隼鸟的七年之旅 ——■网易博客

隼鸟的七年之旅  2010-06-15     

深空飞行的隼鸟艺术图

       2010年6月13日晚，在外太空飞行了7年之久的Hayabusa(隼鸟)号小行星探测器返回舱成功再入并在澳大利亚着陆，6月14日相关工作人员找回来返回舱，目前内部样本尚需送回日本进行分析，以确定是否采集到系川小行星的颗粒。隼鸟取得了太大的成功，它创造了迄今为止离子发动机工作时间的最长纪录，累计工作时间超过40000小时！它在飞行中曾经被迫采用光压控制姿态与轨道，当然这在日本是首创，美国早在很多年前的水手10号火星探测器上就用到过类似的方案；它的再入速度高达12.2千米每秒，仅次于美国的星尘号(Stardust)的28000mph的记录；如果返回舱含有系川的小星星样品，这将是人类首次从地月系外取回行星物质样品，这也是人类首次登陆小行星取样。

日本深空探测规划

       隼鸟在日本深空探测历史上，可谓承前继后的里程碑项目，在它之前，Hiten月球探测器失败，NOZOMI火星探测器失败，在它之后，Selene获得成功，Akatsuki和Ikaros发射成功当然Akatsuki能否正常进入进行轨道还有待时间确定，更远的，月球软着陆探测器Selene-2，小行星探测器Hayabusa-2和水星探测器BepiColombo蓄势待发，还有更远的Selene-X月球取样探测器、Planet-X火星探测器和木星和小行星探测器也将提上日程，日本跻身深空探测列强之列。现在的日本深空探测，虽然对比美国NASA技术差距很大，对比苏-俄总规模差距也很大，但是技术和规模上目前大致能和欧洲ESA比肩，这些年的表现要比吃苏联时代老本的俄罗斯航天局强得多。当然，在技术、进度和未来发展上，日本深空探测无力和欧空局一拼高下。以技术论，俄罗斯航天局深空探测方面在月球和进行探测上的底蕴，尤其是金星项目即使是NASA，也要甘拜下风。

很久很久以前，日本就对小行星充满兴趣 

       探索小行星的愿望，并非日本人一时的心血来潮，也不是为了勇夺"地外小行星首次着陆并取样返回"这个世界第一的政绩工程。早在1985年，日本宇宙科学研究所(ISAS)就计划探索近地小行星，多年后的1996财年，ISAS获得预算进行Muses-C(缪斯-C)的深空探测器项目，它的探索目标是开始是Nereus小行星，后来2000年M-V火箭事故，推迟Muses-C发射，重新选定小行星"系川"为目标，这是人类第一个从小行星取样后返回的探测器计划。当年Muses-C项目还有一个NASA下属JPL开发的Muses-CN着陆漫游车，不过由于NASA预算不足被取消了。

日本航天之父命名的系川小行星 

       25143号系川小行星是以日本航天之父系川英夫博士命名，体型为535米X294米X209米，它的近日点为0.953个天文单位(AU),远日点为1.695个天文单位。系川英夫在二战时期曾在日本中岛飞机公司工作，参与了二战末期隼式(Hayabusa)战斗机(盟军称之为奥斯卡)的设计，半个世纪后探索以他的名字命名的小行星的探测器，名字也叫Hayabusa(隼鸟)，自然不是巧合。题外话，隼鸟战斗机曾经在中国参战，抗日战斗外加此后内战后的缴获，在建国时我人民空军共装备了5架隼式战斗机，此后由于苏联先进喷气战斗机的大规模服役，1952年隼式战斗机退役。 系川英夫战后从事了日本铅笔火箭的设计工作，这枚固体火箭长23厘米直径1.8厘米，质量只有200克，的确是铅笔级别的:-)此后系川英夫还从事了后继日本固体运载火箭的设计工作，为日本成为第四个发射人造卫星的国家立下了汗马功劳，被誉为日本航天之父，不过可惜的是，系川英夫没能看到隼鸟探测器的发射更不要说归来，1999年他就逝世了。笔者觉得，日本这个国家，去造Hayabusa探测器而不是Hayabusa战斗机，也算是走上正路了。

隼鸟探测器的Logo  

       言归正传，隼鸟探测器在技术相当的精良。按照设计，它是第二个采用离子发动机的深空探测器(第一个是美国的深空一号)，是第一个小行星采样返回的探测器。按照ISAS的设计，它主要有5个任务需要完成，分别是：1.验证离子发动机1000小时以上工作时间的能力；2.验证自动导航系统；3.进行小行星取样采集任务；4.验证通过行星引力接力加速的测控能力，对于隼鸟来说，它是通过地球引力加速的；5.验证极具难度取样返回舱再入能力。到目前为止，仍然没有采样返回舱的进一步报道，具体分析可能要等一个月左右才能确定，所以对隼鸟探测器的评论，仍然未能盖棺定论，但是主要的各项功能验证，如离子发动机启动，离子发动机1000小时以上工作时间验证，通过地球引力加速，自动导航飞向系川小行星完成交会，对系川小行星进行科学观测和着陆采样，返回舱再入大气层并回收都取得了成功，隼鸟探测器的技术水平和难度，是当之无愧的世界一流水平。

隼鸟探测器取样任务

       2003年5月9日，隼鸟探测器由M-V运载火箭发射升空，按原定计划，隼鸟绕日飞行后将利用地球引力借力飞向隼鸟，但是突如其来的太阳风暴损坏了它的太阳能电池板，导致电力供应不足离子发动机推力也随之下降，原定2005年6月的交会不得不推迟到2005年9月，这压缩了隼鸟对小行星的探测时间，着陆次数也只能从三次降低到两次。祸不单行，2005年，隼鸟号探测器上用于姿态控制的X轴的反作用轮7月31日，Y轴反作用轮10月2日分别失效，导致隼鸟只能通过调节推进器推力控制X轴和Y轴姿态，JAXA宣布由于具有系川小行星的全图，这不至于导致隼鸟任务失败，当然两个作用轮的失效还是导致了任务的调整，因为姿态控制能力不足，太阳能电池板无法对准太阳导致电力供应进一步不足；2005年9月12日，历经磨难的隼鸟飞行到距离系川小行星20千米处，JAXA宣布隼鸟抵达系川，此后开始对隼鸟的探测并未着陆做准备。2005年11月4日，隼鸟探测器对着陆系川小行星进行了彩排，结果发现两个着陆点中间的一个地形不适合登陆，晦气的开始。或许真的太祸不单行，2005年11月12日，隼鸟探测器释放正式的密涅瓦(Minerva，智慧女神雅典娜的罗马名)子探测器着陆失败。由于测控问题，本来预定距离系川55米处投放密涅瓦探测器，但是实际投放高度在200米处，于是睿智的密涅瓦女神就投奔自由世界了。

隼鸟号探测器探测系川小行星示意图

       2005年11月19日，隼鸟探测器在系川小行星上着陆。开始报道隼探测器在系川小行星上空10米处滞留了大约30分钟，原因不明。由于着陆的最后阶段，地面的控制系统正在由NASA的DSN移交给JAXA的臼田控制站，所以恰好DSN的70米和臼田的64米高增益天线都没工作。地面控制系统送出了中止着陆和上升的指令，等到信号恢复时悍然发现隼鸟探测器已经飞到100千米外了。行星学会的人认为没有着陆，23日JAXA分析后则认为，隼鸟号探测器成功着陆，不过很遗憾，由于下降过程中传感器出现故障，采样程序未能启动，也就是说，这次成功着陆没有采样，只有苦劳没有功劳。不过也有人认为，虽然安全模式下不可能采样，但是很有可能一些小行星的尘土进入了采样漏斗，所以样品也是可能有的。

隼鸟探测器从系川小行星起飞想象图 

       11月25日开始第二次着陆试探，按计划隼鸟探测器发射一个小金属球，撞击系川小行星表面，隼鸟收集不过随后的分析发现着陆失败，一无所获。隼鸟取样的唯一可能，就是第一次着陆时可能有小行星尘埃进入采样漏斗了，这可真成了听天由命的事情。不过隼鸟探测器的事故并未中止，第二次着陆的上升过程中，化学推进器燃料泄漏，探测器再次进入安全模式。此后虽然连上了信号，但是探测器状态很糟糕，安全模式下姿态控制失效，电力供应严重不足。由于太阳风导致的延期，已经没有第三次着陆机会了。它还错过了回家的时间窗口，12月6日，隼鸟号探测器飞到距离系川小行星550千米外，但是姿态仍然需要调整。12月8日，由于突然的姿态异动探测器失去了联系，事后分析这可能是泄露燃料蒸发的湍流引起的，这导致隼鸟探测器需要一到两个月调整姿态。2006年1月，捕捉到隼鸟号探测器的无线电信标，随后控制人员试验使用离子推进器达到每天2°的改变量调整姿态，以改善通信情况，到3月4日使用中等天线获得隼鸟的信号，此时隼鸟探测器已经距离系川小行星13000千米，相对速度3米每秒。2006年6月1日，项目经理称隼鸟探测器的两台离子推进器可正常工作，这足以满足隼鸟返航的需求。

游子回家之旅：隼鸟号探测器轨道示意图 

       2007年1月30日，JAXA宣布隼鸟号的返回舱关闭，准备返航，到了4月25日，隼鸟号正式踏上回家的旅途。都说福无双至祸不单行，2007年8月29日，JAXA宣布除了B和D两台离子发动机，代号C的离子发动机也启动成功，不过这其实没起多大作用，因为10月29日第一阶段的机动飞行结束，隼鸟号探测器进入休眠模式。休眠模式中，隼鸟号探测器使用阳光对太阳能电池板的光压调整探测器姿态，经历一年多的光压调整过姿态后，2009年2月4日开始第二阶段的机动飞行，顺利启动了预定的C和D号离子发动机，不过11月4日，代号D的离子发动机停止工作，由于一台离子发动机提供的速度不够，11月19日JAXA不得不启用A发动机的中和器和B发动机的离子发生器，组合成一台离子发动机，才得以实现2010年及时返回地球。对于中和器，题外说一下，离子发动机栅极引出推进离子束，为了防止发动机和航天器积累电荷，需要中和离子流的电荷，向离子束发射等量电荷的电子流，将不同发动机的推进离子源和中和电子束结合起来，这种无奈之举表明隼鸟号探测器实在是窘迫到了极点，也让人不得不佩服JAXA工作人员的匠心独具。幸好此时返航所需的2200米/秒加速已经完成了2000米/秒，仅仅需要再实现200米/秒的速度增量就足够返回地球。可能是经过了太多的磨难，此后隼鸟号倒是没遇到什么大问题，2010年3月5日隼鸟号探测器抵达月球轨道，离子发动机暂停工作，准备开始精确修正。

隼鸟号返回舱着陆点：澳大利亚伍默拉沙漠 

       2010年5月4日起，先后进行了四次弹道修正机动，最终在6月13日夜间再入大气层，陨落于预定的澳大利亚伍默拉附近的沙漠地带。很有意思的是，返回舱着陆区域是当地土著人的圣地附近，所以直到14号土著人确认返回舱不在圣地内时，JAXA工作人员才着手回收。

 回收后的探测器采集器

       从着陆点看，这次再入可以说是一次教科书式的着陆，几乎在预定着陆区域的中心位置。考虑到隼鸟号探测器回收舱再入时高达12.2千米/秒的高速，远高于地球轨道上的再入速度，仅次于更早的美国星尘号探测器12.5千米/秒的再入速度，能达到这个精度，体现了日本在航天测控上的极高水平。

隼鸟号返回舱超高速再入

       说了隼鸟号探测器的前世今生，再说后后继吧。很多人都认为深空探测是没有收益的纯科研项目，只有科学意义和政治宣传的价值。5月~6月间，JAXA发射了金星探测器和太阳帆，成功回收了隼鸟号小行星探测器，一时风头无二。我看到太多中国人吃不到葡萄说葡萄酸，刻意强调深空探测没有意义劳民伤财，所以我国不做深空探测是正确之举云云，更有论证只要是日本从事的深空探测项目就是没有价值的，实在令人汗颜不已。其中技术的谬误不想再提，可惜这些话说过没几天，在隼鸟号探测器成功的推动下，美国航天业巨头Areojet宣布与生产了隼鸟号探测器离子发动机的NEC公司合作，以隼鸟号探测器离子发动机为基础，研制新一代离子发动机供应商业通信卫星和深空探测器市场。迄今为止，Aerojet作为电推发动机领域的领导者，已经为150多颗卫星提供电推系统。未来肯定会有更多的卫星装备Aerojet的离子发动机。不论政治观点和个人感情如何，日本在隼鸟号项目上无疑是名利双收。

 隼鸟号探测器的4台离子发动机，经历长时间的检验被Aerojet看好

       题外话，我们常常看到各种航天领域投入少产出多的高论，可是这种产出，对于低水平重复的项目是根本不存在的，只有前沿的项目，才会开发出创新和开拓性的技术，在尖端领域应用后转为普通民用项目，派生出大量经济效益。举个简单的例子：说航天投入产出比高，常以阿波罗计划为例子。阿波罗计划大幅度带动了美国电子工业的进步，可是今天中国重复阿波罗计划的目标，可能大幅度带动中国电子工业的进步么？明眼人都知道不可能。我们不是生活在真空里，阿波罗项目当初的要求，是20世纪60~70年代世界电子工业水平，比如5KB内存的飞船，在那时很了不起了，可是今天我写作用的个人电脑内存就有2GB。笔者觉得，如果我国真的追求航天工业的投入产出比的话，加大对前沿性项目的投资，才是正确的选择，而从费效比看，载人航天尤其是深空载人航天如登月甚至等火，是远不能和无人深空探测器相比的。对比日本深空探测领域的成就，在逐步具备基本的技术能力后，对深空无人探测领域大举投资，对中国航天应该算是更好的选择，这也算是日本近年深空探测成就对我国的启示吧。