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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

隼鸟的七年之旅  

2010-06-15 10:34:07|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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七年之旅,隼鸟回家 - squirrel - 松鼠的空天随笔

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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 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。

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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。

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 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。

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