回顾隼鸟2号“龙宫”探索之旅
发布时间:2019-12-24
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  2019123日,隼鸟2号正式开始启动离子发动机,马力全开返航地球,永远结束了它的“龙宫”探险。 

 


小行星龙宫。来源:JAXA 

    

  而在短短一年半之前,这颗探测器才刚刚历时三年半时间,跋涉数十亿公里,抵达了这颗名叫“龙宫”、直径只有约900米的小行星。 

 

隼鸟2号从地球到小行星龙宫的轨道。改编自:JAXA 

    

  时间真是过得太快了! 

  2018年的下半年,隼鸟2号已经出色完成了多项科学考察,顺利投下了2枚巡视器和1枚着陆器。(详情参见:进击的隼鸟2https://mp.weixin.qq.com/s/za9gswkvKLeGH8u58_yZiw 

 

隼鸟2号携带的巡视器MINERVA-II1(左)和着陆器MASCOT(右),已分别于2018921日和103日投下。来源:JAXA  

  这是人类首次成功在小行星上释放巡视器并拍摄和传回照片。 

 

巡视器MINERVA-II 1B2018923日落地前(左)和落地后(右)拍摄的龙宫照片。来源:JAXA 

    

  但此后的2019年,才是这颗探测器真正大展身手的一年,满载而归的一年。 

  2019年,绝对称得上是隼鸟2号的幸运年。而这幸运背后,亦是无数相关工作者们多年来精心筹划和不懈努力的回报。 

    

  第一次着陆采样:采集表面物质 

  2019222日,隼鸟2号顺利着陆在龙宫表面的预定着陆区L08-E1。(本节详见:电光火石,短兵相接!隼鸟2号第一次龙宫采样全记录https://mp.weixin.qq.com/s/uLDaEp5W2K4mxwSEm7_DtA 

龙宫上已投下的标记球TM位置和预定着陆区L08-E1位置,着陆区范围是一个直径6米的圆形区域。来源:JAXA 

    

  着陆点非常精准,和预定着陆区中心只偏离了1米。 

 

隼鸟2号第一次着陆采样点。汉化自:JAXA 

    

  隼鸟2号采用的是接触采样,整个采样过程只有几秒钟。 

 

隼鸟2号的采样杆位置和底部视图。来源:JAXA 

    

  一旦检测到底部长长的采样杆接触到了龙宫表面,就即刻从采样杆中以300/秒的速度发射出一枚钽质子弹,射向龙宫表面。 

 

采样杆结构和钽质子弹实物(质量5克,直径8毫米)照片,使用钽质子弹是为了避免采集的样品中混入不可控的污染物。来源:JAXA 

 

  子弹撞出的碎屑被弹射入采样杆中,经过多次弹射被隼鸟2号纳入囊中。 

汉化自:JAXA 

    

  降落、接触采样、上升,电光火石,干脆利落 

 

隼鸟2号的第一次着陆采样。来源:JAXA 

    

  隼鸟2号第一次着陆采样流程(低高度段)。 

激光高度计LIDAR和近距离激光测距仪LRF是隼鸟2号在距龙宫表面不同高度处采用的不同测距方式。来源:JAXA 

    

  激烈采样后留下的“罪证” 

    

20192227:30(日本时间),隼鸟2号的光学导航相机ONC-W1在距离龙宫表面约25米处拍下了第一次着陆采样后龙宫表面的样子。 

  来源:JAXA、东大等 

    

  顺利完成第一次着陆采样之后,隼鸟2号还有更大的野心。 

  虽说小行星是古老而原始的太阳系物质遗迹,但小行星表面的物质大多经历了漫长的空间风化和改造,很可能已经不能体现它原本形成时的物质成分了。 

  也就是说,想要知道原始的太阳系物质成分,需要剥开小行星的表面,采集到内部的物质才行。 

    

  投下撞击器:去小行星上炸个坑 

  为此,隼鸟2号采用了采用了更为暴力和冒险的方式。(本节详见:先是冲我打了一枪,然后还要开炮…人类也太凶残了吧!https://mp.weixin.qq.com/s/RAtPBoCZdJbFefCXO2Zhxg 

  201945日,隼鸟2号向龙宫表面投下一枚“炸弹”——重达14公斤的撞击器(Small Carry-on Impactor,简称SCI)(其中有9.5公斤都是炸药)。 

 

隼鸟2号投下撞击器&采样示意。来源:JAXA 

    

  被扔下的撞击器在半空中引爆炸药,把底端厚约5毫米、重2公斤的纯铜质薄板“压缩”为一枚“炮弹”,使之高速撞向龙宫表面。 

 

 

铜板加速过程中的变形过程,注意铜板一开始会先改变凹凸的朝向。“炮弹”也会迅速被加速到2公里/秒。之所以选择在半空中引爆,以纯铜炮弹撞击,是为了不让炸药污染采样区。来源:JAXA 

    

  而另一边呢,“肇事鸟”隼鸟2号本机为了不被炸出的溅射物撞伤,丢完“炸弹”拔腿就跑,只留下一个DCAM3相机来拍摄这场爆破大戏。 

 

隼鸟2号投下撞击器之后的躲避计划。来源:改编自参考文献13 

    

  撞击非常成功,直接在龙宫表面炸出了一个直径十多米的人造撞击坑,隼鸟2号自己安全避难,毫发无损。 

 

撞出的人造撞击坑直径超过10米,深度约2-3米。值得注意的是新撞出的撞击坑内部呈暗黑色,表明挖出的新鲜物质似乎比表面物质颜色更暗。来源:JAXA、东大等。 

    

  这些被撞出表面的龙宫次表层地下新鲜物质,正等待着隼鸟2号再次着陆,并将其收入囊中。 

    

  第二次着陆采样:采集地下物质 

  2019711日,隼鸟2号再次下降,抵达龙宫表面C01-Cb区域,开始第二次着陆采样。(本节详见:3亿公里外,60厘米精度!隼鸟2号第二次龙宫采样全记录https://mp.weixin.qq.com/s/hj27jce9rcAKOLqtf7g3Gg 

  第二次着陆采样区一带的三维地形DEM 

    

由着陆前的三次下降观测数据绘制。来源:JAXA 

    

  一时间,银瓶乍破,碎石漫天,隼鸟2号与小行星龙宫再次完成了一场电光火石的“邂逅”,然后迅速上升。 

 

 

20197119:03:54-9:11:44(机上,北京时间),隼鸟2CAM-H相机拍摄的降落、采样、上升过程(10倍速)。初始高度8.5米,最后高度150米。来源:JAXA 

    

  尽管第一次采样对探测器造成了一点损伤,隼鸟2号已经不像刚抵达龙宫时那么健康了。但在项目组的精心谋划和反复演习之下,隼鸟2号依然顺利完成了第二次着陆采样,而且比第一次着陆还要精准。 

  实际着陆点和计划着陆区中心只差了60厘米!(第一次是差了1米)。 

 

(左)着陆点(蓝点)和计划着陆区C01-Cb的中心(绿点)的位置;(右)采样杆接触点的位置(黄圈)。来源:JAXA 

    

  第二次短兵相接后留下的暴行痕迹 

    

 

(上)20197119:06:32ONC-W1相机拍摄,可见漫天碎石。(下)同日9:08:52(均为机上、北京时间),ONC-W1相机拍摄,可见子弹打出的新鲜物质比周围更暗。来源:JAXA、东大等。 

    

  712日,隼鸟2号带着从龙宫地下次表层采集的物质,安全回到距离龙宫表面20公里高处的伴飞位置,第二次着陆采样圆满成功。 

 

JAXA控制室里再次传来成功的欢呼声。来源:JAXA 

    

  两次着陆采样点分别被命名为“玉手箱”(Tamatebako)和“万宝槌”(Uchide-no-kozuchi),均来源于日本传说故事。 

 

第一次着陆采样点TD1和第二次着陆采样点TD2的位置。来源:JAXA、东大等。 

    

  这是人类首在小行星上成功完成多次着陆采样,并首次采集到次表层地下样品。 

  至此,隼鸟2号两发两中,成功收入了小行星龙宫表面和次表层地下的物质样本。不过在返回地球之前,它还有最后一个小任务要完成,那就是:投下最后一枚巡视器MINERVA-II2 

    

  投下最后一枚巡视器:一场奇幻旅程 

  然而很不幸的是,最后一枚巡视器从201811月开始就已经检测出了故障,只能保持通讯,但无法启动数据处理等响应了。也就是说,这枚巡视器最初计划的着陆龙宫表面、移动和拍照等工作都无法完成了。(不过也没什么关系,去年投放的两枚MINERVA-II1已经完美完成了这些工作)。 

 

MINERVA-II2基本情况。改编自:东北大。 

    

  但隼鸟2号项目组并没有放弃让最后这枚巡视器和还剩下的几枚标记球发挥余热。 

  在已经无法拍照和观测的情况下,隼鸟2号项目组极尽巧思,让两枚标记球TM-ETM-C和巡视器MINERVA-II2从更高的高度上(约1公里高处)被释放向龙宫表面,观察它们在龙宫微弱引力下的运动状态,同时提升龙宫的重力场模型。(本节详见:隼鸟2号:标记球和巡视器的奇幻环球旅程https://mp.weixin.qq.com/s/kJ5GZLU4kNyJZa99XkR0dw 

  在龙宫微弱的引力之下,三个小家伙都经历了一场前所未有的奇幻旅程:花了几天时间、环绕小行星龙宫数圈,才缓缓落在了龙宫表面。 

 

 

时间均为北京时间。来源:JAXA、千叶工大等。 

    

  这是人类迄今为止向地外天体投放的最小的人造环球“卫星”,也是世界首次成功向环小天体轨道投放复数颗人造卫星。 

    

  为此,隼鸟2号项目组用人类最早的两颗人造,卫星斯普尼克1号(Sputnik 1)和探险者1号(Explorer 1),为两颗标记球TM-CTM-E命名,分别命名为斯普尼克和探险者。 

苏联的斯普尼克1号(左)和美国的探险者1号(右)。来源:维基 

    

  返航:前方地球,再见龙宫! 

  20191113日,隼鸟2号启动RCS推进器,从伴飞位置开始远离小行星龙宫,正式进入“返航模式”。 

 

隼鸟2号启程离开龙宫的日程表。改编自:JAXA 

    

  返航最初的5天,隼鸟2号会为龙宫拍摄一系列告别照,此后就会改变朝向,再也看不到龙宫了。 

  最后一张龙宫近照,往后余生,渐行渐远。 

201911139:15(北京时间),刚刚出发的隼鸟2号用ONC-T相机拍摄的龙宫。来源:JAXA、千叶工大 

    

  终于要说再见了。 

20191112日,隼鸟2号正式启程前的控制室。来源:JAXA 

  如果一切顺利的话,隼鸟2号将于202012月抵达地球,装着珍贵小行星样本的返回舱将再入地球灼热的大气层,降落在澳大利亚的Woomera——这也是10年前的不死鸟,隼鸟初号机返回舱落下的地方。

 

澳大利亚Woomera返回区位置。来源:JAXA 

    

  等待着拥抱龙宫样品的无菌操作室已经准备好了。 

 

来源:JAXA/安部正真 

    

  2019这一年,太长也太短。 

  再见了,龙宫! 

  辛苦了,隼鸟2号! 

  2020年,我们相约地球再见! 

    

  参考文献 

  [1] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20191112_ver10.pdf 

  [2] 近日参上「はやぶさ2」第7  小型探査ローバMINERVA-II1、いよいよ小惑星へ着陸/リュウグウを表面で探査する─小型着陸機MASCOT 

  http://www.isas.jaxa.jp/feature/hayabusa2/haya2_07.html 

  [3] JAXA | MINERVA-II1が撮影した画像、第2弾! 

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180927_MNRV/ 

  [4] タッチダウン地点 

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190220_TDPoint/ 

  [5] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190305_ver9.pdf 

  [6] はやぶさ2による小惑星レゴリス試料採取を模擬した衝突実験 

  http://planetary.jp/future_sse/post-hayabusa2/post-hayabusa2_file/regolith-sampling_2015-3-247.html 

  [7] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190206_ver8.pdf 

  [8] TPS | Hayabusa2 has touched down on Ryugu! 

  http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/hayabusa2-touches-down.html 

  [9] JAXA | タッチダウン直後の画像 

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190225_TD1_W1image/ 

  [10] JAXA | 「はやぶさ2」タッチダウン想像図CG/"Hayabusa2" CG Animation 

  https://www.youtube.com/watch?v=OR-vN1xyfF0 

  [11] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190318_ver8.pdf 

  [12] Saiki, T., Imamura, H., Arakawa, M., Wada, K., Takagi, Y., Hayakawa, M., ... & Okamoto, C. (2017). The small carry-on impactor (SCI) and the Hayabusa2 impact experiment. Space Science Reviews, 208(1-4), 165-186. 

  [13] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190318_ver8.pdf 

  [14] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190509_ver6.pdf 

  [15] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190709_ver8.pdf 

  [16] 2回タッチダウンの画像公開 http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190726_TD2_images/ 

  [17] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190725_ver9.pdf 

  [18] 2回タッチダウン画像速報http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190711_PPTD_ImageBulletin/ 

  [19] 「はやぶさ2」第2回タッチダウン運用 管制室前ライブ配信 

  https://www.youtube.com/watch?v=QazGb1pIHMA 

  [20] MINERVA-2 ローバ2分離運用について 

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Minerva-II2_PressConf_Sep24_2019_Yoshida_jp.pdf 

  [21] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190924_ver4.pdf 

  [22] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20191028_verP.pdf 

  [23] MINERVA-2 ローバ2分離運用結果  

  https://fanfun.jaxa.jp/countdown/hayabusa2/press/files/20191028_minerva-II2.pdf 

  [24] 〝さよならリュウグウ?キャンペーンのお知らせ 

  http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20191113_SAYONARA_Ryugu/ 

  [25] https://twitter.com/haya2_jaxa/status/1194471318709649408 

  [26] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190822_ver12.pdf 

  [27] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190611_ver6a.pdf 

 
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