王存恩（北京空間科技信息研究所）

日本即將發(fā)射隼鳥－2小行星探測器

王存恩（北京空間科技信息研究所）

日本將于2014年11月30日用H－2A火箭發(fā)射隼鳥－2（Hayabusa－2）小行星探測器。該探測器將于2018年到達在地球和火星之間軌道上運行的小行星1999JU3，并于2020年攜帶采樣返回地球。2003年升空的日本“隼鳥”探測器在目標小行星附近及其表面共停留了3個月，預計隼鳥－2停留時間將延長到1年半左右。隼鳥－2將觀測目標小行星表面，實施著陸并采集其表面下數(shù)十厘米處的物質(zhì)。分析這些物質(zhì)，有望解答太陽系形成和生命起源的若干謎題。

1 引言

早在2005年11月日本“隼鳥”飛抵小行星糸川，并完成在糸川上著陸、取樣后不久，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）就針對“隼鳥”后繼星是否應立項、若立項是否還采用“隼鳥”的公用平臺以及選擇哪顆小行星作為探測對象等進行了深入研究，并明確：①應盡快立項；②首顆后繼探測器依舊采用“隼鳥”公用平臺，從第3個“隼鳥”系列探測器起再采用新研制的平臺；③“隼鳥”后繼探測器探測對象選擇小行星1999JU3。

隼鳥－2將以小行星1999JU3作為觀測和采樣對象，其原因是絕大多數(shù)C型小行星都距地球很遠，唯1999JU3是位于地球軌道附近的小行星。它上面不僅含豐富的礦物質(zhì)和水，而且地質(zhì)結構也比小行星糸川復雜，既適于“隼鳥”探測，又可通過對其觀測，有助于達到進一步搞清楚太陽系誕生之際小天體上是否就已存在礦物質(zhì)、水和有機物，以及解開形成生命物質(zhì)之謎的目的。

2 探測器概況

隼鳥－2仍采用“隼鳥”所采用的箱型結構，但為解決“隼鳥”在軌運行階段所出現(xiàn)的一系列問題，滿足與小行星1999JU3交會、觀測、著陸、撞擊并形成火山坑，且完成取樣和返回等飛行任務要求。在進行系統(tǒng)方案審定時，就決定對天線、化學燃料推力器及其配管的設計、反作用飛輪數(shù)量和配置、離子發(fā)動機推力器的設計等做了必要的修改，增加了推進劑的攜帶量；設計并開發(fā)了撞擊小行星1999JU3表面（在小行星1999JU3上形成火山坑）用的撞擊裝置；調(diào)整了有效載荷系統(tǒng)中遙感器的配置，改進了采樣器彈丸的設計等。

另外，“隼鳥”是以非自主式下達向軌道投放小型跳躍式機器人“密涅瓦”（MINERVE）指令，沒有將延遲時間（約16s）計算在內(nèi)，因此，也就沒能將“密涅瓦”投放到小行星糸川表面，而成為一顆繞小行星糸川運行的人造衛(wèi)星；隼鳥－2采用自主式下達投放密涅瓦－2指令的方式，確保可精確地計算從下達指令到接收到并執(zhí)行指令間的時差；伴隨采樣對象等變化，對包括信息采集機器人“密涅瓦”和采樣器等有效載荷系統(tǒng)儀器和設備的配置也做了相應的調(diào)整；增加了著陸器等。

隼鳥－2和“隼鳥”的主要性能和參數(shù)比較

3 發(fā)射隼鳥－2的目的、意義及要實現(xiàn)的目標

發(fā)射隼鳥－2的意義

日本認為研制和發(fā)射隼鳥－2不僅有重大的科學意義，而且有深遠的技術意義和難以估量的社會意義。

（1）重大的科學意義—有助于搞清楚太陽系的起源、進化和生命的起源

太陽系形成初期，無論是地球、海洋和生命起源的物質(zhì)都蘊含在非常原始的母天體中，且彼此密切接觸，通過對至今相互間仍保持著的這種關系的原始天體進行觀測、取樣，并將其帶回地面進行深入分析，對搞清楚太陽系的起源、進化過程，弄清楚生命的起源等都具有重大意義。

（2）深遠的技術意義—旨在保持領先世界的深空探測技術

“隼鳥”作為世界上首個在小行星上著陸、取樣并攜帶樣品返回地面的探測器，向許多新技術發(fā)起了挑戰(zhàn)并獲成功。繼承其積累的相關經(jīng)驗，確立更加先進、扎實的深空探測技術，有深遠的意義，對人類拓展空間探測領域是一項重大貢獻。

（3）難以估算的社會意義—通過國際合作培養(yǎng)人才，將取得的成果回饋社會

1）在國際合作方面。通過開展國際合作（特別是在搭載有效載荷方面的合作），向各國科學家提供隼鳥－2所獲取的科學觀測數(shù)據(jù)，提供從小行星1999JU3上采集到的樣品和經(jīng)全面詳細分析后的數(shù)據(jù)信息，既為國際社會做貢獻，也盡日本在航天國際合作領域應盡的責任和義務。

2）在人才培養(yǎng)方面。日本通過“隼鳥”系列的研制、發(fā)射和應用實踐，不僅取得了國際領先的科學研究和技術開發(fā)成果，也真正擔負起所應承諾的科技立國和培養(yǎng)跨世紀人才之重任。希望涌現(xiàn)出更多像川口淳一郎（“隼鳥”項目組組長，因設計、開發(fā)和應用“隼鳥”并選擇有效地操控手段將采集到的樣品帶回地面，而被評為2011年世界航天10大新聞人物，現(xiàn)擔任航天開發(fā)本部事務局長）之類的人才。

隼鳥－2與小行星1999JU3交會、取樣過程示意圖

3）回饋社會。“隼鳥”系列探測器所取得的一系列重大成果受到國際社會的極大關注，通過研制、發(fā)射和應用隼鳥－2，可繼續(xù)獲取和梳理研究成果并回饋社會，使之成為開展實踐教育和文化活動的有用素材。

發(fā)射隼鳥－2的目的和實現(xiàn)的目標

發(fā)射隼鳥－2既有科學方面的目的，也有工程方面的目的，要達到的這兩項目的中又包括基本（最低，minimum）目標、圓滿（ful）目標和超完美（extort）目標。設計團隊提出要竭盡全力達到超完美目標，力爭實現(xiàn)圓滿目標，要求起碼要確保完成基本目標。

（1）科學方面的目的與目標

科學方面有兩大目的：①調(diào)查C型小行星在物質(zhì)科學方面的特性，進一步確認小行星1999JU3上含礦物質(zhì)、水和有機物的情況，特別是要搞清楚它們之間相互作用的情況；②通過對小行星1999JU3的直接探測，調(diào)查其再集成過程、內(nèi)部結構和地下物質(zhì)等，為搞清小行星的形成過程提供第一手材料。

科學目標包括基本目標、圓滿目標和超完美目標。

1）目標1的3個目標。①基本目標：通過在小行星1999JU3附近進行觀測，搞清楚C型小行星在物質(zhì)結構方面的情況，獲取新的知識（起碼要獲取小行星表面的10組數(shù)據(jù)）。判斷是否達到目的的時間期限為隼鳥－2到達小行星1999JU3的1年之后。②圓滿目標：通過對采集到的樣品進行初始分析，獲取與礦物質(zhì)、水和有機物質(zhì)等有關的新知識（采集的樣品要多于100mg）。判斷是否達到目的的時間期限為將采集到的樣品裝入回收密封艙內(nèi)并帶回地面1年之后。③超完美目標：通過將天體定標信息與精密定標信息的對照、分析和比較，獲取與地球、海洋的形成，生命材料物質(zhì)的生成有關的、新的科學成果。判斷是否達到目的的時間期限為將采集到的樣品裝入回收密封艙內(nèi)并帶回地面1年之后。

2）目標2的3個目標。①基本目標：通過在小行星附近進行觀測，獲取與小行星1999JU3內(nèi)部結構等有關的知識（確定小行星的體積、密度，其精度要優(yōu)于±7%）。判斷是否達到目的的時間期限為隼鳥－2飛抵小行星1999JU3的1年之后。②圓滿目標：利用觀測相機觀測撞擊裝置撞擊小行星1999JU3時所發(fā)生的各種現(xiàn)象，獲取與小行星1999JU3內(nèi)部結構以及地下物質(zhì)成分等相關的新知識（獲取生成的火山坑的數(shù)據(jù)，其面積為以這一火山坑為中心，向周圍各方向延伸100m的范圍內(nèi)，對火山坑數(shù)據(jù)的分辨率要優(yōu)于20cm）。判斷是否達到目的的時間期限為隼鳥－2飛離小行星1999JU3之時。③超完美目標：獲得包括與小行星1999JU3遭撞擊后的破壞情況和再集成過程等有關的新知識，更進一步則要獲取小行星1999JU3形成過程等的科學成果；利用探測機器人（含小型著陸器和小型小行星登陸車，即密涅瓦－2）獲取與小行星1999JU3表層環(huán)境等有關的科學成果。判斷是否達到目的的時間期限為將采集到的樣品裝入回收密封艙內(nèi)并帶回地面1年之后。

隼鳥-2上的取樣裝置

（2）工程方面的目的與目標

工程方面有兩大目的：①進一步驗證在“隼鳥”所實驗和驗證的新技術，提高其魯棒性、可靠性以及可應用性，使這些技術日臻成熟、完善。②驗證利用撞擊裝置撞擊天體的技術。

工程方面也包括基本目標、圓滿目標和超完美目標。

1）目標1的3個目標。①基本目標：實現(xiàn)用離子發(fā)動機作為深空探測用推進系統(tǒng)，并完成與被觀測對象小行星1999JU3交會。判斷是否達到目的的時間期限為隼鳥－2到達小行星1999JU3之時。②圓滿目標：實現(xiàn)探測用機器人成功地在小行星1999JU3表面著陸，完成對小行星1999JU3表面取樣（采集到的樣品需超過100mg）。判斷是否達到目的的時間期限為采集到的樣品裝入到回收密封艙內(nèi)且攜帶其返回地面之時。③超完美目標：等待最后確定。

2）目標2的3個目標。①基本目標：成功地構建利用撞擊裝置撞擊天體的系統(tǒng)體系，完成利用撞擊裝置撞擊小行星1999JU3的任務。判斷是否達到目的期限為確認撞擊裝置成功撞擊小行星1999JU3并形成火山坑之時。②圓滿目標：利用撞擊裝置成功撞擊選定的區(qū)域并形成火山坑（從撞擊目標點向四周延伸，其半徑為100m的范圍）。判斷是否達到目的的時間期限為確認利用撞擊裝置撞擊小行星1999JU3并形成火山坑之時。③超完美目標：利用采樣器采集到由撞擊裝置撞擊小行星1999JU3后裸露在表面的地下物質(zhì)。判斷是否達到目的的時間期限為將采集到的樣品裝入回收密封艙內(nèi)并將其成功地帶回地面之時。

4 隼鳥－2在“隼鳥”基礎上做的技術改進

公用平臺

隼鳥－2公用平臺由電源、高速通信、姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)處理、推進和熱控等6個系統(tǒng)組成。

（1）電源系統(tǒng)

采用總線電壓，即串聯(lián)轉(zhuǎn)換調(diào)壓恒壓（SSRCV）控制方式，在太陽電池翼（SAP）和探測器的一次總線電壓之間串聯(lián)插入了場效應晶體管（FET）開關，控制二次電壓使之保持一定，這樣就可按實際負荷電力，使一次總線電壓一側(cè)的工作點由開放電壓（Voc）點向最大耗電量點移動，做到即使出現(xiàn)硅雪崩光電二極管（SAP）等高線間隔（VI）曲線變化大的情況，仍可根據(jù)需要，乃至到最大耗電量點的情況下進行應用，不需要進行分流和設置分流控制電路。

繼續(xù)采用由鋰離子單元、充放電電路、變壓器（VT）充電電路和保護電路等組成的鋰離子（Li-Ion）蓄電池，其優(yōu)點是功率容量質(zhì)量比很高：額定容量達13.2A ·h，端子電壓為46.2V。2005年12月8日，“隼鳥”出現(xiàn)蓄電池突然停止各種功能，探測器一度喪失三軸姿態(tài)控制的問題，主要原因是過放電使11個蓄電池單元中的4個單元出現(xiàn)短路。再捕獲后探測器恢復了正?？刂?，通過給蓄電池再充電，且控制充電電流使之保持在最小，保證了蓄電池工作正常。不過，2007年2月電源系統(tǒng)突然全部喪失功能，導致無法向探測器提供所需能量。分析認為是電子線路故障所致，蓄電池電子線路生產(chǎn)廠家按照隼鳥－2設計者的要求，對“隼鳥”的蓄電池電子線路進行了必要的改進，增大了對充電電流的控制力度，確?？杀３衷陬~定范圍。當出現(xiàn)充電電流過高現(xiàn)象時，探測器本身攜帶的健康診斷系統(tǒng)就會提前向設計者、地面管控人員發(fā)送出現(xiàn)充電電流過高/超過允許范圍預報的信息，設計者、地面管控人員根據(jù)預報信息進行研究、判斷，預先考慮并制定故障對策。

隼鳥－2仍采用對稱配置且采用3層結構的高轉(zhuǎn)換效率的太陽電池單元，為防止因離子發(fā)動機（IES）工作時所形成的等離子環(huán)境誘發(fā)太陽電池單元間放電，采取了可使相鄰的電池單元間的壓差保持在最小，并在可能產(chǎn)生較大電位差的各處，配置防止放電用的鑄模等措施。另外，在太陽光照射到太陽電池翼后重新啟動探測器電源時，可能會導致總線電壓出現(xiàn)波動等。隼鳥－2在“隼鳥”的基礎上增設了電源功率控制功能，在一旦出現(xiàn)諸如太陽電池翼產(chǎn)生的電能即將超過允許負荷現(xiàn)象前，就會采取在功率控制單元（PCU）內(nèi)部對太陽電池翼輸出進行分流等措施。同時，探測器上配備的健康診斷系統(tǒng)也會提前預報已出現(xiàn)或可能會出現(xiàn)超過允許負荷之先兆，提請設計者、管控人員注意，考慮采取相應對策。

（2）高速通信系統(tǒng)

“隼鳥”采用的是配置X頻段發(fā)射/接收機的高速通信系統(tǒng)，較好地完成了各項任務，但也曾于2005年11月28日出現(xiàn)無法確保通信功能的狀況，11月29日l0時，進行多次開啟實驗后，才使無線電信標信號通信鏈路恢復正常。

為解決上述問題，確保地面與探測器間保持不間斷的通信聯(lián)系，隼鳥－2選用在已發(fā)射的金星探測器上采用的Ka頻段32GHz通信系統(tǒng)代替“隼鳥”用的X頻段8GHz通信系統(tǒng)，并用經(jīng)飛行驗證的高增益平面天線組成的高可靠性天線陣，代替“隼鳥”的拋物面天線，組成了高速的通信系統(tǒng)。大量的地面仿真試驗證明，這種通信系統(tǒng)的可靠性遠遠優(yōu)于“隼鳥”使用的通信系統(tǒng)。

（3）姿態(tài)控制系統(tǒng)

隼鳥－2仍采用“隼鳥”采用的小角動量三軸控制，但執(zhí)行機構的飛輪配置由原來的3個反作用輪改為4個反作用輪（采用斜裝方式）?！蚌励B”初始設計時也曾考慮4個反作用輪方式，但受分配給姿態(tài)控制系統(tǒng)質(zhì)量等方面的限制，以及論證過程確認即便采用3個反作用輪／2個反作用輪的三軸姿態(tài)控制方式，仍可做到即便3個反作用輪中1個出故障，仍可使探測器保持穩(wěn)定姿態(tài)，使姿態(tài)控制精度達0.1°。不過“隼鳥”在軌運行期間，即2005年7月30日和10月2日，配置在X軸和Y軸的飛輪[美國伊薩科空間系統(tǒng)公司（Ithaco）的A型產(chǎn)品]先后出現(xiàn)故障，其原因是飛輪內(nèi)部鋁箔材質(zhì)的金屬襯墊脫落，導致飛輪無法轉(zhuǎn)動。盡管都立即采取了恢復作業(yè)等操作，但均未獲成功，致使控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定度都無法滿足設計要求。最初僅1個飛輪故障時，是用2個飛輪和化學推進系統(tǒng)對探測器進行控制；而2005年10月2日Y軸飛輪又出現(xiàn)故障，接著2005年底先是1臺發(fā)動機的燃料泄漏，不得不改用尚正常工作的1個飛輪和尚正常的化學推進系統(tǒng)進行下降和著陸控制作業(yè)。雖然影響了姿態(tài)、軌道控制和著陸精準度，但獲得成功。而到了2006年初，竟出現(xiàn)探測器所攜帶的化學推進系統(tǒng)燃料全部漏光，無法正常進行姿態(tài)和軌道控制，設計者、管控專家們協(xié)商后不得不做出改用尚正常工作的1個飛輪和離子發(fā)動機進行姿態(tài)軌道控制，以及離軌和再入控制作業(yè)的決定。盡管控制精度下降，增加了作業(yè)難度，且大幅度推遲了探測器返回地面的時間，但靠著管控專家們的睿智，還是使“隼鳥”返回艙得以安全返回地面。

隼鳥－2公用平臺（左）與有效載荷艙（右）上主要設備的配置圖

針對“隼鳥”姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)出現(xiàn)的嚴重問題，日本宇宙科學研究所（ISAS）決定對“隼鳥”的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)做必要的修改：包括執(zhí)行機構由原來的3個反作用輪改為4個斜裝反作用輪，規(guī)定對產(chǎn)品，特別是采購件必須進行嚴格檢查，避免類似事故導致飛輪無法轉(zhuǎn)動等問題的再次發(fā)生。由于采用配置4個斜裝反作用輪，可做到即便4個飛輪中有2個出故障仍可確保探測器高可靠、穩(wěn)定運行、完成著陸、成功取樣等任務，并安全地返回地面。

（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為“隼鳥”在極其困難的情況下完成尋的、交會、采樣、返回和安全著陸等飛行任務發(fā)揮了重要作用，因此隼鳥－2基本沿用了“隼鳥”的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，但為杜絕“隼鳥”曾出現(xiàn)的因沒有把遙操作的時間延遲計算在內(nèi)，導致未能將“密涅瓦”投放到小行星糸川表面等嚴重錯誤，改進了遙操作時間延遲計算方法，配備了自主計算時間延遲用的計算系統(tǒng)，并利用地面仿真系統(tǒng)反復核對，從下達向軌道投放密涅瓦－2指令到接收到并執(zhí)行投放指令間的時間間隔，同時要求以“隼鳥”曾出現(xiàn)的人為差錯為戒，杜絕類似低級錯誤，確保向軌道投放密涅瓦－2成功，完成探測、攝像和數(shù)據(jù)采集等飛行任務。

隼鳥－2的化學推進器

（5）推進系統(tǒng)

“隼鳥”以推力為10μN微波放電式氙離子發(fā)動機系統(tǒng)（IES）作為主發(fā)動機，同時配備23N雙元液體肼推進系統(tǒng)，與離子發(fā)動機系統(tǒng)相配合進行姿態(tài)軌道控制與返回操作。雖然2007年4月20日曾出現(xiàn)因離子發(fā)動機中B推力器中和電壓突然上升故障，但按照探測器本身配置的健康診斷系統(tǒng)建議，關閉了這臺推力器，依靠D推力器仍確保了探測器繼續(xù)穩(wěn)定加速飛行。在雙元液體肼推進系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，靠離子發(fā)動機和尚正常工作的1個反作用輪，對“隼鳥”成功進行了包括離軌以及再入返回等關鍵時刻的關鍵控制，并將裝有樣品的返回艙安全地帶回地面。因此，隼鳥－2依然繼續(xù)選用“隼鳥”的推力為10μN的微波放電式氙離子發(fā)動機。但為使其性能更好，功能更強，可靠性更高，根據(jù)執(zhí)行飛往小行星1999JU3所應運行的軌道，對離子發(fā)動機本身進行了必要的改進。

雙元液體肼推進系統(tǒng)，在“隼鳥”發(fā)射僅2年多的時間，即2005年11月26日，就出現(xiàn)了1臺發(fā)動機燃料泄漏情況；接著，2005年11月27日，因閉鎖閥堵塞或管道內(nèi)的液態(tài)燃料凍結等原因，致使另1臺噴氣發(fā)動機出現(xiàn)燃料泄漏事件，導致系統(tǒng)功能嚴重下降；而2006年1月26日，探測器的化學推進系統(tǒng)中的所有燃料全部漏光，無法進行地球指向控制，管控專家不得不下達利用離子發(fā)動機噴射氙冷氣的方法來改變和控制探測器姿態(tài)的指令，才確保了有效載荷指向地球，太陽電池翼指向太陽，使探測器保持正常工作。

隼鳥－2的離子發(fā)動機

對隼鳥－2雙元液體肼推進系統(tǒng)發(fā)動機及其所出現(xiàn)的故障進行認真分析，不僅修改了系統(tǒng)設計，還修改了導致燃料泄漏的閉鎖閥的設計，全面更換了配管。地面仿真試驗證明，新的肼雙元液體推進系統(tǒng)可滿足設計性能要求。

（6）熱控系統(tǒng)

“隼鳥”的熱控系統(tǒng)是成功的，所以隼鳥－2依然采用“隼鳥”的熱控系統(tǒng)。但根據(jù)在軌工作情況，對其配備的加熱器控制用電子裝置（HCE）做了必要的改進，修改、完善了加熱器耗電量控制用的軟件，達到可更有效地控制加熱器耗電量峰值的目的。當出現(xiàn)加熱器即將超過耗電量額定峰值時，探測器上配備的健康診斷系統(tǒng)就會提前向設計者、地面管控人員發(fā)出預警信息，地面管控人員可根據(jù)實際情況采取對策。

有效載荷平臺

隼鳥－2有效載荷平臺上配備了7種有效載荷儀器，在“隼鳥”的基礎上增加了中紅外攝像敏感器（TIR）和分離監(jiān)控攝像敏感器（DCAM），減少了X頻段熒光分光計（XRS）。

隼鳥－2有效載荷系統(tǒng)繼續(xù)采用了“隼鳥”的遠景攝像敏感器、激光高度計、采樣器、再入密封艙和密涅瓦－2，但設計時根據(jù)需求做了以下變化。

1）替換了遠景攝像敏感器中的部分濾波器。

2）對“隼鳥”所搭載的激光高度計反射鏡的反射率進行了必要的調(diào)整，目的是使激光高度計的反射率能夠與小行星1999JU3表面的反射率保持一致。

3）采樣器角狀漏斗的前端配置了翻卷機構，目的是要增強前端的強度，同時還將這種翻卷機構作為可更換備件。

4）采集器中配備了可從采樣器上彈射出的彈子?！蚌励B”所彈射出的彈子是圓形，質(zhì)量為5g；隼鳥－2改為圓錐形，質(zhì)量為3g，圓錐形彈子的圓錐角為90°。實驗證明，隼鳥－2彈射出的彈子的實際彈射和撞擊效果優(yōu)于“隼鳥”。“隼鳥”上配備有2顆彈子；隼鳥－2上計劃配備多顆。

5）在再入密封艙內(nèi)增加了計測儀表，目的是確保地面管控人員實時掌握再入密封艙內(nèi)的真實情況。

6）增配了在已發(fā)射的金星探測器上搭載的近紅外分光器（NIRS），其觀測波長包括3μm波段，用它可準確、有效地調(diào)查小行星1999JU3表面的土壤對水分的吸收能力。

7）搭載了新研制的直徑為20cm、質(zhì)量為10kg，裝滿炸藥的圓筒形撞擊裝置，撞擊裝置在與探測器分離后沖向小行星1999JU3，以爆壓方式使之殼體變形成一個堅硬的金屬塊，撞擊選定的目標點，形成火山坑。這樣就可使采樣器不僅能夠采集到小行星1999JU3表面，還能采集到其內(nèi)部的各種物質(zhì)。

8）新配備了在2010年5月發(fā)射的“伊卡洛斯”（IKAROS）衛(wèi)星上已用過的、配備有魚眼透鏡相機的分離監(jiān)控攝像敏感器，用來監(jiān)視撞擊裝置與探測器分離，以及撞擊裝置撞擊小行星1999JU3的狀況，拍攝采樣器采集樣品的全過程。

9）密涅瓦－2和“隼鳥”上所搭載的“密涅瓦”基本相同，但強化了用自主計算探測器與小行星間相對距離和相對速度的功能，“隼鳥”搭載了1個“密涅瓦”，而隼鳥－2則搭載了3個密涅瓦－2。

10）新配備的小型著陸器由德國航空航天中心提供，質(zhì)量約為10kg，主要組成部件包括廣角攝像機（CAM）、熱輻射計（MARA）、磁強計（MAG），以及分光顯微鏡（MicrOmega）等，登陸后利用上述4種觀測裝置，除獲取與小行星1999JU3的相關數(shù)據(jù)外，還將執(zhí)行微重力實驗和提供支持跟蹤服務任務等。

5 探測對象— C型小行星1999JU3的基本情況

通過大量的地面觀測已確認小行星1999JU3是一個直徑為900m的C型小行星（其面積大小為S型小行星糸川的2倍），還獲得了包括其現(xiàn)狀、自轉(zhuǎn)周期、自轉(zhuǎn)軸方向、反射率等主要信息。小行星1999JU3的自轉(zhuǎn)周期約為7.6h，比“隼鳥”短（“隼鳥”約為12h）。研究結果表明，自轉(zhuǎn)周期越短，探測器觸地采樣越難。通常情況下，很難對自轉(zhuǎn)周期小于7h的小行星進行采樣。

隼鳥－2的撞擊裝置

隼鳥-2上攜帶的小型著陸器

小行星1999JU3的基本物理量

之所以把小行星1999JU3定為觀測對象，主要原因有三：

1）小行星1999JU是一顆與糸川（S型）完全不同類型的小行星（C型）。

2）滿足取樣返回條件。其軌道與小行星糸川相似，都在從地球飛往火星的軌道路徑中，且其運行軌道傾角小，基本是沿著黃道面運行，可為掌握隼鳥－2的后繼星以及正在研制的火星探測器的軌道運行控制技能等積累經(jīng)驗。

3）它不僅可對獲取太陽系誕生之際小天體上是否就已存在有機物和水等相關信息，還可對解開形成生命物質(zhì)之謎提供幫助。

當然，也存在小行星自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向方面的問題。小行星1999JU3自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向應與黃道面相垂直，而實際上其轉(zhuǎn)動方向卻可能與黃道面之間有一個相當大的傾角。因此，在對小行星1999JU3進行觀測時，除要進一步觀測其自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向外，還要確認其自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向與黃道面間傾角的大小，在此基礎上再確定在隼鳥－2應用過程中應采取哪些有效對策。

另外，小行星1999JU3的表面反射率相當小，據(jù)估算僅為0.070。也就是說，其表面很可能是一片有點發(fā)黑的區(qū)域（這一區(qū)域的反射面小，這也是C型小行星的一個特征）。針對存在的這些問題，除必須研究如何才能正確地計算并確定小行星1999JU3可露出的區(qū)域，以及可供拍攝的時間外，還必須配置既有利于進行距離測量，又能滿足對激光反射不那么強烈（較弱）的著陸敏感器。迄今所進行的觀測和研究分析結果證明，無論從任何一個方位看，小行星1999JU3都是一個近視于球形的小星體，以變光方式對其進行觀測也可斷定它就是一個球形的小天體，不過到2012年底尚未利用激光對小行星1999JU3進行觀測。

依據(jù)上述信息，不僅可以判定小行星1999JU3是可著陸取樣的小天體，而且還斷定對其最佳觀測、著陸、取樣的最佳時段除2015－2016年（2011-2012年發(fā)射）外，則是2018－2019年（2014年發(fā)射）。既然來不及在2011年前發(fā)射，就選擇在2014年發(fā)射，這樣2018年就可飛抵小行星1999JU3，2018年6月－2019年12月前就可執(zhí)行對小行星1999JU3進行觀測，并撞擊、著陸、取樣，期待不僅能獲得重要觀測成果，而且能按計劃成功地撞擊并撞擊出希望的火山坑，然后順利地在上面著陸、取樣，并飛離小行星1999JU3，安全返回地面。

配備有魚眼透鏡相機的分離監(jiān)控攝像敏感器

6 隼鳥－2的探測計劃

日本宇宙航空研究開發(fā)機構已決定2014年11月30日用H－2A火箭發(fā)射隼鳥－2，然后啟動微波放電式離子發(fā)動機幫助探測器按要求加速運行，并進行軌道調(diào)整、變軌后，進入最接近地球的運行軌道；2015年12月，正式開始地球借力飛行；離子發(fā)動機在借力飛行后再次啟動，經(jīng)變軌等運行操作，于2018年6月飛抵小行星1999JU3；接著，利用其攜帶的多光譜可見光攝像敏感器、近紅外分光器、中紅外攝像敏感器和激光高度計等，開始近距離地對小行星1999JU3進行詳細觀測。

完成各種基本遙感觀測任務后，執(zhí)行向小行星1999JU3表面投放密涅瓦－2和小型著陸器任務；然后再執(zhí)行探測器觸地（著陸）實驗。采用與“隼鳥”基本相同的模式，即在小行星探測器完成降軌飛行后，探測器上配置的采樣裝置接觸小行星1999JU3表面的瞬間彈射出彈子，從彈子撞擊小行星表面所濺射出的物質(zhì)碎片中采集樣品（小行星表面的物質(zhì)），并將其裝入樣品采集裝置內(nèi)。隼鳥－2離開小行星表面，提升軌道后再將采集樣品盡快裝入到回收容器內(nèi)。

“隼鳥”采集的樣品量太少，僅約10mg，隼鳥－2要從小行星1999JU3采集100mg以上的物質(zhì)。宇宙科學研究所的科學家們正認真地研究和慎重地確定對策。此外，還計劃進行新的嘗試：即利用隼鳥－2上搭載的裝有小型炸藥盒的撞擊裝置在小行星1999JU3上制造火山坑—撞擊裝置在距小行星1999JU3上空幾百米處與隼鳥－2分離，裝有炸藥盒的撞擊裝置在小行星1999JU3上空爆炸，使撞擊裝置變成一個質(zhì)地堅硬、質(zhì)量為2kg的銅金屬球，并以2km/s的速度飛向小行星1999JU3上的目標點，撞擊且形成一個直徑為數(shù)米的火山坑；由探測器上配置的分離監(jiān)控攝像敏感器實時記錄下圓柱形金屬球撞擊小行星表面的全過程。而隼鳥－2上搭載的多光譜可視攝像敏感器、近紅外分光器、中紅外攝像敏感器和激光高度計等觀測儀器和遙感儀器也同時對形成的火山坑進行觀測和記錄。在確認安全的前提下，按照所下達的下降指令，命令隼鳥－2下降并接觸到新形成的火山坑表面，利用樣品采集裝置盡快采集火山坑內(nèi)的物質(zhì)（小行星內(nèi)部的物質(zhì)），并裝入樣品采集裝置內(nèi)，待隼鳥－2飛離小行星表面抵達安全運行軌道后，立即將所搜集到的樣品裝入回收容器內(nèi)。

需要指出的是，從這種剛剛形成的火山坑內(nèi)采集的裸露物質(zhì)其變質(zhì)率很低，幾乎等同于從地下采集。而這些裸露的物質(zhì)如果經(jīng)太陽放射出的電磁波和放射線等照射，其變質(zhì)的幾率會越來越大，隨著時間間隔變長，采集這些樣品的意義也就越來越小。

在撞擊小行星1999JU3的過程中，不僅利用分離監(jiān)控攝像敏感器監(jiān)視/記錄撞擊的實況、濺起的物質(zhì)飛散過程，還可通過其記錄的真實畫面搞清撞擊后飛濺物質(zhì)的飛散模式等，有助于對經(jīng)撞擊后小天體的物理變化以及小行星上物質(zhì)疊積過程等進行分析和研究。

隼鳥－2在小行星1999JU3附近運行1年半左右，完成觀測、著陸、采樣、撞擊、取樣后，于2019年12月飛離小行星1999JU3；再用約1年時間，即2020年末返回地球。返回艙的著陸地點與“隼鳥”相同，仍為澳大利亞海域。密封艙回收后，在保管設施的庫房內(nèi)開封，確認所帶回的樣品數(shù)量，并對其進行分析。

另外，還考慮并研討了如果返回艙與隼鳥－2分離后，隼鳥－2的留軌艙仍繼續(xù)在軌運行的問題。若能實現(xiàn)繼續(xù)在軌運行還可執(zhí)行哪些飛行任務，宇宙科學研究所的科學家們希望它能夠飛往太陽-地球系的拉格朗日點，或接近其他小行星，在這一過程還可執(zhí)行一系列觀測任務。

7 國際合作項目

隼鳥－2是以宇宙科學研究所為主研制的，全面借鑒和繼承了“隼鳥”的成功經(jīng)驗，分析其在軌運行期間所出現(xiàn)的故障，并做了若干改進后開發(fā)的小行星探測器。參加隼鳥－2計劃的外國機構有3家，分別是德國、美國和澳大利亞。其中：

1）德國航空航天中心負責隼鳥－2微重力實驗及其發(fā)射后的跟蹤支持；

利用隼鳥－2Mk進行科學探測的概念圖

2）貫徹日美航天開發(fā)合作的基本思想，貫穿日美在“隼鳥”開發(fā)方面所確定的合作基線，由美國對隼鳥－2的跟蹤和軌道確定等方面提供支持；

3）當初開發(fā)“隼鳥”時就與澳大利亞簽訂了“‘隼鳥’返回艙著陸點定為澳大利亞海域”的備忘錄，“隼鳥”返回艙回收得到了澳大利亞相關部門的大力協(xié)助；隼鳥－2返回艙著陸點仍選在澳大利亞海域，澳大利亞表示愿意予以協(xié)助。

8 隼鳥－2的后繼星隼鳥－2Mk

日本還決定研制隼鳥－2的后繼星—隼鳥－2Mk（暫定名），正研討其在軌所要執(zhí)行的飛行任務：隼鳥－2Mk無論是公用平臺，還是有效載荷艙的設計，以及所要完成的任務，都與隼鳥－2有很大變化。公用平臺設計會更先進：目標是實現(xiàn)結構組合化；電子和機械系統(tǒng)實現(xiàn)集成化，即微機光電（MOEMS）一體化；功能模塊軟件化；有效載荷艙的設計更加完美，搭載的飛行任務儀器將更加先進，完成飛行任務的水平會更高。從目前提出方案看，基本都集中在要完成對2個乃至2個以上的天體進行觀測、著陸、取樣并返回地面，部分專家還提出要實現(xiàn)飛抵比C型小行星更原始的小天體—P或D型小行星，乃至更古老的彗星核，并對其進行觀測、著陸、取樣并返回。還有的科學家提出要在熄火彗星（CAT）天體上著陸、取樣。此外，還就選擇更先進的采樣方法，解決如何采集到盡量多的樣品，不僅采集小天體表層，還要從更深處采集樣品且確保帶回地面后，仍能保持良好的層序性等問題進行了深入地研討。

要達到上述目標，決定隼鳥－2Mk將放棄“隼鳥”所采用的公用艙。按照上述目標和要求重新設計、研制，它將比隼鳥－2的外形和質(zhì)量更大；太陽電池翼將加長，以確保向探測器提供足夠的電能，完成更多的飛行任務；采樣方式也會與“隼鳥”有所不同，如提出了采樣器要配備很長的“腳”，實現(xiàn)以鉆探方式采集樣品，并確保所采集到的樣品保持良好的層序性；隼鳥－2Mk還計劃向小天體上投放會行走的著陸器，直接完成對小天體的詳查乃至取樣等任務。

歐洲的科研人員不止一次向日本提出共同完成隼鳥－2Mk開發(fā)的議案，日本正在研究其可行性。

日本專家們認為，“隼鳥”和隼鳥－2僅僅是日本深空探測計劃的開始，今后將堅持自主開發(fā)的理念，堅持在調(diào)查和了解太陽系以及生命起源和進化的基礎上，繼續(xù)系統(tǒng)、有計劃地開展一系列重要課題的研究；日本作為小行星探測與研究的先驅(qū)者，要以對小行星探測所取得的領先世界水平的研究、開發(fā)和應用成果為契機，繼續(xù)推進研究，并在開發(fā)與應用等方面作出更大貢獻。

計劃采用新標準開發(fā)的隼鳥－2Mk的公用艙和科學探測儀器一覽表

9 結束語

日本早在20世紀80年代中期就提出了小行星探測計劃，而且竭盡全力推進器件微小型化。21世紀初就開發(fā)出先進的微波放電式離子發(fā)動機，研究了尋找非合作目標方法，研制并在“隼鳥”上采用了通過小金屬彈丸撞擊目標—小行星糸川表面，并濺射起碎片，并且成功回收且?guī)Щ氐孛?；在即將發(fā)射的隼鳥－2上，不僅計劃繼續(xù)用改變了設計形狀的彈丸以及采樣器采集樣品，還輔以用備有炸藥的撞擊裝置，以爆壓方式使撞擊裝置的殼體變?yōu)閳杂驳慕饘賶K，以2000m/s的速度撞擊選定的小行星1999JU3表面上的目標點，使之形成火上坑，并從這一火山坑內(nèi)采集樣品；還提出在其后續(xù)計劃隼鳥－2Mk上用配備很長“腳”的采樣器，以鉆探方式采集樣品，使采集到的樣品保持良好的層序性。這一系列活動與計劃絕非一時頭腦發(fā)熱，而是從關鍵技術開發(fā)、未來發(fā)展與應用需求等多方考慮制定的、有深遠的戰(zhàn)略意義的活動。盡管受經(jīng)費影響，錯過了隼鳥－2的首個最佳發(fā)射時段，如果能夠在2014年準時發(fā)射并于2020年完成觀測、著陸、撞擊、取樣和返回，仍會使日本在這一領域處于國際領先地位。

日本在開發(fā)以微波放電式離子發(fā)動機為首的電推進系統(tǒng)，以微波放電式離子發(fā)動機作為軌道控制用主發(fā)動機，小行星探測器在小行星表面著陸、取樣和返回技術，包括借力飛行在內(nèi)的先進的姿態(tài)軌道控制技術，制導、導航與控制技術，自動尋的技術，目標辯識技術，以及對準目標以撞擊方式取樣等技術，都已趕上或躍居世界先進水平，特別是2次在預選點準確地著陸，且每次都能向小行星糸川表面飛速彈射出質(zhì)量僅5g的彈丸且準確地擊中目標點，完成對濺起的巖石碎片回收，并成功裝入回收密封艙內(nèi)帶回地面等成果，在國際上產(chǎn)生重要影響。

各國都關注并表示愿意學習日本的成功經(jīng)驗，特別是面對“隼鳥”在軌運行階段所出現(xiàn)的各種故障，能夠有條不紊地應對，確保“隼鳥”返回艙返回地面的經(jīng)驗；也關注配備改進型彈丸的采樣器及其撞擊裝置的隼鳥－2及其后繼探測器隼鳥－2Mk計劃的進展。這些研究若取得成功，不僅有重要的工程意義，而且有重要的科學意義，還有不可估量的戰(zhàn)略意義。無疑，全世界愛好和平的人們都希望這些技術獲得成功，并通過這些技術發(fā)展推進航天及其相關領域技術的進步，造福于人類；對搞清太陽系誕生之際小天體上是否就已存在有機物和水，以及解開形成生命物質(zhì)之謎發(fā)揮作用；同時，也關注并希望搞清楚日本開展這些研究的戰(zhàn)略目的是什么。