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60厘米精度,日本将太空岩石带回地球壮举的背后隐藏了哪些挑战

日期: 2020-01-07 08:32 浏览次数 : 187

2019-02-24    [据朝日新闻2019年1月9日报道]日本“隼鸟”2号探测器预计将于2019年2月在小行星“龙宫”上着陆并采集样品,该任务可能为太阳系的形成提供线索。    日本宇宙航空研究开发机构在小行星“龙宫”的赤道附近挑选了2个候选着陆点,将在2月初最终确定一个着陆点进行采样。从2月18日~23日,“隼鸟”2号将从距小行星20千米的“原位”位置开始下降。JAXA将使用“目标标记”来制导探测器,这些标记将事先放置在小行星“龙宫”上。    “隼鸟”2号第一次着陆将持续几秒钟,从探测器上将伸出一个1米长的圆柱形装置,称为“号角采样器”,向小行星发射一颗弹丸。“隼鸟”2号将收集弹丸溅射出的沙子和岩石碎片,然后返回“原位”。“隼鸟”2号计划以这种“接触即分离”的方式,进行3次着陆和采样,这些样品可以帮助解释太阳系甚至地球上生命的起源。

在科学中,对于太阳系的出现,科学家们还是比较模糊的,所以一直对太阳系诞生之谜十分的感兴趣,而根据科学最新报道,日本日本探测器“隼鸟2号”又传来好消息,就是要进行对小行星“龙宫”着陆并采集样品,计划时间是定在2月22日,所以说如果这次采样成功,就可能解开太阳系诞生之谜,这是我们值得期待的。

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北京时间2019年7月10日上午9:46,JAXA的隼鸟2号探测器再次从20公里高的伴飞位置开始下降,这样的操作,在过去的一年里它已经执行了数十次。

图片1:“隼鸟2号”探测器准备着陆在小行星“龙宫”表面

根据科学报告显示,本次日本“隼鸟2号”的着陆点采用了高度精确模式,地点半径仅3米,允许的误差极小,所以说这个技术是一项挑战,日本“隼鸟2号”科学团队也表示准备好,在这个离地球3亿公里远处进行“精确”采样,确实是一个较为困难的事情,这是我们所有科学团队都应该佩服的,科学无国界,大家别喷。

但这一次,依然是不容闪失的重大考验。

北京时间2月23日消息,日本宇宙航空研究开发机构2014年发射的一艘小行星探测器日前成功着陆在一颗高速飞行的近地小行星表面,它收集到了样本并准备带回地球用于研究。

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隼鸟2号:龙宫你好,不好意思我又来了

考虑到小行星“龙宫”是一块很小的岩石,漂浮在距离地球约3亿公里的太空中,因此这是一项令人振奋的成就。“隼鸟2号”小行星探测器花了将近4年的时间才抵达“龙宫”这颗小行星,这是人类第二次从这样的小行星上收集样本。

在最初的时候,日本宇航局对小行星“龙宫”的看法不一样,以为是一个较为好着陆的小行星,没想到在2018年6月的时候,在经过新的观察之后,居然小行星“龙宫”并非想的那样,而是覆盖着大量岩石,所以只有推迟着陆时间,寻找一个合适着陆点来进行再次确定降落,而本次采用的还是“倾斜靠近”,以尽量减小碰到地表岩石的危险性。这困难再一次增加了。

隼鸟2号和小行星龙宫的艺术假想图。来源:JAXA [1]

把这样的样本带回地球让许多人感到兴奋,此举浸透了科学家们的艰辛汗水,背后隐藏着哪些困难挑战和伟大意义?

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它花了三年半时间,跋涉数十亿公里,来到这颗名叫“龙宫”、直径只有约900米的近地小行星。

1、火箭载荷有限

所以说日本“隼鸟2号”要想在小行星“龙宫”上“扒皮”还是有点难度的,不过既然已经宣布进行采集,日本科学团队应该也做好了提前的准备,着陆后,机体底部伸出的筒状装置会自动发射金属弹丸,采集飞扬起的沙尘,为了这点“沙尘”还是挺累的,这个“皮”不好削,但是我们还是希望能够成功实现,如果日本获取到了“沙尘”,将可能首次揭开太阳系诞生之谜。

它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

在将宇航员派往小行星之前,人们需要找到一种有效的方法来分析小行星的矿物构成。这里最大的障碍是,由于火箭受到大小和重量制约,其有效载荷是有限的,因此人们无法在火箭上装配最好的科学设备。从这个意义上讲,人类在这些小行星表面上进行科学分析总是受限的。

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隼鸟2号携带的巡视器MINERVA-II1和着陆器MASCOT。来源:JAXA [2]

令科学界兴奋的是,日本科学家找到了一个变通的方法:带回小行星的样本在地球上进行分析。

对于小行星“龙宫”的采集,也是日本首次进行,应该说是科学界第一次对该行星的探索,如果按照科学说法,能够解太阳系诞生之谜那还是不错的,太阳系的存在为人类提供了生存空间,给我们带来了奇妙的世界,所以了解整个太阳系的诞生过程也是我们科学研究的重点,其次也可能会带来一部分太阳系生命探索的基础,我们拭目以待吧,谢谢大家阅读!

它已经顺利完成了一次着陆采样,成功采集到了小行星“龙宫”表面的物质样品。

2、着陆困难

第一次着陆采样

为了实现这一重大壮举,“隼鸟2号”在到达钻石形状的“龙宫”所处的位置后,不得不在六个多月的时间里保持环绕它的轨道运行。在此期间,JAXA团队对这颗小行星进行仔细研究,并为探测器安全着陆制定计划。“隼鸟2号”从其轨道上发射了两台跳跃探测器Rover-1A 和Rover1B ,以勘测该小行星的地形,并寻找着陆点。

降落、接触采样和上升三个阶段在几秒钟里完成,电光火石,干脆利落。来源:JAXA [3]

这是一项极其复杂的任务,因为当两台跳跃探测器执行侦察任务时,“隼鸟2号”必须保持在小行星周围的轨道上,而这颗小行星当时相对于地球的飞行速度超过了22000公里/小时(13891英里/小时)。

激烈采样后留下的“罪证”

当探测器发现这颗小行星的表面对“隼鸟2号”着陆构成挑战时,冒险就变得更加紧张了。虽然JAXA的科学家最初认为“龙宫”的表面是一种“粉状细风化层”,但跳跃探测器发现,这颗小行星的表面实际上由比预期更大的砾石构成。

2019年2月22日6:30,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 [4]

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但这还不够。隼鸟2号还有更大的野心。

图片2:“隼鸟2号”探测器着陆在紫色圆圈内。十字标记出了原本计划着陆的位置。

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。

事实上,“隼鸟2号”能利用探测器内部旋转的质量所产生的扭矩,跳过“龙宫”的低引力场,绕着这颗小行星移动。这与人类在月球和火星上进行探索时使用的轮式探测器完全不同。

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

3、三次采样

为此,隼鸟2号采用了采用了更为暴力和冒险的方式:向龙宫表面投下一枚“炸弹”——重达14公斤的撞击器

在安全着陆后,“隼鸟2号”向这颗小行星的地面发射出子弹,产生出了一堆更小的软碎片。“隼鸟2号”将这些小碎片收集起来后,再次上升到小行星的轨道上。

隼鸟2号投下撞击器&采样示意。来源:JAXA [5]

在接下来的几周到几个月里,“隼鸟2号”还将从“龙宫”上获取另外两个样本。第二次采样的方式将与上一次类似,但第三次有所不同,届时“隼鸟2号”会先向“龙宫”的表面发射一枚铜弹,等待尘埃清除,然后俯冲至小行星表面装载岩石碎片。

直接在龙宫表面炸出了一个直径十多米的人造撞击坑

4、历时数年

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 [6]

虽然到目前为止,包括小行星、矮行星和其他天体在内的近16颗小行星已经被人类的太空探测器探测过,但“隼鸟2号”是人类的探测器第二次成功地直接着陆于小行星,并取样带回地球的记录。前一个记录来自于当前探测器的前身——“隼鸟号”。

用这么危险的方法,折腾了这么大一圈,终极目的还是为了——帮助隼鸟2号在第二次着陆采样时能够采集到龙宫内部炸出的新鲜物质

在2005年的任务中,JAXA发射的探测器成功在小行星系川上着陆,并收集了微小颗粒的样品,这些样品于2010年6月13日被宇宙飞船送回地球。在这5年时间里,日本科学家时刻不停密切监视着“隼鸟号”探测器的一举一动,漫长的旅程也考验着科学家们的耐心,期间出现的意外困难更是数不胜数。

而现在,隼鸟2号终于迎来第二次着陆采样!

5、探索太阳系的历史

哪里着陆?

“隼鸟2号”的主要目标是帮助科学家更好地了解太阳系的早期历史和进化,特别是太阳系内部行星——水星、金星、地球和火星的早期历史和进化。这一任务还可以帮助人类了解像“龙宫”这样的小行星在地球生命形成过程中所发挥的作用,这一问题至今仍是个谜。科学家们现在相信,被认为是谜团关键部分的水,可能是从其他小行星输送到地球的。

通过着陆前的三次下降观测,隼鸟2号项目组最终决定把第二次着陆点安排在人造撞击坑附近的C01-Cb区域内

在“隼鸟号”成功完成任务之后,JAXA于2013年宣布,从这些样品中发现了大约1500颗地外颗粒,包括橄榄石、辉石、斜长石和硫化铁。

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 [7]

美国宇航局也策划了一项类似的任务。NASA的“OSIRIS-REx”探测器于去年12月抵达其目标——直径500米、碳含量丰富的小行星贝努。该探测器计划在2020年获取样本,并于2023年9月将样本运抵地球。

C01-Cb区域一带的高清地貌

也许通过更多这样的任务,人类将能够拼凑出生命起源的故事,并找到利用小行星巨大矿产资源的方法。

PPTD-TM1和PPTD-TM1B两次下降观测获取的着陆区一带高清照片。左图TM是标记球落下的位置,右图H是推算出的高程起伏最大的值,三途岩、小三途岩等石块的名字是临时取的昵称,并不是正式名字。来源:JAXA、东大等 [8]

着陆过程中所需的“指路明灯”——标记球TM-A,已于5月底精准投放在了预定着陆区附近

2019年6月13日,从日本时间10:58-11:01,以7秒间隔拍摄的28张照片拼接而成的备选着陆区地貌。拍摄高度在约52米到108米。来源:JAXA、千叶工大等 [8]

着陆区一带的三维地形DEM

由着陆前的三次下降观测数据绘制。来源:JAXA [7]

第一次vs 第二次采样:新的困境和挑战

尽管有了第一次的经验,第二次着陆采样依然是如履薄冰:隼鸟2号必须精准着陆在相对平坦的预定着陆区里才是安全的。一旦有了偏离,就可能会撞上附近高出的石块,甚至撞坏太阳能板,撞伤隼鸟2号。

也就是说,最坏的情况,隼鸟2号不仅无法完成第二次采样,甚至可能身负重伤,无法返航,让第一次的成功也付诸东流。

这是一场机遇与挑战并存的战役。

更麻烦的是,随着时间的流逝和第一次着陆采样的“暴力摧残”,隼鸟2号已经不再像一开始那么健康了——第一次着陆采样飞溅的尘沙对探测器的感光造成了一定的损害,无论是光学导航相机ONC,还是激光测高LRF的光学系统,都不那么灵敏了。

因此,隼鸟2号项目组针对探测器当下的状态,对第二次着陆采样方案做出了相应的调整。

1)由于广角光学导航相机ONC-W1受到了一定遮挡,捕捉和追踪标记球的能力有所减弱,因此隼鸟2号改为降到更低的高度上再捕捉和跟踪标记球TM,但相应的,对地基控制点导航GCP-NAV的精度要求就提高了。

2)ONC-W1相机受到的遮挡又进一步影响了向标记球TM打光的能力,于是标记球的反光亮度也随着减弱,因此需要调整ONC-W1影像的图像处理算法,使之能够识别出较暗的标记球。但这样又会让探测器很有可能把其他龙宫表面上的亮点误认为是反光的标记球,因此还需要调整探测器识别标记球的时间阈值等参数,确保不误判。

3)LRF的光学系统受到的遮挡导致LRF也必须等探测器降到更低的高度时才能准确完成测距,实际第二次着陆采样是从17米高度处才开始LRF测距的。

4)即使降低了测距高度,LRF的实际距离测量误差依然不可避免地变大了,好在这种测距误差是可预测的,通过软件修正即可,所以最终测距结果的准确性还是得到了保证的。

总之,所有可能的问题都已经预想到,准备过了

结果反而,第二次比第一次还要顺利。

进击,再次得手

比第一次着陆采样幸运,隼鸟2号的第二次着陆采样没出什么幺蛾子。自主下降、悬停、追踪标记球、调整姿态、触地着陆。行云流水一气呵成

改编自:JAXA [9]

从距龙宫表面8.5米高度到触地着陆的过程中,隼鸟2号的飞行状态变化

绿圈是打算着陆的C01-Cb区域,蓝色范围是ONC-W1相机的视野范围。注意位置调整和高度调整之后,隼鸟2号悬停了很长一段时间都没有动,最后几秒钟才自由落体下降的。来源:JAXA [10]

在距离龙宫8米高度处,隼鸟2号还以超近距离拍摄了龙宫表面高清全景照片

2019年7月11日09:04:57ONC-W1相机拍摄;2019年7月11日09:04:58ONC-W2相机拍摄。来源:JAXA、千叶工大等 [9]

标记球、人造撞击坑和接下来的采样杆触地点,都以一种极难得的视角展现在我们面前

来源:JAXA、千叶工大等 [9]

此刻的探测器正在专注于追踪标记球,在这个特殊的角度下,W1相机正面拍摄了着陆区,W2相机则向斜侧方拍摄了人造撞击坑

来源:千叶大学 [9]

几分钟后,借助LRF-S2观测到的由采样杆变形导致的探测器高度变化

LRF通过发射和接收反射激光来判断探测器的位置和速度。图为LRF-S2激光发射方向、CAM-H相机的位置和CAM-H在第二次接触采样过程中拍摄到的激光光束。来源:JAXA [9]

北京时间2019年7月11日上午9:06:18,隼鸟2号确认自己底部长长的采样杆成功触碰到龙宫表面

隼鸟2号的采样杆位置和底部视图。来源:JAXA

旋即,一枚钽质子弹以300米/秒的速度从采样杆中飞出,射向龙宫表面

采样杆结构和钽质子弹实物照片,本次射出的是第三枚子弹。来源:JAXA [11]

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

2019年7月11日9:03:54-9:11:44,隼鸟2号CAM-H相机拍摄的降落、采样、上升过程。初始高度8.5米,最后高度150米。来源:JAXA [12]

LRF-S2测高数据显示了着陆采样之前和之后的探测器高度变化,整个着陆采样过程,也就几秒钟的事儿

时间是日本时间。来源:JAXA [9]

子弹撞出的碎屑被弹射入采样杆中,经过多次反射进入样本收纳器

汉化自:JAXA [13]

样本收纳器中,为收集第二次采集的样本而刚敞开不久的C室顺利收入最后一波样本,于北京时间7月11日13:10关上了

隼鸟2号最初计划完成三次采样,因此采样器中分出了三个空间以免不同批次的样本混合。A室在收集了第一次着陆采集的样品后关闭,此后,投下撞击器SCI和多次升降操作可能溅起的龙宫物质进入了B室,第二次着陆采样前的6月24日,B室关闭。第二次采集的样品被送入C室。来源:来源:JAXA [13]

采样结束不久,上升中的隼鸟2号就用ONC-W1相机拍摄下了刚被“打过子弹”后龙宫表面的样子

2019年7月11日9:06:32,ONC-W1相机拍摄,可见漫天碎石。来源:JAXA、东大等[14]

2019年7月11日9:08:52,ONC-W1相机拍摄,高度约50米,可见子弹打出的新鲜物质比周围更暗。来源:JAXA、东大等 [14]

7月12日,隼鸟2号带着从龙宫次表层地下采集的物质,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 [15]

3亿公里外,60厘米精度!

不仅着陆过程比第一次顺利,隼鸟2号的第二次着陆也比第一次还要精准。

实际着陆点和计划着陆区中心只差了60厘米!

着陆点和计划着陆区C01-Cb的中心的位置;采样杆接触点的位置。来源:JAXA [9]

这当然和方方面面的因素有关:标记球扔得更准、更精确的小行星重力场模型、更充足的准备工作…

甚至不仅仅是从今年2月第一次着陆采样中获取的经验——早在14年前的2005年,隼鸟初号机的种种挫折和挣扎,都一并成为了今天成功的基石。)

在航天探索的路上,没有谁的成功是轻而易举的,每一份成功背后,都是数年的积累甚至失败。

对第二次着陆采样点,隼鸟2号项目组也想好了名字。前面说过,隼鸟2号项目组为龙宫上大大小小的特征地貌取名字这事儿可以说是灰常认真且浪漫,倾注了诸多小心思和美好愿望,结果就是:这群技术宅们生生把小行星龙宫变成了一个童话之乡——所有地名都是以童话故事和民间故事中的名字来命名的。

于是在这颗小行星上,有了灰姑娘坑、乙姬石块、金太郎坑、桃太郎坑等有趣的地名。

而第一次着陆采样点,则毫无悬念地被命名为“玉手箱采样点”,这是隼鸟2号的原型——童话故事里的浦岛太郎从乙姬公主手中收下的,来自龙宫的珍贵宝箱的名字。

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 [7]

至于这第二次着陆采样点嘛,则被命名为“万宝槌采样点”。万宝槌是日本民间故事里经常出现的一种宝物,传说一边口念想得到的东西/想实现的愿望一边摇动宝锤,可心想事成。

万宝槌图。来源:维基/メトロポリタン美術館 /岳亭春信

结语

总之至此,隼鸟2号两发两中,成功收入了小行星龙宫表面次表层地下的物质样本。这些记录了太阳系起源和演化历史的“时光胶囊”,将很快被打包好,送回地球进行深入研究和分析。

不过在此之前,它还有最后一个小任务要完成呢。

这就是我们下集的故事了。

我们下期再见!