在放到宇宙的大背景下,它都是属于全体人类文明的成就。

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