日本隼鳥－2任務(wù)進(jìn)展及后續(xù)飛行計(jì)劃

王存恩（北京空間科技信息研究所）

2014年12月3日日本發(fā)射的隼鳥－2（Hayabusa－2）小行星探測器歷經(jīng)3年半的長途飛行，于2018年6月27日飛抵小行星龍宮（Ryugu），開始環(huán)繞小行星飛行，執(zhí)行觀測任務(wù)，取得了階段性成果。對隼鳥－2探測器而言，2018年7月－2019年12月才是關(guān)鍵之關(guān)鍵時(shí)段。此間，需要完成多次降軌和升軌機(jī)動，對小行星龍宮進(jìn)行遙感觀測，對小行星表面及轟擊出的深坑進(jìn)行接觸取樣，投放小行星巡視器進(jìn)行表面巡視觀測，還要完成返回器攜帶樣品返回地球等任務(wù)。

1 飛行任務(wù)的最新進(jìn)展

隼鳥－2探測器是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的小行星探測器（詳見本刊2014年第11期），自2014年12月3日發(fā)射入軌后，歷時(shí)90天，按設(shè)定程序分別完成了太陽電池翼展開、姿態(tài)和軌道調(diào)整等一系列操作，于2015年3月3日進(jìn)入電推進(jìn)和地球引力輔助階段（EDVEGA）飛行過程；又歷時(shí)275天，即2015年12月3日，經(jīng)過地球引力借力后轉(zhuǎn)向小行星巡航飛行階段；在巡航階段經(jīng)過3次電推力器點(diǎn)火，于2018年6月27日抵達(dá)小行星龍宮。

從2018年初到6月27日，隼鳥－2探測器完成了如下主要操作：

1月10日，氙離子發(fā)動機(jī)開始巡航階段的第3次（也是最后一次）點(diǎn)火工作，將隼鳥-2送往環(huán)繞小行星龍宮飛行之旅。

2月26日，通過遙測數(shù)據(jù)分析確認(rèn)隼鳥－2探測器運(yùn)行狀態(tài)良好，探測器上的多光譜窄視場光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC-T）等完成了小行星龍宮的拍攝，并將圖像傳回了地面。經(jīng)圖像處理和分析后確認(rèn)小行星龍宮形狀為直徑約1000m酷似陀螺的C型小行星，還初步判明小行星龍宮土壤富含碳，是46億年前太陽系形成過程所產(chǎn)生物質(zhì)之殘骸凝聚而成。

6月3日，在距離小行星龍宮3100km處，隼鳥－2探測器氙離子發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。

6月7日，隼鳥－2探測器轉(zhuǎn)入光學(xué)和無線電綜合導(dǎo)航模式。期間，探測器的多光譜窄視場光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)和中紅外成像儀（TIR）等遙感載荷對小行星龍宮進(jìn)行了觀測和拍攝，通過圖像進(jìn)一步精確測定小行星龍宮的直徑為900m。

6月27日，隼鳥－2探測器經(jīng)過機(jī)動變軌，進(jìn)入20km高的小行星龍宮環(huán)繞軌道。

隼鳥－2探測器（上）及其在2018年6月25日在距小行星龍宮40km處拍攝的圖片（下）

2 探測任務(wù)時(shí)間表

正如隼鳥－2項(xiàng)目負(fù)責(zé)人吉田真博士所言，“隼鳥－2探測器進(jìn)入環(huán)繞軌道拍攝小行星龍宮照片只是整個任務(wù)的一小部分，今后，即從2018年6月28日到2019年底的任務(wù)相當(dāng)繁重、艱巨和復(fù)雜?！焙罄m(xù)隼鳥－2探測器將轉(zhuǎn)入正式觀測、采樣和巡視探測階段，并將于2019年底攜帶采集到樣品的返回器將與探測器本體分離并返回地球，預(yù)計(jì)于2020年底返回器重返大氣，濺落在海上進(jìn)行回收。

從2018年6月28日到2019年底，隼鳥－2探測器將要完成的主要操作如下：

2018年7月末，隼鳥－2探測器實(shí)施降軌，飛行高度降至5km，進(jìn)入第1次中高度觀測階段，詳細(xì)觀測小行星的地形地貌。

2018年8月，隼鳥－2探測器再次實(shí)施降軌，飛行高度降至1km，除遙感觀測外，還將對小行星龍宮非常弱的引力場進(jìn)行測量。通過觀測，于8月底確定后續(xù)下降著陸地點(diǎn)。

2018年9月－10月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第1次小行星著陸和接觸采樣。隨后還將向小行星龍宮表面投放德國和法國聯(lián)合研制的“吉祥物”（MACSOT）移動巡視器。

隼鳥－2探測器及其攜帶的“吉祥物”巡視器著陸小行星龍宮示意圖

2018年11月－12月，隼鳥－2探測器無法與地球進(jìn)行通信，地面操作隊(duì)伍將利用此段空閑時(shí)間進(jìn)行后續(xù)任務(wù)演練。

2019年1月，隼鳥－2探測器軌道重新提升至5km高度，轉(zhuǎn)入第2次中高度觀測階段。

2019年2月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第2次小行星著陸和接觸采樣操作，還將選定小行星轟擊觀測的最佳地點(diǎn)。

2019年3月－4月，隼鳥－2探測器將向小行星龍宮表面投放轟擊裝置（SCI），能夠在小行星龍宮表面炸出一個直徑數(shù)米的深坑。

2019年4月－5月，隼鳥－2探測器執(zhí)行第3次小行星著陸和接觸采樣操作。還將選定投放“智慧女神”（MINERVA）小型跳躍式巡視器的最佳地點(diǎn)。

2019年7月，隼鳥－2探測器向小行星龍宮表面投放3個“智慧女神”小型跳躍式巡視器。

2019年8月－11月，隼鳥－2探測器在小行星龍宮附近停留，繼續(xù)執(zhí)行觀測任務(wù)。

2019年11月－12月，隼鳥－2探測器的小行星樣品返回艙將與探測器分離，飛離繞小行星龍宮運(yùn)行軌道，踏上返回地球之旅。

3 即將開展的主要科學(xué)任務(wù)

隼鳥－2探測器則是一個承擔(dān)科學(xué)研究使命的探測器，其兩大科學(xué)目標(biāo)是采集小行星龍宮表面和深處樣品，掌握C類小行星物質(zhì)成分；通過觀測和測量，了解C型小行星形成過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，隼鳥－2探測器后續(xù)將開展五方面的科學(xué)探測任務(wù)。

執(zhí)行詳細(xì)高精度觀測任務(wù)

隼鳥－2探測器帶有多種相機(jī)以及激光高度計(jì)，覆蓋可見光、近紅外和中紅外等多個譜段。后續(xù)將正式進(jìn)入對小行星龍宮的高精度詳細(xì)觀測階段，對小行星龍宮的地形地貌進(jìn)行攝影測量，對其表面土壤是否存在水和有機(jī)物進(jìn)行探測，還將利用分離監(jiān)測相機(jī)（DCAM）實(shí)時(shí)監(jiān)視彈丸撞擊小行星龍宮表面、轟擊裝置爆炸形成深坑以及巡視器著陸等過程。

執(zhí)行多次小行星著陸和表面與炸坑內(nèi)樣品采集任務(wù)

隼鳥－2探測器將3次緩慢降落在小行星龍宮表面，通過下方管狀采樣器接觸小行星表面，采集彈丸撞擊產(chǎn)生的表面碎片樣品。隼鳥－2探測器還新開發(fā)了圓筒形轟擊裝置。釋放后該裝置內(nèi)部的烈性炸藥爆炸后將純銅金屬藥罩?jǐn)D壓形成一個2kg的高速破片彈丸，以2km/s速度轟擊小行星龍宮表面，形成直徑數(shù)米的深坑。為避免炸坑內(nèi)物質(zhì)受輻照污染，探測器需以最快速度著陸并利用采樣器采集坑內(nèi)樣品，將炸坑內(nèi)樣品分裝在與小行星表面樣品不同的容器中。按照計(jì)劃，隼鳥－2探測器將在小行星龍宮上采集至少100mg表面巖石樣品和900mg炸坑內(nèi)樣品。

執(zhí)行多個巡視器著陸和巡視任務(wù)

隼鳥－2探測器計(jì)劃投放3種共4個巡視器，包括1個“吉祥物”巡視器、2個智慧女神－2－1A/1B巡視器和1個智慧女神－2－2巡視器。前者是由德法兩國研制的；后三者是由日本廠家研制的。2種巡視器均靠直流無刷步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在小行星龍宮表面上跳躍式移動。

“吉祥物”巡視器為0.3m×0.3m×0.2m箱型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為10kg，搭載了磁強(qiáng)計(jì)、熱輻射計(jì)、廣角光學(xué)相機(jī)和紅外光譜儀等4種主要觀測儀器。在探測器距小行星龍宮100m高度投放?！凹槲铩毖惨暺鞑扇∮仓懙姆绞浇德湓谛⌒行潜砻?，巡視器還可以利用內(nèi)部擺臂產(chǎn)生反作用力矩實(shí)現(xiàn)跳躍行走，從而改變探測位置。在姿態(tài)穩(wěn)定后，巡視器開始對小行星龍宮表面進(jìn)行連續(xù)觀測（夜間用攜帶的發(fā)光二極管照明），記錄跳經(jīng)的各觀測點(diǎn)的礦物分布等信息，通過高速通信系統(tǒng)經(jīng)隼鳥－2探測器后傳送回地球。巡視器采用了新型鋰電池，保障1個小行星（龍宮）日，即7.6h的探測時(shí)間。

隼鳥－2及其配置小型巡視器的位置

智慧女神－2－1和智慧女神－2－2巡視器也是跳躍行走式巡視器，質(zhì)量分別為1.25kg和1.6kg，帶有相機(jī)、光電二極管、溫度傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀等設(shè)備，主要目的是驗(yàn)證跳躍行走技術(shù)，次要目的是探測小行星龍宮的地形地貌。上次“隼鳥”攜帶的智慧女神－1跳躍行走巡視器未能在小行星糸川（Itokawa）表面著陸的原因是人員設(shè)計(jì)錯誤，沒有將約16s的遙操作延遲計(jì)算在內(nèi)，使之未能成功著陸小行星表面。在隼鳥－2探測器任務(wù)中，研制人員已經(jīng)修正了該錯誤。

小型巡視器的外觀圖

執(zhí)行樣品返回任務(wù)

“隼鳥”探測器幾經(jīng)周折，成功返回并將在小行星糸川表面采集的樣品回收。隼鳥－2探測器在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化了返回密封艙與探測器本體分離以及再入大氣層各階段的操作細(xì)節(jié)，還擬定了備用方案。隼鳥－2返回密封艙海上濺落地點(diǎn)與“隼鳥”相同，仍為澳大利亞海域。

4 后續(xù)任務(wù)展望

日本正在考慮返回密封艙分離后隼鳥－2探測器的擴(kuò)展任務(wù)問題，日本宇宙科學(xué)研究所（ISAS）的科學(xué)家們希望它能夠飛往日地拉格朗日點(diǎn)或接近其他小行星等，繼續(xù)開展探測任務(wù)。

美國國家航空航天局（NASA）于2016年9月8日也發(fā)射了一顆探測C族小行星貝努（Bennu）的探測器“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex），按計(jì)劃應(yīng)于2018年12月初飛抵小行星貝努，在2020年下半年開始采樣，2023年送回地面。日美已就2顆小行星探測，以及從2顆小行星上采集樣品的研究與分析成果共享達(dá)成協(xié)議，或許有助于推動這項(xiàng)研究工作。