出品：科普中國

制作：haibaraemily 鸑鷟鹓鶵

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

對絕大多數(shù)探測器來說，宇宙的旅程是一條不歸路。

然而，卻有這樣的一個(gè)探測器，在探索一片人類從未涉足過的陌生地帶時(shí)，身體不幸受到巨大摧殘，甚至一度和地面失去了聯(lián)系。卻能大難不死，在人類的幫助下，克服重重困難，一次一次絕處逢生，最后帶著珍貴的小行星“絲川”樣本返回地球。

這只成就了不死鳥傳奇的，是日本JAXA的“隼鳥”號(hào)（Hayabusa）小行星探測器。

四年后，隼鳥號(hào)的繼任——“隼鳥”2號(hào)小行星探測器再次揚(yáng)帆起航，前往一個(gè)新的未知之地——小行星“龍宮（Ryugu）”。

隼鳥號(hào)和隼鳥2號(hào)探測目標(biāo)天體時(shí)的假想圖。（圖片來源：池下章裕/MEF/JAXA?ISAS）

隼鳥2號(hào)探測器預(yù)計(jì)于今年6-7月到達(dá)目的地。掐指一算，這眼看就快到啦！

隼鳥2號(hào)的設(shè)計(jì)軌道。來源：JAXA

隼鳥2號(hào)的重大改進(jìn)

隼鳥2號(hào)沿用隼鳥號(hào)已經(jīng)驗(yàn)證的平臺(tái)和技術(shù)，大小和重量比隼鳥號(hào)略大，這主要是多帶了一些儀器。整體結(jié)構(gòu)跟隼鳥號(hào)差不多，太陽能板、廣角相機(jī)、激光高度計(jì)什么的都是常規(guī)操作，還是同樣采用了4臺(tái)離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)（但加強(qiáng)了推力）。

但為了避免之前隼鳥號(hào)的各種意外的再次發(fā)生，隼鳥2號(hào)在方方面面都針對性地做出了許多重大改進(jìn)。畢竟絕處逢生雖然刺激，但地球人畢竟心臟不太好…那樣大起大落失而復(fù)得的經(jīng)歷，有一次就足夠了，誰也不想再體驗(yàn)第二次了。

隼鳥2號(hào)硬件上的主要改進(jìn)有五點(diǎn)，無一不體現(xiàn)了日本人“小心駛得萬年船”的謹(jǐn)慎性格…

1）天線。

探測器和地球基站的聯(lián)絡(luò)主要靠探測器頭頂那個(gè)大鍋一樣的拋物面天線，而隼鳥號(hào)最大的一次事故就是因?yàn)樽藨B(tài)失控失聯(lián)了近兩個(gè)月，因此隼鳥2號(hào)采用了雙保險(xiǎn)，頭頂直接裝了兩個(gè)高增益天線。

隼鳥號(hào)（左）和隼鳥2號(hào)（右）。（圖片來源：JAXA）

這兩個(gè)高增益天線的頻段不同，一個(gè)是X波段，專用于深空探測，另一個(gè)則是頻率更高的Ka波段，兩個(gè)波段彼此之間不會(huì)互相干擾，而地面的工作人員也可以更加高效地和隼鳥2號(hào)進(jìn)行交流。另一方面，Ka波段通信帶寬要明顯高于X波段，地面下載數(shù)據(jù)的速度也會(huì)更快捷。

2）測星儀。

古代的人們在沒有地標(biāo)的茫茫大海上航行時(shí)靠什么來識(shí)別方向呢？靠認(rèn)星星。

探測器在沒有地標(biāo)的茫茫宇宙里航行靠什么來識(shí)別方向呢？也是靠認(rèn)星星。

隼鳥號(hào)是用一個(gè)測星儀來自動(dòng)追蹤和對探測器的位置進(jìn)行校準(zhǔn)的，而隼鳥2號(hào)又加了一個(gè)測星儀。兩個(gè)測星儀不僅可以單獨(dú)測量星體位置，彼此之間還可以采用干涉測量，這極大地提高了隼鳥2號(hào)自己定位的精度和軌道調(diào)整的精確度，為隼鳥2號(hào)的搜尋目標(biāo)小行星和返回地球提供了保障。

紅色部分是隼鳥2號(hào)兩個(gè)測星儀的儀器蓋，在太空中是沒有這兩個(gè)蓋子的。（圖片來源：JAXA）

隼鳥號(hào)（左）和隼鳥2號(hào)（右）。（圖片來源：JAXA）

3）撞擊器。

隼鳥號(hào)只采集到了小行星“絲川”表層的一些微粒，如何采集到小行星更深處的東西呢？

于是隼鳥2號(hào)的底部攜帶了一枚小型撞擊器SCI，這枚撞擊器的作用就是狠狠砸向小行星，希望能將小行星內(nèi)部的成分也砸出來（有點(diǎn)類似NASA深度撞擊號(hào)的探測思路）。這次攜帶的撞擊器非常之暴力，是一枚大號(hào)的穿甲彈，主體由2.5公斤重銅質(zhì)彈體和4.7公斤的炸藥組成。撞擊器將以2 km/s的高速撞向小行星表面，形成一個(gè)人造撞擊坑。隼鳥2號(hào)將在這個(gè)新的撞擊坑里著陸，探尋小行星內(nèi)部的物質(zhì)。

隼鳥2號(hào)攜帶的撞擊器。（圖片來源：JAXA）

隼鳥2號(hào)扔下撞擊器之后的假想圖。隼鳥2號(hào)要趕緊飛離，以免被濺射物撞傷。（圖片來源：池下章裕/JAXA

4）著陸器和巡視器數(shù)目增加。

隼鳥號(hào)攜帶了一枚約1斤重的微型巡視器Minerva，但因?yàn)榈厍蛏瞎ぷ魅藛T的操作失誤，在過高的地方就釋放了Minerva，而“絲川”自身的引力又非常小，因此在這個(gè)高度下釋放的“Minerva”逃逸到了太空，著陸失敗。

隼鳥號(hào)（也叫MUSES-C）攜帶的衛(wèi)星著陸器Minerva。（圖片來源：JAXA）

而這次，隼鳥2號(hào)估計(jì)嚇著了，一口氣帶了一個(gè)著陸器（MASCOT）和三個(gè)巡視器（MINERVA-II1 ROVER 1A、ROVER 1B和MINERVA-II2 ROVER 2）…多帶幾個(gè)，保險(xiǎn)~

隼鳥2號(hào)攜帶的著陸器（左）和巡視器（右）。（圖片來源：JAXA）

其中著陸器MASCOT是由德國宇航中心DLR設(shè)計(jì)研制的，看DLR公布的模擬視頻還是很膩害的，雖然沒有輪子，但可以自主“翻身”“跳躍”，換地方觀測。

著陸器MASCOT的工作模擬。（視頻來源：DLR）

5）標(biāo)記球的數(shù)量從3個(gè)增加到了5個(gè)。

隼鳥號(hào)（左）攜帶的3個(gè)標(biāo)記球，隼鳥2號(hào)（右）攜帶5個(gè)標(biāo)記球。來源：JAXA

標(biāo)記球是做什么用的？

探測器降落的時(shí)候，到小行星的垂直距離很容易測量出來，但是探測器的水平移動(dòng)卻不方便測量，這時(shí)候要是小行星的地面有一座燈塔就好了，這個(gè)靈感啟發(fā)了“隼鳥”家族的工程師們，探測器自己釋放一個(gè)“燈塔”不就好了。

因此隼鳥號(hào)攜帶了3個(gè)標(biāo)記球來協(xié)助探測器降落，在每次著陸之前，隼鳥都會(huì)先釋放一個(gè)標(biāo)記球，標(biāo)記球釋放之后會(huì)反射探測器攜帶的閃光燈發(fā)出的光，就像一座“小型燈塔”一樣為探測器指路，隼鳥由此得知自己的位置的變化，尤其是水平方向的唯一。

隼鳥號(hào)攜帶的3個(gè)標(biāo)記球，上面是沒點(diǎn)亮?xí)r的狀態(tài)，下面是點(diǎn)亮?xí)r的狀態(tài)。（圖片來源：JAXA）

由于隼鳥2號(hào)這次既需要釋放更多著陸器和巡視器，還需要著陸…所以標(biāo)記球得多帶幾個(gè)，畢竟是一次性的…

除了這些外在的差異，最重大的內(nèi)在差別，可能是隼鳥2號(hào)的自動(dòng)和自主控制系統(tǒng)的升級(jí)。由于“隼鳥”家族的目的地距離地球都很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到光速也需要好幾分鐘，這樣的話地面的隔空喊話會(huì)有幾分鐘延遲，因此鞭長莫及的工作人員索性就把主動(dòng)權(quán)交給探測器自己了。

當(dāng)年的隼鳥號(hào)就是由于自身的控制系統(tǒng)不夠完善：姿態(tài)失控；第一次嘗試降落時(shí)，在不正確的高度釋放了著陸器，降落和自動(dòng)采集樣本時(shí)的控制過程也出現(xiàn)了問題：第一次嘗試降落時(shí)，兩次接觸小行星地面的過程中，收集裝置都未能正常工作，實(shí)際收集到的塵埃只是降落時(shí)濺起的灰塵…以及失聯(lián)…才讓隼鳥號(hào)的探險(xiǎn)之旅如此一波三折，驚心動(dòng)魄。

這些問題都是隼鳥2號(hào)需要杜絕和防范的，控制好自己的飛行姿態(tài)，自主進(jìn)行著陸、采集和起飛的操作，這些都是隼鳥2號(hào)需要苦練的基本功。

隼鳥2號(hào)出擊

2014年12月4日，帶著地球的期望，隼鳥2號(hào)踏上了預(yù)計(jì)六年的旅程。

攜帶隼鳥2號(hào)升空的H-IIA型火箭，種子島宇航中心，（圖片來源：JAXA）

旅程伊始，隼鳥2號(hào)并沒有急急忙忙地飛向目標(biāo)小行星，而是先仔細(xì)做了一遍身體檢查，確認(rèn)自身狀態(tài)健康。檢查的重點(diǎn)，是負(fù)責(zé)探測器飛行功能的離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)責(zé)和地球通信的順風(fēng)耳Ka波段高增益天線及收發(fā)信道。

歷經(jīng)4個(gè)月的測試后，2015年3月5日，隼鳥2號(hào)體檢合格。正式開始了漫長的巡航之旅。

隼鳥2號(hào)的設(shè)計(jì)軌道。（圖片來源：JAXA）

2015年12月，發(fā)射一周年之后，地球和隼鳥2號(hào)都圍繞太陽轉(zhuǎn)了一圈，在最初的起點(diǎn)再一次相會(huì)。

通過這次相會(huì)，隼鳥2號(hào)借助地球的引力進(jìn)行助推，這可以節(jié)省燃料。

此后隼鳥2號(hào)開始調(diào)整軌道，飛向小行星“龍宮”的軌道，開始了一場漫長的追逐賽。

2018年6月3日，隼鳥2號(hào)追上了小行星“龍宮”，此時(shí)兩者的距離僅有2600 km，相當(dāng)于北京到昆明的路程。此時(shí)隼鳥2號(hào)不慌不忙地關(guān)閉了自己的離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣的做法是有道理的，離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力比較小，這么小的油門不適用于急剎車，于是隼鳥2號(hào)在到達(dá)終點(diǎn)前并沒有沖刺，而是選擇了關(guān)掉動(dòng)力。

即使沒有動(dòng)力，在巨大的慣性之下，隼鳥2號(hào)的速度也比飛機(jī)快得多，不過小行星“龍宮”也不落下風(fēng)，因此隼鳥2號(hào)還需要一個(gè)月左右的時(shí)間來最終抵近“龍宮”。

6月17日，隼鳥2號(hào)離小行星“龍宮”只有300 km左右的距離了，這個(gè)距離只相當(dāng)于上海到南京的路程。

6月22日，距離進(jìn)一步縮短到了44 km，大約相當(dāng)于北京地鐵6號(hào)線或上海地鐵9號(hào)線全程的長度了。

按計(jì)劃，在抵達(dá)小行星“龍宮”之后，地面的工作人員給隼鳥2號(hào)留了長達(dá)一年半的探訪時(shí)間，這么長的時(shí)間應(yīng)該是足夠隼鳥2號(hào)完成工作，甚至偶爾出點(diǎn)問題罷工也應(yīng)該不影響進(jìn)度了。

隼鳥2號(hào)預(yù)計(jì)將在撞擊器產(chǎn)生的撞擊坑內(nèi)降落并采集樣本的假想圖，旁邊是一個(gè)標(biāo)記球，（圖片來源：JAXA）

大約在2019年底，隼鳥2號(hào)將完成全部的工作，啟程返回地球，返回地球的時(shí)間相對去程要快的多，只需要大約一年，預(yù)計(jì)2020年底，隼鳥2號(hào)將接近地球，并送上來自小行星“龍宮”的大禮包。

龍宮，龍宮，原來你是這樣的小行星！

隼鳥2號(hào)計(jì)劃探測的小行星“龍宮（Ryugu）”和隼鳥號(hào)探測的小行星“絲川（Itokawa）”有許多相似之處。

例如：

它們都是林肯近地小行星研究小組（LINEAR）發(fā)現(xiàn)的；

它們體積都很?。ㄖ睆讲蛔?公里）；

它們都是近地小行星，更準(zhǔn)確地說，都是近地小行星中的一支——阿波羅型（Apollo）小行星中的一顆。阿波羅型小行星軌道通常比較橢圓，既和小行星帶相交，又和地球軌道相交（因此阿波羅小行星也是一類對地球最有潛在威脅的小行星）。也正因?yàn)槿绱?，部分阿波羅型小行星接近地球的時(shí)候距離非常近，這些使得阿波羅型小行星成為相對容易探測的一類小行星。

阿波羅型（Apollo）小行星的軌道。（圖片來源：維基）

甚至也和小行星“絲川”一樣，小行星“龍宮”直到隼鳥2號(hào)發(fā)射都還沒有一個(gè)正式的名字，只有一個(gè)臨時(shí)編號(hào)1999 JU3。

“龍宮”這個(gè)名字來源于日本民間故事《浦島太郎》（うらしまたろう），故事里浦島太郎被海龜帶往海底龍宮，在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待，回到人間的時(shí)候帶回了一個(gè)寶盒——寓意小行星采樣返回任務(wù)隼鳥2號(hào)也能從小行星帶回珍貴的信息。

童書《浦島太郎》的封面（圖片來源：ポプラ出版社 (2018/3/6)）

這個(gè)名字的另一個(gè)意義在于，“龍宮”是一顆C型小行星，或者說是碳質(zhì)小行星，這類小行星上有大量碳酸鹽礦物——表明小行星上有著含量不低的水，也非常符合“海底龍宮”的意味。這點(diǎn)就和小行星“絲川”很不一樣了，后者是一顆S型小行星，或者說巖質(zhì)小行星，這類小行星上有大量硅酸鹽礦物。

之所以選擇探測這顆小行星，也有這方面的原因。小行星不像行星和大型衛(wèi)星一樣經(jīng)歷過劇烈的地質(zhì)和物理改造，可以認(rèn)為還保留著原始太陽系的成分和信息；同時(shí)，C型小行星被認(rèn)為是碳質(zhì)球粒隕石母體，除了含有水之外還富含有機(jī)物，而地球早期的水和生命，可能就是富含水和有機(jī)物的小行星和彗星的撞擊帶來的——也就是說，探測這樣的小行星既這可以幫助人們了解太陽系早期的原始成分，說不定也可以幫助人們尋找到地球生命起源的線索。

早在隼鳥2號(hào)抵達(dá)小行星“龍宮”之前，地球上的科學(xué)家們就已經(jīng)對這顆小行星進(jìn)行了盡可能細(xì)致的調(diào)查研究了。

例如，通過光變觀測，可以測量出“龍宮”的自轉(zhuǎn)周期約為7.6個(gè)小時(shí)。原理非常簡單：小天體（小行星和彗星）的形狀通常是非常不規(guī)則的，所以自轉(zhuǎn)過程中被光照到的表面積會(huì)不斷變化，表面積大的面比表面積小的面更亮，通過亮度的周期性變化可以計(jì)算小天體的自轉(zhuǎn)周期。

光變觀測顯示出的周期性變化可以推測小行星“龍宮”的自轉(zhuǎn)周期約為7.6個(gè)小時(shí)：

圖片來源：Kimet al. (A&A, 2013)

同樣通過光變觀測，可以估計(jì)出“龍宮”的大致長寬比，也就是形狀，原理和測量周期是相似的。這個(gè)形狀估計(jì)當(dāng)然是非常粗糙的，但至少我們已經(jīng)可以知道“龍宮”基本是個(gè)土豆塊而不會(huì)是個(gè)細(xì)長條了。

光變觀測對小行星“龍宮”形狀的估計(jì)。（圖片來源：Müller et al. (A&A, 2017)）

BUT，只知道形狀（長寬比）是不夠的！就算都是球形，乒乓球和足球差別也很大??！所以我們還需要知道絕對大小，就是至少一個(gè)方向上的長度。

這時(shí)候，相信有些小伙伴一定會(huì)心一笑了。什么嘛，不是都有光變亮度數(shù)據(jù)了么？直接就可以推算絕對大小啊。越亮的就越大嘛——表面積越大的，反射的陽光就越多，就越亮。

那就太天真了。

雖然我們知道“龍宮”距離太陽和地球的距離，也知道可見光亮度，但，我們并不知道“龍宮”自身的反照率，也就是它的表面反射光線的能力呀。

這時(shí)候，我們就需要借助紅外觀測了。小行星被陽光照射之后發(fā)熱，發(fā)出的紅外光亮度也和小行星的大小直接相關(guān)。綜合紅外亮度和可見光亮度就可以推算小行星的大小和可見光的反照率。

諸多觀測紅外觀測顯示，小行星“龍宮”直徑約900米，反照率約0.05（也就是只能反射5%的入射光，所以“龍宮”看起來是非常暗的）。

綜合了大小和形狀觀測之后，我們知道龍宮大約長這樣。（圖片來源：JAXA）

那么，現(xiàn)在探測器已經(jīng)快飛到“龍宮”了，它實(shí)際長什么樣呢？根據(jù)JAXA最新公布的隼鳥2號(hào)在距離小行星“龍宮”40公里處拍攝的照片，“龍宮”的高清照長這樣，是不是還是挺像的？

隼鳥2號(hào)2018年6月24日拍攝的小行星“龍宮”（下圖）：

（JAXA.東京大學(xué).高知大學(xué).立教大學(xué).名古屋大學(xué).千葉工大.明治大學(xué).會(huì)津大學(xué).產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所）

截止到6月26日晚8時(shí)，隼鳥2號(hào)距離“龍宮”只有22公里了！接下來，各種科學(xué)觀測將有條不紊地展開，之前的各種粗略估算結(jié)果也將被一一驗(yàn)證。

圖片來源：JAXA

隼鳥2號(hào)會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)怎樣的“龍宮”呢？

“龍宮”探寶的旅程會(huì)帶回來什么呢？

我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)：

· Kim, M. J., Choi, Y. J., Moon, H. K., Ishiguro, M., Mottola, S., Kaplan, M., ... & Byun, Y. I. (2013). Optical observations of NEA 162173 (1999 JU3) during the 2011-2012 apparition. Astronomy & Astrophysics, 550, L11.

· Müller, T. G., ?urech, J., Ishiguro, M., Mueller, M., Krühler, T., Yang, H., ... & Altieri, B. (2017). Hayabusa-2 mission target asteroid 162173 Ryugu (1999 JU3): Searching for the object’s spin-axis orientation. Astronomy & Astrophysics, 599, A103.

· http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180404_e/

· http://www.hayabusa2.jaxa.jp/

（本文中標(biāo)明來源的圖片均已獲得授權(quán)）