12月5日,「隼鳥-2」號進入地球大氣層。
12月5日,在太空遊蕩6年的日本太空探測器「隼鳥-2」號向地球釋放了密封艙。密封艙內有小行星「龍宮」的巖石樣本。這些樣本可能對揭示太陽系的起源和地球生命之謎有重要作用。
日本宇航研究開發機構(JAXA)稱,探測器「隼鳥-2」號於5日下午2點半左右分離,並向地球釋放了裝有太空樣本的密封艙。歷時6年、飛行距離約52億公裡的探測之旅進入最終階段。
「隼鳥-2」號從小行星「龍宮」採集巖石樣本並帶回地球的「取樣返回」任務如果成功,將是繼第一代「隼鳥」之後的又一壯舉,通過分析也可能進一步幫助人類搞清楚太陽系的源起。該計劃負責人、JAXA的教授津田雄一呼籲:「這是集任務之大成。在冷靜判斷的同時努力吧。」
據日本宇航研究開發機構介紹,密封艙在距離地球約22萬公裡的高度分離後,進入地球大氣層,計劃在12月6日凌晨當地時間凌晨4點17-27分,落在澳大利亞南部伍默拉附近的沙漠。該密封艙為圓盤狀,直徑40釐米、高20釐米、重16公斤。
與「隼鳥-2」號分離的密封艙將以每秒約12公裡的速度重返大氣層,自動完成全部動作,直至著陸。在高度約10公裡處打開降落傘,減緩速度,在發射信標信號的同時著陸。
但如天氣狀況不佳,密封艙有可能被強風吹走,天氣似乎將是能否成功回收的關鍵。JAXA的密封艙回收團隊將藉助天線和雷達探測信標,鎖定著陸地點,通過直升飛機與無人機尋找密封艙。作為預備的線索,還會利用進入大氣層時明顯發亮的軌跡。
「隼鳥-2」號2014年12月從地球出發,2018年6月抵達「龍宮」。2019年2月首次著陸,並採集表面物質,同年4月射出金屬彈製作人造隕石坑,為全球首創。在同年7月的第二次著陸時,成功採集到濺出的地下物質樣本。分析採集到的樣本,如發現水和有機物,將能獲得宇宙生命誕生之謎的線索提示。
「隼鳥-2」號估計是在第1次著陸時採集到地表物質,第2次著陸時採集了地下的物質。為使地下的物質露出來,「隼鳥-2」號還發射了金屬彈,這是人類太空飛行器頭一次在小行星上製造出人工隕石坑。
本次「隼鳥-2」號密封艙的回收作業,在很多方面都與2010年將小行星「絲川」的微顆粒物帶回地球的第一代「隼鳥」號相似。但這一回新增加的是回收之後從密封艙之中取出氣體,進行簡單分析的工作。這要求科學家嘗試在不漏掉「龍宮」沙石等樣本可能釋放的氣體的情況下展開分析。
密封艙降落在地表後將被裝入專用的密閉容器,空運至日本。JAXA提前準備了精密設備,用於在真空和充滿氮的環境下分開密封艙帶回的樣本,以免與地球上的物質混雜。12月中旬可確認「隼鳥」號在「龍宮」著陸時採集到多少沙石等。
「絲川」的微顆粒物有1,000個以上得到登記,並在日本國內外進行分析。「隼鳥-2」號採集的物質的數量有望達到「絲川」的100-1,000倍。JAXA計劃將60%分給包括美國國家航空航天局(NASA)在內的日本國內外研究機構,其餘40%自己保管。
從「龍宮」的地表和地下採集的樣本有助於探索地球的形成等。小行星探測的主要目標是破解太陽系如何形成、地球上的生命如何誕生等謎團。
「龍宮」是碳含量豐富的「C型」小行星。小行星也被稱為「太陽系的化石」,被認為保留著46億年前太陽系誕生時的痕跡,其地下不易受到陽光和宇宙射線的影響,比地表更為「新鮮」。
關於地球生命的誕生,有一種假說稱,太古時代撞擊地球的小行星中包含的有機物和水分成為生命的契機。分析「龍宮」的物質將有助於驗證這種假說。
日本輿論更認為,「隼鳥-2」號於距離地球遙遠的小行星上兩次成功著陸,在時下的宇宙探索中具有重要意義。
這是由於各大國相繼向從小行星等採集樣本帶回地球的「取樣返回」(Sample Return)計劃發起挑戰。憑藉小行星探測器「隼鳥-2」號等領跑世界的日本,也正在推進下一個探測計劃。除了探索宇宙起源之外,各國還把目光投向了未來的宇宙開發,這一領域的國際競爭日趨激烈。
「奧西裡斯-雷克斯」號探測器在小行星「貝努」採樣概念圖
NASA的探測器「奧西裡斯-雷克斯」號(OSIRIS-REx)於今年10月20日在小行星「貝努」(Bennu)著陸,實施採集樣本任務。該探測器也被稱為「美國版隼鳥號」,它於2016年發射,2018年12月抵達小行星。
2020年8月11日,「奧西裡斯-雷克斯」號於做了最後的預演,在約40米高度接近小行星,這次預演受新冠疫情影響而推遲了2個月。該項目負責人、美國亞利桑那大學教授丹特·勞蕾塔說:「雖然遭遇(疫情)問題,但項目團隊仍堅信奧西裡斯-雷克斯能夠成功採集樣本。」
美國還打算在火星探測方面實施取樣返回,並於7月30日發射了火星探測器「毅力」號(Perseverance),它將採集火星的土壤來尋找生命的痕跡。NASA擬用其它探測器回收火星樣本,2030年前後返回地球。歐洲和俄羅斯也在聯合推進探測計劃。
中國亦制定了取樣返回計劃。北京時間11月24日凌晨4點30分,搭載有「嫦娥五號」探測器的「長徵五號」運載火箭在海南文昌航天發射場成功升空,飛行約2,200秒後將探測器送入預定軌道。「嫦娥五號」是中國航天迄今最複雜的一次探月任務,探測器將經歷地月轉移、環月飛行、著陸採樣、月面起飛、再入回收等11個階段,歷時23天,採集約2千克月球土壤返回地球。
「嫦娥五號」探測器飛行112小時後抵達近月點,進行2次減速制動並進入距離月面約200公裡的環月軌道,經與火箭分離後探測器進入地月轉移階段。
12月1日23時11分,「嫦娥五號」探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區。「嫦娥五號」從距月面15公裡處開始動力下降,通過「7,500牛變推力發動機」減緩降落速度,相對月球速度從1.7公裡/秒逐步降速至零,整個著陸過程持續約15分鐘。按照計劃,「嫦娥五號」將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近完成月壤採樣,這是人類探測器首次抵達這片月球區域。
12月3日,「嫦娥五號」在月表成功採樣。
12月3日23時10分,「嫦娥五號」上升器在月面點火起飛,6分鐘後攜帶月壤樣本順利送入環月軌道。這是中國太空飛行器首次實現地球外天體起飛。上升器將與環月軌道上的軌返組合體對接,隨後轉移月壤樣本至返回器。在月球表面正式開啟探測和採集樣本任務,「嫦娥五號」探測器預計12月中旬返回地球。假如任務成功,中國將成為繼美國、蘇聯之後世界上第3個實現月球採樣返回的國家。
2019年4月,中國對外公布了小行星取樣返回和彗星探測相結合的計劃。
世界上第一次實施取樣返回的是美國的「阿波羅」登月計劃,NASA太空人採集了月球的巖石。第一次實施無人取樣返回的是前蘇聯的「Luna」計劃,於1970-1976年期間3次帶回月球樣本。小行星方面,2010年日本第一代「隼鳥」探測器將小行星「絲川」的微粒樣本帶回地球。
如果能夠獲得外太空的物質,將會為了解宇宙起源等提供寶貴的線索。要獲取這些物質,只能回收隕石等落到地球的物質或者直接從太空帶回樣本。
NASA的小行星探測器「奧西裡斯-雷克斯」號在選定著陸目標時,花了大約1年時間來慎重選擇可安全著陸、能採集科學價值大的樣本的地點。「隼鳥-2」號負責人、日本JAXA的項目主管津田雄一說:「奧西裡斯既是對手也是夥伴。」
「奧西裡斯-雷克斯」號在「貝努」上採集到物質數量明顯超過「隼鳥-2」號。但另一方面,「隼鳥-2」號在小行星的兩個不同地點著陸,能對比分析地表和地下的物質,這一點在科學及技術上都具有優勢。
AXA和NASA在共享探測知識與樣本分析等方面展開了合作。「隼鳥-2」號著陸的小行星「龍宮」同「貝努」是相似的天體,比較二者的樣本有助於研究太陽系的構成。
取樣返回計劃還有著探測資源及考察未來載人探測可能性的目的。尤其是在未來考慮建立有人基地的月球和火星方面,日本的小行星探測計劃更多的存在磨鍊提高宇宙開發技術實力、向世界展示太空存在感的考量。
日本MMX火衛一探測計劃
日本在取樣返回方面長期處於領先地位。除小行星探測外,日本還有一項「MMX」探測計劃,將在火星的衛星「火衛一」(Phobos)上著陸,定於 2024年發射探測器。該項目總費用比「隼鳥-2」號多6成,達到464億日元。這項計劃還將與歐美合作。
在火衛一上採集的土樣將於2029年帶回地球,以用來研究衛星和火星的構成。火衛一離火星比較近,因此被認為上面也有從火星上飛來的物質。日本東京工業大學準教授玄田英典樂觀地評估MMX計劃,「或許還可以比美國更早帶回火星主體的物質。」
但日本在MMX之後的取樣返回計劃尚不明確,因為費用過於昂貴且風險很大,東京政府的宇宙探測預算是有限的。NASA的「奧西裡斯-雷克斯」總費用為約10億美元,是「隼鳥-2」號的3倍以上。一旦宇宙大國大力投入相關領域的話,日本或很難繼續保持優勢。今後日本如想持續發揮自己的宇航優勢,需要考慮更加獨特的太空探測計劃。
12月5日在澳洲上空與密封艙完成分離後,「隼鳥-2」號探測器仍然選擇留在太空,用剩餘燃料飛往下一個小行星。它將充分利用健全的機身與剩餘的燃料,前往更深處的太空執行擴展任務,「隼鳥-2」號的下一次旅行充滿新的挑戰。
「隼鳥-2」號的下一個目的地是位於地球和火星之間的小型小行星「1998KY26」,預計2031年7月前後抵達。這顆小行星平均直徑約為30米,小於「隼鳥-2」號此前探測的小行星「龍宮」(約900米)。「1998KY26」以約10分鐘的很短周期自轉,屬於此前人類從未探測過的天體。「隼鳥-2」號計劃不在該行星著陸,而是從上空通過攝像頭觀測,但這也將成為人類探測有可能撞擊地球的小型小行星結構等的難得機會。
據推測,「1998KY26」處於離心力強的環境下,結構與大量巖石以較弱的力匯聚起來的「龍宮」等有所不同。「隼鳥-2」號對「1998KY26」的訪問,在保護地球免受天體撞擊的角度具有重要意義。尺寸為數十米的小行星,極有可能以100年-數百年1次的頻率撞擊地球。
「隼鳥-2」號在發射之後將持續進行近17年的探測,這遠遠超過了探測器的預期使用壽命,這與日本在航天科技方面取得的技術進步是分不開。
今年9月,在「隼鳥-2」號即將結束對小行星「龍宮」的漫長旅行之際,36歲的NEC宇宙系統事業部女主任碓井美由紀露出了欣慰的笑容。支撐「隼鳥-2」號完成長達52億公裡太空穩定飛行的核心部件是「離子發動機」,這是「隼鳥-1」號曾經搭載的電推進發動機的一種。
談起「隼鳥」時,碓井美由紀說:「它一直到最後都是個「好孩子」。」她於2008年進入NEC,長期從事離子發動機的開發工作。2010年「隼鳥-1」號返回地球後,其後繼機型飽受期待。在這種情況下,NEC將領導新一代離子發動機開發工作的重任交給了自研究生時期開始研究、入職僅3年的碓井。碓井在回顧當時的心情時稱,「覺得是沾著「隼鳥」和各位前輩的光。」
早在小學5年級時,碓井美由紀就十分崇拜日本第一位女太空人向井千秋。出於對航天夢的執著追求,她報考了東京大學研究生院,在那裡遇到了現為日本宇宙航空研究開發機構宇宙科學研究所所長的國中均教授,從此與離子發動機結下不解之緣。
當時,作為NEC第一代離子發動機開發工作指揮者的堀內康男也經常出入國中教授的研究室,因此與碓井有所交流。入職NEC「可以繼續進行研究」,堀內給了碓井這樣的建議。於是碓井順理成章地進入NEC工作。
本以為可以在公司一直埋頭於技術開發,但這一願望很快落空。進入NEC的第3年,碓井開始主導開發,而新一代離子發動機正著眼於實現實用化和商用化。時年,堀內已離開部門,沒有一位員工比碓井更了解離子發動機。除在技術方面承擔著重要責任,她還要忙於成本管理和品質保證等自己不熟悉的工作。
一天,本來已經為工作上的落差而煩惱不已的碓井與時任上司因在開發推進方法上存在分歧而大吵了一架。雖然很窩心,但項目無法取得進展。她說:「(從那件事)深切地感受到獨自一人苦惱於技術開發也行不通。」這樣,碓井原本不願意為技術以外的工作花費時間的想法不得不發生了改變。
NEC利用作為公司主業的通信技術等引領著日本的航天產業,2020年春季實現了對越南出口,達成多年來對海外銷售的夙願。不過,航天產業並不是量產型業務,根據訂單情況,每年銷售額會相差懸殊,因而很難掌控。
NEC航天領域的年銷售額在500億日元左右,對預計達到3萬300億日元的2020財年(截至2021年3月)合併銷售額的貢獻度並不大。碓井眼下的課題是如何使航天業務實現穩定收益、以及如何培養接班人。
碓井還是兩個孩子的母親,每天都要在巧妙安排時間的基礎上投身工作。每到意志消沉的時候,她都會想想向井的話,來激勵自己。她評價自己的性格屬於「為困難而發奮型」,有時有人會指出航天領域難以轉化成利潤,而碓井卻說:「我不會讓他們一直這樣說下去的。」
「隼鳥-2」號在小行星「龍宮」採礦概念圖
NEC還有一位技術人員期待著「隼鳥-2」號在太空創造奇蹟。他就是33歲的益田哲也。益田2011年進入NEC,參與「隼鳥-2」號的系統設計和運用工作。圍繞「隼鳥-2」號的發射及在小行星上的著陸任務,他與JAXA配合,準備了嚴密的流程規範等。
但益田學生時代學的是跟航天沒有直接關係的控制工程,求職的時候,他突然想從事航天方面的工作。入職NEC後,也是從零開始學習「隼鳥-2」號的系統。
意想不到的是,不受制於部分專業知識的「門外漢」身份反過來成了益田的優勢。他的任務是聽取客戶JAXA的想法,深挖他們真正想做的事情,有時也做協調工作,益田說:「讓周圍實現他們想要實現的願望是我工作的意義所在。」
在「隼鳥-2」號12月返回地球之前,益田連續很多天都惴惴不安。「將參與第一代「隼鳥」號研發的很多相關人員的想法最終變為成果的正是其中的運用工作。」益田稱,給自己帶來精神上支持的是老一輩研究員們爭先恐後地跑到顯示器前的場景。嚮往太空的童心與堅持不懈的態度,讓他增強了對工作的自信。
然而對NBC來說,像航天這樣的大型業務不會一直都有。益田「希望打造傳承給後代的局面」。與此同時,他也正為追求夢寐以求的新局面,瞄準了「隼鳥-2」號之後。
探測器從地外天體帶回物質的「取樣返回」,日益發展成可以稱為日本看家本領的技術,在此背景下,第三輪項目已正式啟動。在火星衛星探測計劃「MMX」中,負責沙石採樣裝置開發的是44歲的JAXA主任研究開發員澤田弘崇。
澤田目前身在澳洲南部的伍默拉地區。雖然新冠疫情導致前往海外受到限制,但返回地球的小行星探測器「隼鳥-2」號要把密封艙投向伍默拉的沙漠,澤田作為密封艙回收團隊的成員通過特例入境。澤田在「隼鳥-2」號項目中負責開發樣品採集裝置,對澤田來說,他的工作要延續到將密封艙順利帶回日本。
密封艙進入大氣層,打開降落傘,到著陸為止要經受振動和衝擊,這種情況下能否充分保持密閉?密封艙在反覆進行通過捶打來確認性能的安全試驗和試製,經過近2年的不斷摸索之後完成。儘管如此,澤田透露心境稱「在打開密封艙之前,不安的心情不會消失。」
日本瞄準火星的衛星火衛一的MMX計劃面臨著挑戰。此計劃的一大目的是弄清火星的衛星火衛一和火衛二(Deimos)是如何誕生、構成的,這個問題有兩種有力假說。其一是捕獲說,認為遙遠的小行星飛來後被火星重力捕獲;其二是大撞擊說,認為火星與小行星等相撞、火星等的碎片匯聚形成兩顆衛星。
MMX計劃將採集足夠數量的沙石,分析衛星成分,以弄清兩個假說的正確與否。在計劃中,一次採集的沙石的分量目標為10克以上。這一數值是「隼鳥-2」號(目標0.1克以上)的100倍以上,要求更高。MMX計劃將最大限度地承繼「隼鳥-1」號和「隼鳥-2」號積累的技術,但也急需新技術。
「隼鳥」號系列的樣品採集裝置的機制是,只要尖端碰觸地表,就從內部發射小彈丸,然後回收飛起的沙子和巖石。這種操作僅在極短的一瞬間著陸,而MMX的探測器則計劃藉助4隻腳在火衛一上著陸,停留數小時。
新採用的裝置是將名為「Corer機構」的雙層筒狀裝置和機械臂結合起來。採樣時刺入地表,以內側的裝入並筒取走沙石等樣品。將「Corer機構」安裝在火衛一探測器機械臂的頂端,移動至目標地點,在採樣後移動至探測器的內部,收納於其中。
關於火衛一上的沙石的大小和性質如何,無人知曉準確答案。為了讓「Corer機構」能刺入2釐米以上的足夠深度,日本科學家反覆通過各種直徑的沙子進行了試驗。
當前,JAXA終於確定了基本設計,製造出試製機。之前,機械臂試製機曾在輕而堅固的設計方面遇到困難,現在也有望在2020年度內完成。MMX預定於2024年9月發射,雖還有近4年時間,但大家已是辛勞不堪。澤田說:「這種辛勞可能要持續到發射。」
使用日本太空技術的「伊卡洛斯」號太陽帆宇宙飛船驚豔世界
「隼鳥」號系列和太空帆船「伊卡洛斯」號(IKAROS)(世界第一艘同時利用太陽能電力和光子反推力進行星際旅行的太陽帆宇宙飛船),憑藉日本自主的技術震驚了世界。但眼下,在其他國家當中,美國國家航空航天局向木星、土星以及太陽系之外早就向發射了多個先進探測器;中國和印度也正奮起直追,積極推進太空探測事業。
在往後的太空競逐中,如僅在探測地外空間距離遠近方面實行競爭的話,既缺乏意義,也不符合日本的行事特點。在日本,有關新一代太空運輸系統的討論日趨火熱,探討的具體構想是力爭在20-30年後實現在太空發射火箭和建立宇宙空間的運輸網絡等。而日本能否通過搶先構建領先2代的宇航運載發射系統,十分值得關注。
在JAXA今年2月舉行的日本首顆人造衛星「大隅號」發射50周年紀念研討會上,東京大學名譽教授秋葉鐐二郎回顧日本火箭開發的歷史時說:「前往太空的運輸手段或許仍不完善。」
眼下,美國航天企業太空探索技術公司(SpaceX)研發出有助於降低發射費用且能夠重複使用的「獵鷹」系列火箭。JAXA等也在推進重複使用火箭的開發,新一代太空運輸系統的研製正穩步前進。
但是,要真正充分利用迅速走向商業化的太空,憑藉採用現有火箭發動機的運輸系統,不僅是費用,還存在難以應付發射頻度和運輸量擴大的隱憂。在此背景下,從平流層等較高高度發射、或與近地軌道上的宇宙空間站合作、打造星際運輸基地的新系統受到重視。
針對將來的太空運輸系統,AXA準教授德留真一郎提出,應加快探測火星等比月球更為遙遠的天體。其想法是構建環繞地球、月球和行星的宇宙空間站等基地,並以此作為太空基礎設施,進行人類飛船的補給和中轉等。
小行星探測器「隼鳥-2」號的項目經理、JAXA教授津田雄一也提議,可以向衛星能穩定停留的軌道上發射燃料補給用衛星,作為中轉基地使用。
在這些提議的背後,存在著美國和前蘇聯所沒有的、凝聚了日本自主創意的「大隅」號的經驗。當年搭載「大隅」號衛星的火箭放棄了液體燃料,而是採用容易使用的固體燃料。另外,也沒有使用誘導控制裝置,而是採取通過控制姿態使人造衛星進入軌道的「重力轉向」方式。
但令大多數研究人員擔憂的,是「最近日本在宇宙開發方面對失敗不再寬容」。發射「大隅」號的L-4S火箭從1號機起連續4次發射失敗。直到5號機才發射成功,東京大學名譽教授秋葉對此回憶稱,「每次失敗都是學習的過程。」
當時,日本宇航界從在多次失敗中準確發現問題並加以改進的過程中培養人才和技術,帶來了最後的成功。而組織機構變得龐大的JAXA現已很難採用這種方式。如今,日本需要的是建立可對具有挑戰性的宇航項目投入大量資金和人才等資源的機制。
與世界上的航天大國相比,日本的資金有限。如果只憑H3等常規火箭和重複利用型火箭來追趕中美,其太空存在感勢必減弱。日本宇航界稱,應當早日放棄現有體系,把優勢資源集中到走在世界最前列的新型太空運輸系統上。「做出這樣果斷的決定,日本才能在未來的宇宙開發中發揮主導權。」
而且,在安全保障等太空開發職能不斷擴展的背景下,如何讓科學探測活動更為活躍?「日本還需要營造一個能夠像「大隅」號當時那樣挑戰獨創性創意的環境。要繼續與其他國家展開競爭,日本或許還需要考慮重新調整組織結構等。」
回到現實,像澤田這樣的日本太空科技專家心中嚮往的,或許還是從比火星更為遙遠的星球取樣返回。這將是僅單程就需要10年甚至20年、探測器不會在他們這一代人退休前返回的宏大任務。澤田說:「雖然感到有些失落,但能實現會更加高興。」
可以預料的是,通過下一代MMX火星計劃積累的雄厚技術,勢必將為日本今後邁向宇宙大航海時代奠定新的基石。
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