“隼鸟2号”快到“龙宫”了 将在小行星采样返回

2018-07-04 09:24 来源:北京日报 
2018-07-04 09:24:58来源:北京日报作者:责任编辑:白璐

  “隼鸟2号”小行星探测器接近“龙宫”想象图

  在博物馆中展出的“隼鸟号”样品回送舱

  “隼鸟号”小行星探测器

  李会超

  新闻背景

  今年6月30日,全世界迎来了第一个由联合国确定的“国际小行星日”。而正在太空中飞行的日本探测器“隼鸟2号”,为这个纪念日送出了一份特殊的贺礼。经过三年半时间的飞行,它终于接近了科学家们为它设定的探测目标——“龙宫”小行星。在距离龙宫小行星1500公里的位置上,“隼鸟2号”传回了龙宫小行星一张比较清晰的图片。

  按照计划,“隼鸟2号”将在龙宫小行星上着陆,采集小行星上的岩石样本并带回地球,为科学家们提供最鲜活的研究素材。

  小行星探测成为航天新热点

  小行星是围绕太阳运行的一类天体。与地球、火星这样的大行星相比,小行星的体积相当小。在目前已经发现的约74万颗小行星中,最大的小行星谷神星的直径只有约1000公里,大约相当于地球的十三分之一,而大部分小行星的直径均在10公里以下。小行星可能出现的位置从地球轨道内侧一直延伸到太阳系的边缘,但绝大部分小行星分布在火星和木星轨道之间的小行星带中。有些小行星可能在运行过程中到达距离地球相当近的位置,存在潜在的与地球相撞可能,这类小行星被称为“近地小行星”。国际上有许多机构在对它们进行严密监控,并制定了小行星与地球可能相撞时的应对方案。

  像大行星一样,小行星本身不发光,但天文学家们可以通过观测它们反射的太阳辐射来推测小行星的性质。小行星研究的一个重要参数是反照率,即小行星可以把多大比例的太阳辐射反射出去。反照率与小行星的成分和表面结构等性质有关,可以使天文学家们获取关于小行星的一些信息。随着光谱观测技术的发展,天文学家们还可以从小行星反射的光线中分辨出哪些波段的反射比其他波段更强,进而根据这些光谱特征进一步精确推断小行星的成分。根据反照率和光谱信息,一般将小行星划分为C型、S型和X型三类。其中C型小行星的反照率较小,富含碳质和有机成分,其数量约占已发现小行星数的75%。S型小行星主要成分为硅酸盐,其数量大概占已发现小行星数量的17%。而X型的小行星则包含其他光谱特征相似的小行星。

  目前的理论认为,小行星和太阳系的其他天体是在同一时期形成的。在46亿年前的太阳系形成早期,固体物质不断从太阳系中凝聚出来,形成行星子。有些行星子被大行星捕获,成为大行星的一部分,有些则不断增长形成小行星。因此,小行星的探测可以使我们更清楚地了解太阳系起源的奥秘。此外,有理论认为,地球上构成生命的化学物质是由小行星产生的陨石和彗星、宇宙尘埃带入地球的,探测小行星还有助于进一步搞清地球生命起源的问题。更有人认为,有些小行星富含地球缺乏的珍贵矿产资源,因此一些国家已经启动小行星采矿计划。

  1991年,探测木星的“伽利略号”飞船在途中飞掠探测了GASPRA小行星,进行了航天器对小行星的首次探测。1996年2月,美国NEAR探测器则飞抵433号小行星“爱神星”,进行了环绕和着陆探测,测量了爱神星的大小、形状、质量分布、磁场、化学成分和矿物质分布等特征。而日本的“隼鸟号”探测器,则把小行星探测带入了取样返回探测的新阶段。

  “隼鸟号”惊魂旅行带回糸川小行星样本

  长久以来,科学家们一直试图搞清地球上收集到的陨石和小行星之间的联系,希望能确定每一类陨石是来自哪一类小行星。一旦这种关系建立,在地球上能够收集到的陨石就为小行星研究提供了更丰富的样本。如果使用太空探测器环绕小行星探测,由于距离小行星表面的距离还相对较大,观测数据精度不够,不能准确确定小行星表面的矿物组成和化学成分。而如果发射探测器在小行星表面登陆,采集样品后返回地球,科学家们就能够使用高精度的分析仪器对样本进行分析,从而揭示小行星与陨石间的联系。为了完成这个科学目标,日本航天局设计制造了“隼鸟号”探测器,在一波三折之后终于取回了糸川小行星上的样品,完成了人类首次从小行星上采样返回的航天任务。

  糸川小行星是一颗外形与土豆类似的S型小行星,长约500米,运行于地球和火星之间的椭圆轨道上,在环绕太阳的过程中要穿越地球轨道。2003年5月9日,“隼鸟号”由日本鹿儿岛航天中心发射升空后,先进行了环绕太阳2周的飞行,之后与地球再次相遇,利用地球的引力弹弓效应进入一条弧形轨道中,逐渐接近糸川小行星。

  “隼鸟号”是第一艘采用微波放电离子电推技术发动机的探测器。这种发动机工作的能量来自于电能,相比使用化学能的传统航天发动机,这种发动机可以使用较少的推进剂实现变轨目的。但由于瞬时输出的推力较低,这种发动机必须在飞船飞行过程中持续工作。然而,2003年10月到11月,太阳上产生了一系列强度罕见的爆发现象,对“隼鸟号”上负责发电的太阳能帆板造成了损害,离子发动机得不到充足的供电,因而“隼鸟号”在糸川小行星上的登陆时间不得不推迟了两个月。

  随着与糸川小行星的接近,“隼鸟号”上负责控制姿态的两个反作用轮相继出现故障,不得不依靠仅剩的一个反作用轮和两台发动机来勉强维持姿态,给在小行星上着陆增加了困难。2005年11月12日,在科学家们向“隼鸟号”发出投放“智慧女神”微型着陆器指令的同时,“隼鸟号”发现自己距离糸川表面仅有44米,自动启动了高度维持功能并开始上升。这个巧合使得“智慧女神”的投放高度过高,未能被小行星微弱的重力场捕获,失控飞入了茫茫太空中。好在这并不影响“隼鸟号”执行取样任务。按照计划,“隼鸟号”在小行星上软着陆后,将向小行星发射一颗弹丸,收集弹丸击中小行星后扬起的尘埃来取回样品。然而,在11月20日开始的两次登陆尝试中,“隼鸟号”频繁发生与地球的间歇性失联,使控制人员很难掌握它的工作状况。科学家们只知道“隼鸟号”的确着陆在了小行星表面,但并不能确认发射弹丸的装置是否正常工作,“隼鸟号”是否收集到了小行星样品。随后,“隼鸟号”上发生了燃料泄漏事故,导致其姿态失控并与地球长时间失联,几乎让任务失败。在地面人员的不懈努力下,失联数天后的“隼鸟号”又恢复了与地球的联系,踏上了回家之路。

  2010年6月13日,在天外漂泊七年的“隼鸟”终于返回地球。在进入大气层时,历尽磨难的“隼鸟号”本体在大气中焚毁,而可能保存着小行星样本的回送舱则正常与主体脱离,按照计划在澳大利亚的一片荒漠中着陆。

  通过对回送舱中样品的分析,科学家们欣慰地确认“隼鸟号”在历经波折后的确取回了糸川小行星上的样品。航天爱好者们给“隼鸟号”探测器取了个称号叫作“不死鸟”。

  重整旗鼓 “隼鸟2号”再探“龙宫”

  “隼鸟号”的成功给了科学家们再探小行星的信心。2014年12月3日,“隼鸟2号”成功发射,将探测目标锁定在了“龙宫”小行星上。相比于S型小行星糸川,龙宫是一颗C型小行星,能够提供糸川所无法提供的信息。

  “隼鸟2号”几乎复制了“隼鸟号”探测器的基本设计,但根据“隼鸟号”任务中出现的问题,“隼鸟2号”进行了许多有针对性的改进。例如,通过增强内部磁场强度的方法,提高了离子发动机的寿命,避免其在飞行过程中失效。小行星样品采集装置的容量和密封性被增强,进一步确保珍贵的小行星样本不会在飞行过程中被其他物质污染。采用新的采集装置后,地面控制人员可以在“隼鸟2号”在小行星表面工作时就能够判断采样是否成功,无需像“隼鸟号”那样在返回地球后才能搞清。“隼鸟2号”还采用了新型的平板天线,在通信能力不变的情况下减轻了重量。

  小行星表面长期受到太阳风中带电粒子的轰击和各个波段的太阳辐射的照射,其性质可能因此发生变化。为了搞清小行星表面物质与深层物质之间性质的差异,“隼鸟2号”将在龙宫表面制造一场小型爆炸。在完成第一次表面取样后,“隼鸟2号”会上升到距离小行星500米左右的距离,并相继释放撞击器SCI和监视相机DCAM。在引爆4.5公斤高爆炸药后,SCI将在龙宫表面制造一个人工撞击坑,炸出小行星的深层物质。SCI的爆炸过程由DCAM监视,而“隼鸟2号”在爆炸发生的过程中将会隐蔽在小行星的另一侧,以免被爆炸产生的碎片击中。在爆炸发生两个星期后,“隼鸟2号”才会在爆炸点附近着陆,进行样品采集。

  据日本航天局在6月27日公布的消息,“隼鸟2号”已经接近到距离龙宫小行星20公里的位置,各项科学探测正在逐步展开。在接下来的任务中,科学家们还要应对许多挑战。他们要根据“隼鸟2号”传回的龙宫表面图像,为将要释放的一个微型着陆器和三个微型巡视器挑选合适的着陆地点,避开可能使着陆失败的地形地貌。外形与钻石相似的龙宫小行星,其本身存在一个周期为7.5小时的自转,因此无论是着陆器、巡视器还是“隼鸟2号”本身,在着陆小行星的过程中所受到的小行星引力方向,可能并不与小行星表面垂直。科学家们需要充分考虑这个特性,设计合理的着陆方案。如果一切顺利,“隼鸟2号”将在2020年底返回地球。

[责任编辑:白璐]

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