日本隼鳥－2完成第二次著陸取樣

王存恩（北京空間科技信息研究所）

2019年7月11日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)射的隼鳥－2（Hayabusa－2）探測器再次成功著陸小行星龍宮（Ryugu）。隼鳥－2已于2019年4月在龍宮上炸出了一個(gè)小行星坑，而本次任務(wù)就是采集從小行星坑中飛散出的小行星內(nèi)部巖石樣本。完成這項(xiàng)任務(wù)使日本成為既掌握小行星表面，又掌握小行星內(nèi)部取樣技術(shù)的國家。

1 引言

2014年12月4日，JAXA用H－2A火箭成功發(fā)射了小行星探測器隼鳥－2；2018年6月27日，隼鳥－2飛抵距龍宮20km的軌道高度；2019年2月11日，隼鳥－2完成第1次采樣任務(wù)；4月5日，隼鳥－2再次飛抵距龍宮表面20km的軌道高度，并引爆撞擊裝置，在龍宮表面撞擊形成了一個(gè)小行星坑；7月11日，隼鳥－2完成第2次采樣任務(wù)。2018年6月27日－2019年7月11日的379天內(nèi)，隼鳥－2共完成了4項(xiàng)重要任務(wù)：

1）對(duì)龍宮進(jìn)行詳細(xì)觀測，掌握了龍宮上的重力分布、表面覆蓋的巖石及其碳素含量，以及這些巖石等隨溫度變化的基本物理特征，確認(rèn)了龍宮上水的存在。

2）向龍宮表面成功投放了目標(biāo)標(biāo)識(shí)器（TM-A/B）。

3）在匯商后確定的著陸時(shí)間和著陸點(diǎn)成功著陸，并在飛離龍宮途中按預(yù)定時(shí)間和軌道高度彈射出彈子，且準(zhǔn)確地?fù)糁旋垖m表面，成功地采集了不少于3g的樣品。

4）成功引爆爆炸裝置，在選定點(diǎn)炸出一個(gè)直徑約15m的小行星坑，小行星坑周邊形成由濺射起的巖石碎片和粉末堆積起的、厚度達(dá)幾十厘米的小行星壤，且在目標(biāo)標(biāo)識(shí)器的引導(dǎo)下，在龍宮上安全著陸，并從人造小行星坑周邊采集了不少于10g的樣品裝入回收密封艙內(nèi)，準(zhǔn)備帶回地面供進(jìn)一步研究。

隼鳥－2任務(wù)流程圖

2 第2次著陸取樣背景

7月中旬前必須完成第2次著陸取樣

由于龍宮2019年5月開始接近太陽，2019年9月將到達(dá)近日點(diǎn)，在逼近近日點(diǎn)時(shí)，龍宮表面溫度可高達(dá)100℃，不適于探測器在其表面著陸，否則很可能招致探測器上的相關(guān)部件受損而無法正常工作。因此，必須在7月中旬前完成在龍宮表面著陸和取樣，最后確定隼鳥－2于7月11日前執(zhí)行對(duì)龍宮的著陸和取樣。

再次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器

隼鳥－2攜帶5個(gè)目標(biāo)標(biāo)識(shí)器。為演練著陸，掌握龍宮上的詳細(xì)情況，2018年10月25日已投放了2個(gè)，最初是希望用其引導(dǎo)探測器完成2次著陸演練。然而，由光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)等提供的高清晰圖像確認(rèn)龍宮表面布滿了巖石，很難找到一塊直徑達(dá)20～30m、巖石直徑小于60cm、可供演練探測器著陸的區(qū)域。為避免演練過程中釀成探測器結(jié)構(gòu)體或太陽電池翼等損壞，JAXA決定放棄演練，集中用搭載的觀測儀器觀測和辨識(shí)龍宮上的情況，確定著陸取樣地點(diǎn)。當(dāng)然，投放的2個(gè)目標(biāo)標(biāo)識(shí)器并未報(bào)廢，它作為引導(dǎo)探測器向龍宮表面釋放智慧女神－1A、1B（MINERVA－1A、1B）巡視器和“吉祥物”（MASCOT）著陸器，以及引導(dǎo)探測器第1次著陸取樣的目標(biāo)標(biāo)識(shí)器。

經(jīng)研究決定，通過降軌只要把剩余的3個(gè)目標(biāo)標(biāo)識(shí)器中的1個(gè)投放到選定的著陸點(diǎn)作為引導(dǎo)探測器第2次著陸取樣既可，若1次投放成功，剩下的2個(gè)暫留作備用，另2次執(zhí)行降軌任務(wù)可用作對(duì)著陸點(diǎn)周邊環(huán)境的觀測。

實(shí)際上，首次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器因激光雷達(dá)高度計(jì)故障而終止；第2次投放，成功；第3次，只執(zhí)行對(duì)著陸點(diǎn)周邊環(huán)境觀測，并未投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器。

（1）確定投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器/降軌觀測程序

計(jì)劃3次降軌觀測/投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器，每次限定3天時(shí)間，其主要程序如下：

第1天，探測器首先飛抵距龍宮表面20km處，等待下達(dá)是否可降軌指令；接著，以0.4m/s的速度降軌，同時(shí)用激光雷達(dá)高度計(jì)測探測器與小行星間距離；約10h后，探測器降軌至距龍宮表面5km處后改為以0.1m/s的速度降軌。

第2天，探測器先降至距龍宮表面35m處，并用激光雷達(dá)高度計(jì)測量探測器與龍宮間的距離，同時(shí)啟用激光測距儀（LRF）測量探測器與龍宮表面的距離，接著，指令推力器沿橫向噴射，控制探測器轉(zhuǎn)速使之與龍宮自轉(zhuǎn)速度同步；當(dāng)探測器飛抵距龍宮表面10m處前18min時(shí)，地面管控中心下達(dá)投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器指令。18min后探測器接收到指令時(shí)，也恰好是探測器飛抵距龍宮表面10m處時(shí)，探測器開始向投放區(qū)域（C01）投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器；然后升軌。

第3天，探測器返回到距龍宮表面20km的軌道高度。

（2）第1次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器

第1次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器（PPTD-TM1）于2019年5月14日－17日進(jìn)行。

5月14日，進(jìn)入投放前準(zhǔn)備；15日，探測器從距龍宮表面20km處開始以0.4m/s的速度降軌，飛抵距龍宮表面5km處改為以0.1m/s的速度繼續(xù)降軌；16日，探測器降至距龍宮表面50m處，正當(dāng)管控中心要下達(dá)投放指令之際，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)高度計(jì)故障，探測器上的自主判斷裝置發(fā)出終止下降指令，隨即進(jìn)入正常中止模式，探測器開始升軌；17日，探測器返回到距龍宮表面20km處。檢測結(jié)論是：探測器本身無異常，也不會(huì)影響之后的各項(xiàng)飛行任務(wù)。

首次向龍宮表面投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器任務(wù)雖未完成，但利用探測器上搭載的光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC-T）等觀測儀器在距龍宮表面50m處清晰地拍攝到了龍宮上的人造小行星坑照片，確認(rèn)其周邊沒有直徑大于60cm的巖石，為執(zhí)行繼續(xù)向龍宮表面C01區(qū)域投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器計(jì)劃提供了幫助。

（3）第2次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器

第2次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器（PPTD-TN1A）于5月28日－30日進(jìn)行。

5月28日，進(jìn)入降軌作業(yè)前準(zhǔn)備階段；29日，探測器開始以0.4m/s的速度降軌，飛抵距龍宮5km處，然后放慢速度，以0.1m/s的速度緩慢逼近龍宮；30日，探測器飛抵距龍宮表面35m的軌道高度，繼續(xù)下降，在距龍宮表面10m時(shí)，接收到目標(biāo)標(biāo)識(shí)器與探測器分離指令后，將目標(biāo)標(biāo)識(shí)器投放到C01區(qū)域，隨后探測器開始升軌；31日，探測器回到距龍宮表面20km處。

（4）降低軌道高度觀測小行星坑取得成果

原計(jì)劃2019年6月11日－13日執(zhí)行第3次投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器（PPTD-TM1B）任務(wù)，由于5月30日已完成投放，故改為降軌，近距離詳細(xì)觀測小行星坑周邊環(huán)境。

降軌至距龍宮表面僅9m處觀測，不僅確認(rèn)第2次投放的目標(biāo)標(biāo)識(shí)器就在預(yù)定投放點(diǎn)，還確認(rèn)了人造小行星坑的直徑約為15m，周邊疊起的巖石碎片和粉末等厚度約數(shù)十厘米，其中沒有大于60cm的塊狀物，著陸時(shí)不會(huì)對(duì)探測器構(gòu)成威脅。6月13日10：58（自左上方）和11：01（到右下方），用光學(xué)導(dǎo)航遠(yuǎn)望相機(jī)以每隔7s拍攝1張照片（拍攝首張照片時(shí)的軌道高度約52m，最后一張時(shí)約為108m）的模式，拍攝了28張照片，合成后不僅可清晰地觀測到人造小行星坑的全貌，還能確認(rèn)在投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器周邊無影響著陸取樣的障礙物。

確定第2次著陸的時(shí)間及取樣和候補(bǔ)取樣點(diǎn)

為防止撞擊小行星坑時(shí)飛濺的碎片和粉塵等在陽光照射下物理特性等發(fā)生變化，無疑越早著陸取樣越好。但考慮到伴隨爆炸、撞擊形成小行星坑導(dǎo)致龍宮表面，特別是小行星坑周邊環(huán)境發(fā)生很大變化，冒然取樣存在很大風(fēng)險(xiǎn)；若形成小行星坑后立即著陸取樣，會(huì)使觀測儀器（特別是相機(jī)鏡頭）和太陽電池受污染，不僅會(huì)導(dǎo)致觀測靈敏度下降，甚至還會(huì)出現(xiàn)無法為探測器提供足夠電能的情況，導(dǎo)致無法完成陸取樣任務(wù)。 因此，最后確定探測器第2次著陸時(shí)間為2019年7月9日－11日，候補(bǔ)著陸時(shí)間為7月22日－28日，還確定了著陸取樣和候選著陸取樣地點(diǎn)分別為 C01和 C02。

3 第2次著陸取樣過程

針對(duì)第1次著陸取樣出現(xiàn)的問題果斷采取措施

2019年2月22日，首次執(zhí)行小行星表面著陸時(shí)，探測器出現(xiàn)了廣角光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)（ONC-W1）和激光測距儀光學(xué)系統(tǒng)圖像模糊的現(xiàn)象，執(zhí)行第2次著陸取樣任務(wù)前分別采取了2項(xiàng)措施：①降低探測器開始捕獲目標(biāo)標(biāo)識(shí)器的軌道高度，由45m調(diào)整到30m，此外，還調(diào)整了數(shù)據(jù)處理參數(shù)（將圖像調(diào)到黑白兩檔，以獲取雙值化的閾值），以確保目標(biāo)標(biāo)識(shí)器進(jìn)入探測器搭載、視野變窄的廣角光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)的視野范圍，同時(shí)充分利用路標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航法（GCP-NVA）進(jìn)行制導(dǎo)，提高制導(dǎo)精度；②降低激光測距儀的軌道高度，由28m調(diào)整到17m。

第2次著陸取樣

第2次在龍宮著陸取樣任務(wù)于7月9日－11日進(jìn)行。

小行星探測器隼鳥－2第2次著陸取樣升降軌等重要事件

7月9日，進(jìn)入第2次在小行星著陸取樣準(zhǔn)備階段；7月10日，探測器以0.4m/s降軌，飛抵距龍宮5km處，并以0.1m/s的速度緩慢逼近龍宮；7月11日，利用路標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航法控制探測器進(jìn)入懸浮狀態(tài)，利用探測器自身的自主功能捕獲到目標(biāo)標(biāo)識(shí)器，在探測器下降到距龍宮表面17m處（激光測距儀實(shí)測值）開始6自由度控制，下降到距龍宮表面8.5m處時(shí)，調(diào)整探測器姿態(tài)，使之進(jìn)入在龍宮表面著陸姿態(tài)，目標(biāo)標(biāo)識(shí)器進(jìn)入探測器搭載觀測敏感器視場范圍，探測器處于懸浮狀態(tài)，微調(diào)探測器與目標(biāo)標(biāo)識(shí)器間的相對(duì)位置（水平誤差小于3m；高度誤差小于5m），低增益天線提供的多普勒數(shù)據(jù)證明探測器已在小行星坑堆積物上的著陸點(diǎn)（C01C區(qū)域內(nèi)）安全著陸（誤差小于60cm），接著，采樣裝置從位于C01C區(qū)域疊起的巖石碎片和粉末中取樣，并以最快速度將進(jìn)入采樣漏斗內(nèi)的樣品送入樣品采集器內(nèi)，隨后，探測器開始升軌，飛離龍宮表面；7月12日，探測器升軌至降軌前距龍宮表面20km的安全區(qū)域。

7月11日和25日，JAXA 2次召開記者招待會(huì)，公布了小行星探測器隼鳥－2成功在選定的著陸點(diǎn)C01C區(qū)域?qū)崿F(xiàn)著陸，著陸精度為60cm；取樣器觸地半徑為20cm，采集到了預(yù)期的10g以上的樣品。

4 隼鳥－2兩次成功著陸取樣經(jīng)驗(yàn)

探測器隼鳥－2于2019年2月22日和7月11日2次在龍宮上著陸，成功地完成了對(duì)龍宮表面和內(nèi)部取樣，其主要原因是：

軌道控制得力

探測器選用改進(jìn)型的10μN(yùn)微波放電式氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（IES）為主，23N雙元液態(tài)肼推進(jìn)系統(tǒng)為輔，彼此配合，精準(zhǔn)地進(jìn)行軌道控制，使探測器不僅按設(shè)計(jì)要求于2018年6月27日飛抵距龍宮表面20km的軌道高度，還完成了投放巡視器、著陸器，多次降軌對(duì)龍宮進(jìn)行詳細(xì)觀測，投放目標(biāo)標(biāo)識(shí)器，以及2次在龍宮上著陸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)龍宮表面探測、取樣和內(nèi)部取樣，為保持日本在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位奠定了基礎(chǔ)。

高精度的姿態(tài)控制

隼鳥－2采用4斜裝反作用飛輪的三軸控制，在軌期間，無論是升軌，還是降軌，乃至著陸取樣，都成功地控制探測器使其尾部繞Y軸旋轉(zhuǎn)10°，呈翹起姿態(tài)著陸，不僅有效地防止了地球反射偏振和方向性探測儀與探測器接觸，成功地避免了探測器構(gòu)架和太陽電池翼等受損壞，還使姿態(tài)控制精度一直保持在優(yōu)于0.1°。

研發(fā)高性能觀測和測量儀器，確保獲取與龍宮相關(guān)的各種信息

探測器上搭載了高性能光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)等5種觀測和測量儀器，由于高精度地進(jìn)行了探測器的姿態(tài)和軌道控制，獲取到大量信息，做到即便在龍宮表面上布滿了巖石，無法演練著陸的情況下，仍憑獲取高清晰度的觀測圖像和測得詳細(xì)的重力數(shù)據(jù)等，依靠強(qiáng)大的科學(xué)分析能力完成了向小行星上投放巡視器、著陸器和目標(biāo)標(biāo)識(shí)器，以及確定探測器2次在小行星上著陸取樣的時(shí)間、地點(diǎn)，并順利地完成著陸取樣任務(wù)。

5 結(jié)束語

小行星探測器隼鳥－2于2019年7月11日完成在龍宮上第2次安全著陸，完成樣品采集任務(wù)。返回密封艙將于2019年11月－12月與探測器分離，并于2020年底前攜帶采集到的樣品返回地面。日本很可能成為世界上首個(gè)既具備從小行星表面，又擁有從小行星內(nèi)部采樣技術(shù)的國家，引起國際關(guān)注。