不死鸟传奇——“隼鸟”家族的小行星之旅(上)


  2018-07-16 丨历史  丨 NASA China  丨 1 丨 245

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对未知的探索总是充满了危险和不确定性。

大航海时代,无数风帆折戟深海;

早期的飞行史,无数飞机折翼蓝天;

当人类的脚步延伸到太阳系的时候,又有一些探测器像断线的风筝一样杳无音信。

然而和大多数航海航空迥然不同的是,为了飞得更远,看到更多,绝大多数航天探测器都不会把燃料浪费在“飞回来”上。

对它们来说,这场太阳系的航程是一条不归路,一旦开始飞向广袤的太阳系,就是义无反顾,一去不返,极少有再能回到地球怀抱的幸运儿。

生死未卜,义无反顾,这样的征途使得航天探测器的旅程多少有些悲壮。

然而却有这样的一个幸运儿,它是一只不屈服于命运的“不死鸟”,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。

在这样的情况下,“隼鸟”却毅然决然地坚持了下来,大难不死,最后在人类的帮助下,带着珍贵的小行星样本返回地球。

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

在“隼鸟”号功成名就之后,“隼鸟”家族再添一名得力干将——“隼鸟”2号小行星探测器。这颗探测器也正在追随着前辈们的脚步,再次前往一个新的未知之地。目前,隼鸟2号即将抵达目标小行星“龙宫”。预计两年后,“隼鸟”2号便会携带着“龙宫”的礼物返回地球。

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隼鸟号和隼鸟2号探测目标天体时的假想图。来源:池下章裕/MEF/JAXA・ISAS

今天,我们先来介绍“隼鸟”家族的第一位成员——隼鸟号探测器。

隼鸟号

命途多舛却大难不死的隼鸟号,是世界上第一个成功从小行星采集到样品并返回地球的探测器,也是第一个成功在小行星表面进行停留并离开的探测器。

不过这些光环的背后,却是隼鸟号辛酸的“伤病史”:电能供应也不尽人意,接二连三的故障和发动机罢工,燃料泄露…这些“伤病”差点毁掉了隼鸟号,甚至让隼鸟号一度与地球失联。

然而隼鸟号顽强地坚持了下来,经历3年艰辛的回家路程,最终成功返回地球。

传奇的经历,加上“隼鸟”的名字,让它成为了一段不死鸟的传奇

隼鸟号看起来其貌不扬,不过是一个长1.6米,宽1.1米,高1米的立方体。重量也只有510千克,而通常相同寿命的人造地球卫星重量在一两吨左右。

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隼鸟号。来源:JAXA

“隼鸟”号计划探测的目标也只是一颗名不见经传的小行星,这颗后来以日本火箭之父糸川英夫命名的小行星25143号“糸川”(Itokawa,汉语常翻译为“丝川”),原本并不是隼鸟号计划探测的目标

隼鸟号原本打算探测的是小行星4660 Nereus,但因为探测器设计出了点问题,使得小行星4660 Nereus变得不太合适,于是延期了一次,探测目标改成了二号备胎小行星1989 ML。然后火箭又出了问题,不得不再延期一次,这时候1989 ML也飞远了,最终只好选定了当时轨道位置合适的三号备胎小行星“丝川”号…不过在发射之前,它都还没有正式的命名,只有一个临时的编号——1998SF36。(也就是说,如果不是火箭出了问题,现在就是1989 ML叫“丝川”星了!)

小行星“丝川”极其袖珍,仅有535米长,294米宽和209米高。这个尺寸仅仅只有9个国家体育场“鸟巢”的大小,或者16座胡夫大金字塔的体积——“丝川”也成为了当时人类主动探测的最小的一颗天体。而隼鸟号不仅要飞到“丝川”那里,还要采集“丝川”的样品返回地球——这是1972年美国阿波罗载人登月并采样返回之后再也没有完成过的挑战

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小行星“丝川”的外形也常被称为“水獭形”,别说话,用心体会~ 来源:维基

小行星“丝川”并不位于我们所熟知的,介于火星和木星之间的小行星带,而是近地小行星的一支——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。来源:维基

出师?有点…不利

2003年5月9日,隼鸟号从日本鹿儿岛内之浦宇宙空间观测所发射升空。

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隼鸟号发射。来源:JAXA

然而发射后不久,超强的太阳黑子爆发,“隼鸟”号的一部分太阳能帆板失效,太阳能电量供应下降。

雪上加霜的是,它的蓄电池后来也有一部分损坏了。

不过,这些故障对于隼鸟号后来的际遇而言只是命运的开胃小菜,最初的行程还算顺利。

2004年5月19日,“隼鸟”号再次飞掠地球,为什么离开地球之后又一次飞回来呢?隼鸟号和地球都只是恰好绕太阳转了一圈,兜…兜圈怎么能算回头路呢,就是一直向前走的啊

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隼鸟号前期轨道。改编自:newscientistspace.com

在技术层面上,引力助推是一个非常节约成本的选择,因为这样的轨道设计对燃料的需求比较低,隼鸟号可以借用地球的引力加速来提高自己的效率。要知道为了节省燃料,本应飞向地球外侧的土星探测器卡西尼号甚至借力了地球内侧金星的引力来加速。

另一个帮助实现低成本低燃料消耗的,是隼鸟号使用的新技术——离子推进发动机。这种发动机并不是在隼鸟号上首次使用的,但像隼鸟号这样如此长时间使用和验证离子推进发动机的却不多见,这也正是 隼鸟号的一个科学目标。离子推进发动机目前的推力相比常见的化学能发动机要小得多,但非常节省燃料,因此可以减少燃料的重量和…钱。并且离子推进发动机在太空中长时间的加速性能满足航天器的使用,因此有望成为未来长距离航天器的主要发动机类型。

不过,现在回头看看,隼鸟号的曲折经历无一不和离子推进发动机有关。

接下来我们可以看到这项新技术是如何像蹦极一样,将隼鸟号推进深渊,又从深渊里拉回。

顺利会师…的短暂喜悦

2005年7月29日,隼鸟号的仪器首次拍摄到目标小行星“丝川”,这标志着“隼鸟”号已经快要接近目的地了…简直不要太顺利

然而,仅仅两天后的7月31日,隼鸟号就出现了第一个大问题——x轴姿态控制失灵,这相当于一架不能稳定自己左右转弯的飞机。

现代的航天器大多采用的是三轴稳定的方式,即通过内部控制器的调整,稳定航天器在x,y,z三个坐标轴上的方位,保证航天器在漫无边际的空间中维持自身的相对稳定。

姿态调整的一个简单的例子是我们熟悉的飞机,当飞机需要左右转向(x轴)、左右翻滚(y轴)或上下俯仰(z轴)时,就需要调整飞机的飞行姿态,航天器也是类似的。

好在,坏了一个方向的控制的情况并不算糟糕,隼鸟号可以用自己的发动机调整自身姿态。

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隼鸟号的ONC-T相机于8月22-23日拍摄的小行星“丝川”。来源:JAXA

2005年9月12日,隼鸟号离目标小行星“丝川”仅相距20 km,官方宣布隼鸟号顺利的抵达目的地

艰难着陆…和死而复生

然而祸不单行,10月2日,“隼鸟”号的y轴姿态稳定也失灵了。

病情加重的“隼鸟”号并没有外科医生,所以它只能继续硬扛。

进入11月,隼鸟号开始了多次“薛定谔式”的着陆。由于着陆时通信天线无法对准地球,因此这段时间地球和隼鸟号之间是失联的。外加上此时地球和小行星“丝川”之间的距离并不近,因此光速的信号传输回来也会有几分钟的延迟。

这就导致了地面并不知道隼鸟号的情况,也不知道隼鸟号是否有条件着陆——你不知道它有没有着陆,你也不知道你发过去的指令有没有生效,只有它发给你消息时,你才知道它有没有着陆。

11月12日,隼鸟号下降到了距离小行星表面仅55米的地方,原本准备着陆的隼鸟号发生了故障,停在了半空中,不知情的地面工作人员错误地评估了此时隼鸟号的薛定谔状态,人为操纵释放了1斤重的微型着陆器“Minerva”。

由于此时的着陆器实际上距离“丝川”地表太高,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,着陆失败了

不过和接下来的事故相比,这依然不过是“隼鸟”号众多故障中的一个插曲。

11月20日,隼鸟号首次“触摸”到了小行星“丝川”。

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隼鸟号着陆假想图。来源:JAXA

这又是一次薛定谔的着陆。隼鸟号因为不明原因的故障而在10米高的半空中停留,并进入安全模式,此时地球基站发出了放弃着陆和上升的指令。

然而,还没等隼鸟号收到这一指令,就已自行降落在了小行星“丝川”的地面上。

随后在上升状态中,隼鸟号才收到了来自地球基站的上升指令,而另一边的地球基站才收到了隼鸟号的着陆状态确认…难以形容此时地面工作人员的复杂心情。

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11月26日,隼鸟号第二次“触碰”到小行星“丝川”并完成了采样回收,虽然一共只采集了几克样本…主要都是着陆时候的灰尘和微粒…

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隼鸟号着陆假想图。来源:池下章裕/MEF/JAXA・ISAS

再次上升,升到距离“丝川”表面5 km时,隼鸟号终于确认了一直以来的燃料泄露问题,这才终止了泄露。

就在之后的第二天,病情加重了!隼鸟号本身就已经有两个方向的姿态稳定控制失灵,不得已依靠12台转向发动机来维持姿态的稳定。

而不幸的是,因为隼鸟号的燃料泄露多时,电池由于失温几乎丧失机能,主发动机也没有足够的燃料可用,一时无法及时的调整隼鸟号自己的姿态…姿态逐渐失控。

而姿态的失控意味着隼鸟号的天线将无法对准地球,和地球的联络可能中断。

局势越来越恶化,主发动机几乎处于弃疗状态,12月8日,最不愿意看到的事情还是发生了,隼鸟号与地球完全失联了!

12月14日,JAXA宣布隼鸟号的返回计划延期。

……

不抛弃,不放弃,成为接下来的奋斗目标,这不仅是对地面工作人员的勉励,也是对隼鸟号的期待。

隼鸟号在失联状态下,姿态会持续的处于不稳定状态。然而在这些不稳定状态中,隼鸟号会有一定概率处在可以与地球进行短时间联络的特定姿态,这时候地面工作人员就可以尝试人为启动离子推进发动机了。

另一方面,地球自身也在公转,因此地球的视角也在不断的变化。总而言之,就是希望能有幸联系上正在乱转的隼鸟号,希望它能在乱转之中逐渐恢复有序。

地面此时能做的,就是不断地搜寻可能由隼鸟号发出的信标信号,并寄希望于隼鸟号能够调整回一部分姿态,能够朝向地球哪怕一小会儿。

等待的过程是煎熬的,很多探测器在失联之后就从此杳无音信,工作人员并不知道自己需要等待多久,大家也不知道遥远的隼鸟号此时此刻正在经历着什么样的煎熬。

2006年1月23日,经历了46个日日夜夜的失联之后,地球基站最终等到了来自隼鸟号的信标信号。

隼鸟号没有放弃自己,地球也不会。

收到信标信号是一个好的苗头,说明隼鸟号的系统还在正常工作,姿态调整还具备一定的功能。于是地面使用了一个最简单的方式来看看是否能控制隼鸟号,地面让隼鸟号发送另一个信标信号,3天后,地面收到了另一个信标信号,隼鸟号做到了!

2月6日,根据地面的指令,隼鸟号启动了离子推进发动机,一步一步的进行姿态校准和控制,将天线对准地球。

2006年3月7日,官方正式宣布再次与隼鸟号恢复正常联络,隼鸟号大难不死

回家

然而“隼鸟”号还有个终极目标——返回地球。可隼鸟号病入膏肓的身体还能够继续这场旅程吗?

即使是完全正常工作的探测器,地球的往返票并不像火车往返北京和上海之间那样有轨道,也不像飞机那样有航线,毕竟北京和上海不会长腿乱跑——路线的设计会简单的多。

但是地球、隼鸟号和小行星“丝川”都是在以每秒几公里甚至几十公里的速度在不断高速运动的,在这么快的速度下往返天地之间的难度可想而知。

隼鸟号的轨道是经过精心设计的,采用了一个特殊的大椭圆轨道,这个椭圆轨道的近日点的距离和角度与地球轨道相近,远日点和小行星的距离相近。再利用地球公转周期和探测器公转周期的不同,使得某一时间段内,探测器在近日点附近能够遇上地球,这样探测器再进行变轨和分离返回舱的操作,从而使得返回舱返回地球。

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隼鸟号的返回轨道。绿色是地球轨道,橙色是火星轨道,蓝色是小行星“丝川”(Itokawa),红色是隼鸟号(Hayabusa)探测器轨道,标尺单位为天文单位AU,1AU表示太阳和地球之间的平均距离,约1.5亿公里。来源:JAXA

对于隼鸟号这样经历了这么多坎坷和风雨的游子来说,回家,或许意味着更多。人们期待隼鸟号能够回家,也期待着隼鸟号带给我们来自小行星的礼物。

2007年4月25日,隼鸟号正式开始返航。此前的一年里,隼鸟号一直在做着各种准备工作,包括调整姿态和把采样容器封装进返回舱。

2007年10月18日,完成回家旅途的第一次变轨。

2009年2月4日,开始返程的第二次变轨。

2009年11月4日,离子推进发动机D故障。祸不单行的是,在发动机D完全故障的同时,还有两台各坏了一半,发动机A和B分别有一部分器件故障。

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“隼鸟”号一共有四台离子推进发动机,分别编号为A、B、C、D,原本预计有一台做备份,现在却只有一台完好的发动机。来源:JAXA

幸好A和B坏的部分不一样,地面工作人员将A和B正常工作的部分拼凑成了“一台”可用的发动机,最终的隼鸟号仅剩这两台可以使用的发动机。而经过技术人员的计算,这几乎是勉强能使隼鸟号返回地球的最低发动机配置了

身残志坚的隼鸟号凭借着微弱的动力和强大的毅力,一步步靠近地球,这条回家路,隼鸟号走了三年。

三年后的2010年4月,隼鸟号进入返回地球的60天倒计时,此时的隼鸟号距离地球还有2700万公里,在这个距离飞向地球的精准程度,堪比太空狙击手。要知道,隼鸟号还是带病工作,发动机坏的差不多了的那种。在最后的两个月中,隼鸟号进行了4次轨道调整,确保准确无误的进入地球轨道。

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隼鸟号最后阶段的轨道。来源:axxon.com.ar

返回地球的倒数第3天,隼鸟号在距离地球四万公里的高度释放返回舱,准备投入地球的怀抱。隼鸟号的返回舱是一个直径40厘米,高20厘米,重量仅17公斤的“圆盾”状壳体,紧密的保护着来自小行星的“馈赠”。

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装着“丝川”星样本的返回舱。来源:JAXA

2010年6月13日,隼鸟号返回舱再入返回地球,速度高达12 km/s,比普通返回式卫星和载人飞船返回舱速度每秒要多跑4公里。如此高速地进入大气层,返回舱需要耐受和隔离大气层摩擦产生的更高温度,这个温度是载人飞船和航天飞机难以承受的。

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隼鸟号返回大气层的过程。改编自:JAXA

隼鸟号主体本可能就此漂泊太阳系,就像同为采样返回任务的星尘号一样,但它最终选择了回归地球,不过这项选择的代价是坠入大气层烧毁。隼鸟号的再入画面十分震撼,高速摩擦产生的视觉效果如同高空的烟花一般绚烂,隼鸟号在烟花中完成了自己的使命

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隼鸟号再入大气层的的壮观场面。右下角的光点是装着样本的返回舱,中间密集的光点是燃烧的熊熊燃烧的隼鸟号。来源:NASA Ames

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澳大利亚南部Woomera拍摄的沙漠中拍摄的隼鸟号和返回舱的轨迹。来源:JAXA

最终,隼鸟号返回舱安全落在预定的澳大利亚沙漠中,不死鸟回家了!

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工作人员找到返回舱后正在确认返回舱的状况。因为不确定返回舱分离时的火药有没有残留,因此工作人员都穿着防护服。来源:JAXA

在此之前,人类从没有过一个无人探测器,经历过这么多艰难坎坷和这么多次绝处逢生。

隼鸟号的不屈历程,鼓舞了无数人。

这早已不仅仅是一个探测器的旅途,更成为了无数人精神信仰和愿望的投射,这是一场史诗意义的回家。

日本为此制作的电影《隼鸟归来》的海报中这样写着:

60亿公里距离,2592个日日夜夜,

这场宇宙之旅,

只为归来。

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隼鸟号的旅程也成为了很多日本流行文化的创作源泉,这些作品中几乎无一例外地把隼鸟号(はやぶさ)拟人化为一个出发去探险的游子,而母亲(地球)和父亲(糸川英夫)既是ta坚强的后盾,也在温柔地等待ta的归来。

SHO(キセノンP)创作,初音ミク演唱的歌《隼鸟》里这样唱道:

舞いあがれ はやぶさ/高飞吧 隼鸟号翼が折れたとしても/即使折断翅膀幾重の夢抱えて/仍要怀抱重重梦想

故郷の空見えるまで/直到见到故乡的天空その身が燃え尽きるまで/直到燃尽最后的躯壳ただいま/ (也要对地球母亲说)「我回来了!」

此去是星辰大海,

归来仍是地球母亲的孩子。

Hayabusa,欢迎回家!

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