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隼鸟2号就位!人类小行星采样返回任务即将展开

发布者: ufoman | 发布时间: 2018-6-29 10:49| 查看数: 520| 评论数: 0|帖子模式

  来源:科学大院
  原标题:隼鸟2号就位!人类小行星采样返回任务即将展开
  对绝大多数探测器来说,宇宙的旅程是一条不归路。
  然而,却有这样的一个探测器,在探索一片人类从未涉足过的陌生地带时,身体不幸受到巨大摧残,甚至一度和地面失去了联系。却能大难不死,在人类的帮助下,克服重重困难,一次一次绝处逢生,最后带着珍贵的小行星“丝川”样本返回地球。
  这只成就了不死鸟传奇的,是日本JAXA的“隼鸟”号(Hayabusa)小行星探测器。
  四年后,隼鸟号的继任——“隼鸟”2号小行星探测器再次扬帆起航,前往一个新的未知之地——小行星“龙宫(Ryugu)”。
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  隼鸟号和隼鸟2号探测目标天体时的假想图。(图片来源:池下章裕/MEF/JAXA・ISAS)

  日本宇宙航空研究开发机构宣布,当地时间6月27日9时35分(北京时间8时35分),隼鸟2号顺利抵达“龙宫”上空20千米处的预定观测点
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隼鸟2号的设计轨道。来源:JAXA

  隼鸟2号的重大改进
  隼鸟2号沿用隼鸟号已经验证的平台和技术,大小和重量比隼鸟号略大,这主要是多带了一些仪器。整体结构跟隼鸟号差不多,太阳能板、广角相机、激光高度计什么的都是常规操作,还是同样采用了4台离子推进发动机(但加强了推力)。
  但为了避免之前隼鸟号的各种意外的再次发生,隼鸟2号在方方面面都针对性地做出了许多重大改进。毕竟绝处逢生虽然刺激,但地球人毕竟心脏不太好…那样大起大落失而复得的经历,有一次就足够了,谁也不想再体验第二次了。
  隼鸟2号硬件上的主要改进有五点,无一不体现了日本人“小心驶得万年船”的谨慎性格…
  1)天线
  探测器和地球基站的联络主要靠探测器头顶那个大锅一样的抛物面天线,而隼鸟号最大的一次事故就是因为姿态失控失联了近两个月,因此隼鸟2号采用了双保险,头顶直接装了两个高增益天线。
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隼鸟号(左)和隼鸟2号(右)。(图片来源:JAXA)

  这两个高增益天线的频段不同,一个是X波段,专用于深空探测,另一个则是频率更高的Ka波段,两个波段彼此之间不会互相干扰,而地面的工作人员也可以更加高效地和隼鸟2号进行交流。另一方面,Ka波段通信带宽要明显高于X波段,地面下载数据的速度也会更快捷。
  2)测星仪

  古代的人们在没有地标的茫茫大海上航行时靠什么来识别方向呢?靠认星星。
  探测器在没有地标的茫茫宇宙里航行靠什么来识别方向呢?也是靠认星星。
  隼鸟号是用一个测星仪来自动追踪和对探测器的位置进行校准的,而隼鸟2号又加了一个测星仪。两个测星仪不仅可以单独测量星体位置,彼此之间还可以采用干涉测量,这极大地提高了隼鸟2号自己定位的精度和轨道调整的精确度,为隼鸟2号的搜寻目标小行星和返回地球提供了保障。
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红色部分是隼鸟2号两个测星仪的仪器盖,在太空中是没有这两个盖子的。(图片来源:JAXA)

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隼鸟号(左)和隼鸟2号(右)。(图片来源:JAXA)

  3)撞击器
  隼鸟号只采集到了小行星“丝川”表层的一些微粒,如何采集到小行星更深处的东西呢?
  于是隼鸟2号的底部携带了一枚小型撞击器SCI,这枚撞击器的作用就是狠狠砸向小行星,希望能将小行星内部的成分也砸出来(有点类似NASA深度撞击号的探测思路)。这次携带的撞击器非常之暴力,是一枚大号的高爆弹,主体由2.5公斤重铜质弹体和4.7公斤的炸药组成。撞击器将以2 km/s的高速撞向小行星表面,形成一个人造撞击坑。隼鸟2号将在这个新的撞击坑里着陆,探寻小行星内部的物质。
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隼鸟2号携带的撞击器。(图片来源:JAXA)

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  隼鸟2号扔下撞击器之后的假想图。隼鸟2号要赶紧飞离,以免被溅射物撞伤。(图片来源:池下章裕/JAXA)

  4)着陆器和巡视器数目增加
  隼鸟号携带了一枚约1斤重的微型巡视器Minerva,但因为地球上工作人员的操作失误,在过高的地方就释放了Minerva,而“丝川”自身的引力又非常小,因此在这个高度下释放的“Minerva”逃逸到了太空,着陆失败。
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隼鸟号(也叫MUSES-C)携带的卫星着陆器Minerva。(图片来源:JAXA)

  而这次,隼鸟2号估计吓着了,一口气带了一个着陆器(MASCOT)和三个巡视器(MINERVA-II1 ROVER 1A、ROVER 1B和MINERVA-II2 ROVER 2)…多带几个,保险~
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隼鸟2号携带的着陆器(左)和巡视器(右)。(图片来源:JAXA)

  其中着陆器MASCOT是由德国宇航中心DLR设计研制的,看DLR公布的模拟视频还是很腻害的,虽然没有轮子,但可以自主“翻身”“跳跃”,换地方观测。
  5)标记球的数量从3个增加到了5个
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隼鸟号(左)携带的3个标记球,隼鸟2号(右)携带5个标记球。来源:JAXA

  标记球是做什么用的?

  探测器降落的时候,到小行星的垂直距离很容易测量出来,但是探测器的水平移动却不方便测量,这时候要是小行星的地面有一座灯塔就好了,这个灵感启发了“隼鸟”家族的工程师们,探测器自己释放一个“灯塔”不就好了。
  因此隼鸟号携带了3个标记球来协助探测器降落,在每次着陆之前,隼鸟都会先释放一个标记球,标记球释放之后会反射探测器携带的闪光灯发出的光,就像一座“小型灯塔”一样为探测器指路,隼鸟由此得知自己的位置的变化,尤其是水平方向的位移。
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隼鸟号携带的3个标记球,上面是没点亮时的状态,下面是点亮时的状态。(图片来源:JAXA)

  由于隼鸟2号这次既需要释放更多着陆器和巡视器,还需要着陆…所以标记球得多带几个,毕竟是一次性的…
  除了这些外在的差异,最重大的内在差别,可能是隼鸟2号的自动和自主控制系统的升级。由于“隼鸟”家族的目的地距离地球都很远,远到光速也需要好几分钟,这样的话地面的隔空喊话会有几分钟延迟,因此鞭长莫及的工作人员索性就把主动权交给探测器自己了。
  当年的隼鸟号就是由于自身的控制系统不够完善:姿态失控;第一次尝试降落时,在不正确的高度释放了着陆器;降落和自动采集样本时的控制过程也出现了问题:两次接触小行星地面的过程中,收集装置都未能正常工作,实际收集到的尘埃只是降落时溅起的灰尘…以及失联…才让隼鸟号的探险之旅如此一波三折,惊心动魄。
  这些问题都是隼鸟2号需要杜绝和防范的,控制好自己的飞行姿态,自主进行着陆、采集和起飞的操作,这些都是隼鸟2号需要苦练的基本功。
  隼鸟2号出击
  2014年12月4日,带着地球的期望,隼鸟2号踏上了预计六年的旅程。
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携带隼鸟2号升空的H-IIA型火箭,种子岛宇航中心,(图片来源:JAXA)

  旅程伊始,隼鸟2号并没有急急忙忙地飞向目标小行星,而是先仔细做了一遍身体检查,确认自身状态健康。检查的重点,是负责探测器飞行功能的离子推进发动机和负责和地球通信的顺风耳Ka波段高增益天线及收发信道。
  历经4个月的测试后,2015年3月5日,隼鸟2号体检合格。正式开始了漫长的巡航之旅。

隼鸟2号的设计轨道。(图片来源:JAXA)

  2015年12月,发射一周年之后,地球和隼鸟2号都围绕太阳转了一圈,在最初的起点再一次相会。
  通过这次相会,隼鸟2号借助地球的引力进行助推,这可以节省燃料。
  此后隼鸟2号开始调整轨道,飞向小行星“龙宫”的轨道,开始了一场漫长的追逐赛。
  2018年6月3日,隼鸟2号追上了小行星“龙宫”,此时两者的距离仅有2600 km,相当于北京到昆明的路程。此时隼鸟2号不慌不忙地关闭了自己的离子推进发动机。这样的做法是有道理的,离子推进发动机的推力比较小,这么小的油门不适用于急刹车,于是隼鸟2号在到达终点前并没有冲刺,而是选择了关掉动力。
  即使没有动力,在巨大的惯性之下,隼鸟2号的速度也比飞机快得多,不过小行星“龙宫”也不落下风,因此隼鸟2号还需要一个月左右的时间来最终抵近“龙宫”。
  6月17日,隼鸟2号离小行星“龙宫”只有300 km左右的距离了,这个距离只相当于上海到南京的路程。
  6月22日,距离进一步缩短到了44 km,大约相当于北京地铁6号线或上海地铁9号线全程的长度了。
  按计划,在抵达小行星“龙宫”之后,地面的工作人员给隼鸟2号留了长达一年半的探访时间,这么长的时间应该是足够隼鸟2号完成工作,甚至偶尔出点问题罢工也应该不影响进度了。
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  隼鸟2号预计将在撞击器产生的撞击坑内降落并采集样本的假想图,旁边是一个标记球,(图片来源:JAXA)

  大约在2019年底,隼鸟2号将完成全部的工作,启程返回地球,返回地球的时间相对去程要快的多,只需要大约一年,预计2020年底,隼鸟2号将接近地球,并送上来自小行星“龙宫”的大礼包。
  龙宫,龙宫,原来你是这样的小行星!
  隼鸟2号计划探测的小行星“龙宫(Ryugu)”和隼鸟号探测的小行星“丝川(Itokawa)”有许多相似之处。
  例如:
  它们都是林肯近地小行星研究小组(LINEAR)发现的;
  它们体积都很小(直径不足1公里);
  它们都是近地小行星,更准确地说,都是近地小行星中的一支——阿波罗型(Apollo)小行星中的一颗。阿波罗型小行星轨道通常比较椭圆,既和小行星带相交,又和地球轨道相交(因此阿波罗小行星也是一类对地球最有潜在威胁的小行星)。也正因为如此,部分阿波罗型小行星接近地球的时候距离非常近,这些使得阿波罗型小行星成为相对容易探测的一类小行星。
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阿波罗型(Apollo)小行星的轨道。(图片来源:维基)

  甚至也和小行星“丝川”一样,小行星“龙宫”直到隼鸟2号发射都还没有一个正式的名字,只有一个临时编号1999 JU3。
  “龙宫”这个名字来源于日本民间故事《浦岛太郎》(うらしまたろう),故事里浦岛太郎被海龟带往海底龙宫,在龙宫受到了公主乙姬的热情款待,回到人间的时候带回了一个宝盒——寓意小行星采样返回任务隼鸟2号也能从小行星带回珍贵的信息。
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童书《浦岛太郎》的封面(图片来源:ポプラ出版社 (2018/3/6))

  这个名字的另一个意义在于,“龙宫”是一颗C型小行星,或者说是碳质小行星,这类小行星上有大量碳酸盐矿物——表明小行星上有着含量不低的水,也非常符合“海底龙宫”的意味。这点就和小行星“丝川”很不一样了,后者是一颗S型小行星,或者说岩质小行星,这类小行星上有大量硅酸盐矿物。
  之所以选择探测这颗小行星,也有这方面的原因。小行星不像行星和大型卫星一样经历过剧烈的地质和物理改造,可以认为还保留着原始太阳系的成分和信息;同时,C型小行星被认为是碳质球粒陨石母体,除了含有水之外,有些还富含有机物,而地球早期的水和生命,可能就是富含水和有机物的小行星和彗星的撞击带来的——也就是说,探测这样的小行星既这可以帮助人们了解太阳系早期的原始成分,说不定也可以帮助人们寻找到地球生命起源的线索。
  早在隼鸟2号抵达小行星“龙宫”之前,地球上的科学家们就已经对这颗小行星进行了尽可能细致的调查研究了。
  例如,通过光变观测,可以测量出“龙宫”的自转周期约为7.6个小时。原理非常简单:小天体(小行星和彗星)的形状通常是非常不规则的,所以自转过程中被光照到的表面积会不断变化,表面积大的面比表面积小的面更亮,通过亮度的周期性变化可以计算小天体的自转周期。
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  光变观测显示出的周期性变化可以推测小行星“龙宫”的自转周期约为7.6个小时。(图片来源:Kim et al。 (A&A, 2013))

  同样通过光变观测,可以估计出“龙宫”的大致长宽比,也就是形状,原理和测量周期是相似的。这个形状估计当然是非常粗糙的,但至少我们已经可以知道“龙宫”基本是个土豆块而不会是个细长条了。
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光变观测对小行星“龙宫”形状的估计。(图片来源:Müller et al。 (A&A, 2017))

  BUT,只知道形状(长宽比)是不够的!就算都是球形,乒乓球和足球差别也很大啊!所以我们还需要知道绝对大小,就是至少一个方向上的长度。
  这时候,相信有些小伙伴一定会心一笑了。什么嘛,不是都有光变亮度数据了么?直接就可以推算绝对大小啊。越亮的就越大嘛——表面积越大的,反射的阳光就越多,就越亮。
  那就太天真了。
  虽然我们知道“龙宫”距离太阳和地球的距离,也知道可见光亮度,但,我们并不知道“龙宫”自身的反照率,也就是它的表面反射光线的能力呀。
  这时候,我们就需要借助红外观测了。小行星被阳光照射之后发热,发出的红外光亮度也和小行星的大小直接相关。综合红外亮度和可见光亮度就可以推算小行星的大小和可见光的反照率。
  诸多观测红外观测显示,小行星“龙宫”直径约900米,反照率约0.05(也就是只能反射5%的入射光,所以“龙宫”看起来是非常暗的)。
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综合了大小和形状观测之后,我们知道龙宫大约长这样。(图片来源:JAXA)

  那么,现在探测器已经快飞到“龙宫”了,它实际长什么样呢?根据JAXA最新公布的隼鸟2号在距离小行星“龙宫”22公里处拍摄的照片,“龙宫”的高清照长这样,是不是还是挺像的?
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  隼鸟2号2018年6月26日拍摄的小行星“龙宫”。(图片来源:ONC项目组:JAXA、东京大学、高知大学、立教大学、名古屋大学、千叶工大、明治大学、会津大学、产业技术综合研究所)

  经过约3年半的长途飞行,日本隼鸟2号探测器已经于6月27日飞抵目标小行星“龙宫”,此时它距离地球约3亿千米。接下来,各种科学观测将有条不紊地展开,之前的各种粗略估算结果也将被一一验证。
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图片来源:JAXA

  隼鸟2号会发现一个怎样的“龙宫”呢?
  “龙宫”探宝的旅程会带回来什么呢?
  我们拭目以待。
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