焊接设备

隼鸟2号的着陆

发布时间:2022/12/25 20:52:28   
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索伦之眼

年6月27日,地球上的夏至刚刚过去。在位于神奈川的日本宇宙航空研究开发机构的控制室内,隼鸟2号项目的总负责人津田雄一与他的位同事,正焦急地等待着什么。没错,这个时刻到来了!在发射后的第天,隼鸟2号经过3亿千米的长途跋涉,终于抵达了距离目标小行星龙宫20千米左右的地方,并且与小行星保持了相对静止。

这一刻,控制室内立刻爆发出热烈的掌声,研究人员们欢呼雀跃——4年的等待终于没有白费。很快,隼鸟2号就传来了小行星龙宫的第一套珍贵的特写照片。可是,令人万万没有想到的是,当小行星龙宫的地貌逐渐显现出来后,笑容在津田雄一脸上凝固了。他怎么也没有想到,小行星龙宫竟然是这个形状,这张令人吃惊的“麻脸”或许会引发灾难性的后果……

那么,小行星龙宫到底长什么样呢?为什么小行星的“颜值”对着陆至关重要?隼鸟2号到底有没有顺利着陆呢?

咱们书归正传,从头讲起。让我们先来认识一下隼鸟2号。

基于隼鸟号的教训,隼鸟2号做出了一些针对性的改进。

第一个重要改进针对姿态控制系统。隼鸟号有三个用于姿态控制的反作用轮,但在第一次着陆前就坏了两个。隼鸟2号增加了一个反作用轮,并且尽量少地去使用它们。

另一个重要改进针对燃料和氧化剂管道的走线。隼鸟号有两种走线管道,但遇到问题时都不管用,在第二次着陆后发生了可怕的燃料泄漏。所以,隼鸟2号的化学推进系统进行了优化,具体方式有改进阀门清洗方法和气密性试验、减少焊接位置、审查焊接程序等。

隼鸟2号还改进了离子发动机。隼鸟号有四个离子发动机,在任务的最后,它们老化严重,坏的坏,伤的伤,最后勉强才拼凑出一个好用的。所以,隼鸟2号用等离子体保护放电器的内壁,并且通过加强磁场来降低电子发射所需的电压,来延长发动机的使用寿命,引擎的推力水平也增加了20%左右。

我们再来看看这次隼鸟2号探测的目标——小行星龙宫。它位于地球和火星之间,于年被发现。“龙宫”这个名字和隼鸟号拜访的丝川一样,都是日本决定对它进行探索后才起的名字,来源于日本民俗故事《浦岛太郎》。在故事中,渔民浦岛太郎救了一只乌龟,乌龟为了报恩,将他带到了水下的龙宫。浦岛太郎爱上了一位恳求他留下来的公主,三天之后他希望回到水面。作为一份离别礼物,公主给了他一个盒子,告诉他永远不要打开。回到家后,浦岛太郎震惊地发现年过去了,他认识的每个人都已经死了。在困惑中,他打开盒子,立刻被一团白雾笼罩。当白雾消失后,他发现自己变成了一个老人,因为盒子里有他的过去。你能不能从这个故事中听出“龙宫”的寓意呢?

隼鸟2号拍摄的龙宫在故事中,浦岛太郎在“龙宫”的盒子里找到了他丢失的过去。而隼鸟2号的目的就是取得小行星龙宫的物质样本,并带回地球,希望从中获取太阳系最初的信息。

龙宫是一颗C-型小行星,比隼鸟号探索的丝川更加原始,像一颗“时间胶囊”。了解小行星上的物质构成有助于我们了解地球和生命的起源。由此可见,龙宫绝对是被寄予厚望的。那么,在出发之前,隼鸟2号研究团队对龙宫了解多少呢?

通过红外观测,研究团队知道龙宫的直径约为米,表面积有9个足球场那么大,大致呈球形。它的反射率很低,仅有0.05,就像一个黑色的土豆。

隼鸟2号在4年中不断传回龙宫的照片,但始终都像打着马赛克,不见庐山真面目。于是,就有了本章开头的那一幕。当隼鸟2号距离龙宫仅20千米,拍下第一张特写近照时,研究人员还真被吓了一跳——谁都没想到,龙宫不是预想中的球形,而更像一个奇异的算盘珠。更可怕的是,龙宫有一张麻子脸,上面密密麻麻满是凹凸不平的岩石。

为了弄清岩石的数量,项目团队用绿色在龙宫的照片上标记出直径大小在8—10米的岩石。这是一张让人忍不住犯密集恐惧症的图片——满眼都是星星点点、荧荧的绿色。

这些岩石的分布事关隼鸟2号任务的成败。因为隼鸟2号的着陆条件很严苛,着陆点必须满足以下几点要求:

1.表面的倾斜度平均在30°以内。

2.着陆时,隼鸟2号的太阳能电池板需要与龙宫表面平行。如果着陆点部分倾斜,航天器的姿态也将倾斜,进入太阳能电池的太阳光会减弱。

3.应有一个直径约米的平坦区域。隼鸟2号自主着陆时,导航制导系统的精度估计约为±50米。因此,为了安全着地,必须选择一个直径约米的平坦区域。

4.周围的巨石高度不高于50厘米。隼鸟2号的下端有一个从表面收集材料的采样器喇叭,长度约为1米。因此,当采样器喇叭的尖端接触地面时,周围的巨石不能高于50厘米,否则隼鸟2号就会有“触礁”的危险。

5.表面温度低于97℃。接地点的温度必须低于此极限,以防止由于地面热量导致隼鸟2号安装的设备因过热而失效。

因此,岩石遍布的龙宫有一个致命的问题:无法满足着陆条件中的第3点——无法提供一个直径约米的平坦区域。别说米了,它上面甚至连一个直径为20米的平坦区域都难以找到。

再回看隼鸟2号,它长1米,宽1.6米,高1.25米。两边的两个大翅膀——太阳能板,长6米,宽4.23米。这个大小相对于龙宫的“岩石丛林”来说,就显得太大了。所以,着陆龙宫最大的难题就是找到一个“落脚点”。

好在天无绝人之路——隼鸟2号导航制导系统的精度是可以提高的。通过练习,可以从现在的±50米达到±20米,甚至±10米。于是,隼鸟2号项目团队兵分两路:第一路通过不断测试来提高着陆精度;第二路仔细研究龙宫的地形,努力找出一个适合的着陆地点。

年8月17日,行动正式开始了。

隼鸟2号团队在分析了各种地点的巨石分布图之后,把岩石数量较少的L08确定为隼鸟2号着陆点的第一备选,L07和M04作为后备选项。名称“L”和“M”指的是低纬度(L)和中纬度(M)位置。

这里要特别说明一下,隼鸟2号还有两个小型的附属设备,一个叫小型巡视器,另一个叫着陆器。它们俩就像是隼鸟2号派出的侦察兵,可以提前在小行星上着陆,为隼鸟2号提供更精确的数据。

9月21日,小型巡视器顺利着陆。10月3日,着陆器顺利着陆。

小任务的接连成功让所有人都振奋不已,人们暂时从着陆困难的阴霾中走出。很快又传来好消息:在隼鸟2号项目团队的努力下,着陆范围再一次缩小,圈画出了石块较少的L08-B区。正当大家以为万事大吉,隼鸟2号着陆无忧时,意外发生了。

隼鸟2号团队突然宣布:原定于年10月底着陆的计划,将推迟到年1月以后。在年10月10日的新闻发布会,研究人员无奈地说:“龙宫开始对我们张牙舞爪了。”

隼鸟2号向龙宫投放的设备

这个消息非常突兀。从隼鸟2号的官方推特来看,简直完全没有道理,前一篇还是一切顺利,怎么突然就推迟了呢?还一下子就推迟了3个月?

隼鸟2号团队官方给出了两个原因:一是为了通过现有的数据更好地了解龙宫的地表条件,二是为了增加隼鸟2号的导航精度。其实,导致着陆计划推迟的导火索,是一个月前的测试中发生的意外。

一个月前,隼鸟2号在降落到米处时,自动停止了下落,并且突然和地面失去了联系。地面的研究人员除了等待别无他法。等信号恢复后,他们竟然发现隼鸟2号已经自动返回到了20千米处。这到底是怎么回事呢?

隼鸟2号失联、自主攀升的行为看似诡异,其实原因非常简单,甚至有点好笑——龙宫太黑了。别忘了,龙宫的反射率只有0.05,在漆黑的宇宙背景下,就像黑人掉进煤堆一样,很难找到。而隼鸟2号是通过激光来测定距离的,如果龙宫太黑,光反射不回来,探测器无法获取高度,为了躲避风险,就会自动上升。年10月3日,着陆器的官方推特发了这样一条推文:“哇!龙宫是如此黑,我无法定位自己。我不得不使用我的摇臂重新定位,以便我可以继续收集科学数据……现在好多了!”

这次意外暴露出一个关键问题:面对漆黑的龙宫,隼鸟2号激光测距的定位方法有时会失效。有没有一种更好的定位方法呢?

你不妨想一想,如果一个黑人掉入煤堆,如何使他迅速被认出?很简单:让他咧嘴一笑,露出白牙。隼鸟2号精准定位的关键就在于:在龙宫上布置一颗“白牙”,也就是释放会发光的标记球。隼鸟2号只要瞄准“白牙”,就能被精准地引导了。

这个设想很好,但实际操作起来,导航精度能否达到要求呢?这需要谨慎的实验来验证。于是,隼鸟2号团队进行了两次“排练”。这次,命运向隼鸟2号团队露出了微笑,两次排练都进行得非常顺利。

10月25日,隼鸟2号利用激光测距(LRF)的方法,自动下降并悬停在L08-B区上空,在龙宫上投射出一个小小的影子。然后,像是母鸡下蛋一样,一个圆圆的标记球从隼鸟2号底部释放出来,直直地落在龙宫上,滚动了几米。标记球是用逆向反射材料制作的,能够反射太阳光,形成一个亮晶晶的光点。虽然只有10厘米大小,但它却是龙宫上导航的灯塔。

这一天,隼鸟2号项目团队兴奋地在推特上写道:“这个尝试取得了巨大的成功!”

现在,隼鸟2号成功着陆的一个重要条件“导航定位”已经顺利满足。但是隼鸟2号依然面临一个大难题:符合要求的着陆地点还是没找到。经过几轮测试和练习后,导航的准确度已经提高到了±15米。也就是说,符合要求的平坦区域直径达到30米即可。但问题是,L08-B的直径仅为约20米。

幸运的是,这个棘手的问题也刚好被10月25日释放的“灯塔”解决了。原来,“灯塔”的存在,为隼鸟2号提供了一种“精确触地”的方法,把最终的导航精度提高到了±2.7米。换句话说,直径20米的空间绰绰有余了。

最终,隼鸟2号选择了离目标标记较近的L08-E1区。那里比L08-B区狭窄,宽度为6米,刚刚满足隼鸟2号现在的导航精度。(12)项目团队说:“虽然这个区域的大小只是勉强够用,但我们会尝试在这里触地得分。”

终于,在一颗小小标记球的帮助下,所有难题迎刃而解。隼鸟2号已准备就绪,可以迎接最后的光辉时刻了。年2月6日,隼鸟2号团队在日本宇宙航空研究开发机构东京办事处举行了新闻发布会,向全世界宣布:触地时间定在2月21日,着陆位置为L08-E1。

整个着陆过程没有地面干预,隼鸟2号只能靠自己。

2月21日,东京时间13点45分,隼鸟2号开始以0.9米/秒的速度下降。在下降到距龙宫40米处时,它“看到了”标记球,缓慢地移动过去。(13)突然,它停下了,因为这附近有一块2米高的岩石。隼鸟2号不得不继续调整自己的姿势。终于,它避开了所有大型岩石,准确到达了着陆点的上空,就像猎人锁定了猎物一样,非常耐心地一点一点接近目标。

隼鸟2号在龙宫着陆

就这样,下降一直持续到第二天上午7点29分,隼鸟2号的底端抵达了龙宫。它仅轻轻地一触,便迅速弹起,激起碎石飞舞,然后优雅地重新回到上空。

与隼鸟号的设计一样,所谓的“着陆”,其实就是蜻蜓点水那样轻轻碰一下。在隼鸟2号底部有一个长长的、筒状的东西,名为“取样喇叭”。在它的顶端接触小行星表面的瞬间,它会发射子弹,在龙宫的表面激起碎片,这些碎片会被取样喇叭收集起来。整个过程复杂且迅速,仅在几秒之内便能完成,之后隼鸟2号立刻转为上升状态。这精彩的瞬间被称为“触地得分”。

由于信号延迟,几分钟后,地面上的隼鸟2号项目团队才接到“着陆”成功的信号。一时间,控制室里响起一片热烈的掌声,人们高声欢呼、互相拥抱,总负责人津田雄一更是忍不住流下了激动的泪水。

然而,着陆成功只是一个开始。

2个月后,年4月5日,隼鸟2号向小行星龙宫表面发射了携带9.5公斤炸药的撞击器——SCI。在爆炸的巨大威力下,小行星地下岩石喷涌而出。撞击器给龙宫表面制造了一个人工撞击坑,炸出了小行星的深层物质。

又3个月后,年7月11日,隼鸟2号二度成功登陆小行星龙宫,采集到了上次炸出来的地下岩石标本。

在我们欢度国庆节期间的10月3日,日本官方宣布,隼鸟2号成功完成了小行星漫游车的释放任务。至此,隼鸟2号的小行星考察任务全部完成。它于年12月3日出发返回地球,预计年年底回到地球的怀抱。

看起来一切都很顺利。但别忘了,太空探索充满了不确定性和意外,在没有拿到最终的样品前,隼鸟2号的任务都有可能因为任何微小的失误而前功尽弃。因此,隼鸟2号团队丝毫不敢大意,现在依然是他们最为紧张的时候。

让我们一起期待隼鸟2号的归来吧。或许你不愿意看到日本在太空探索领域与我国有的一拼,但这一刻,我还是希望你暂时放下民族感情,这毕竟是代表全人类的太空探索事业。日本在太空探索领域取得的成果是属于全人类的,将来总有一天,人类要向宇宙社会展示我们的文明史。当我们面对外星文明时,我们一定会说:“人类,而不是美国人,于年7月20日登上月球;人类探测器,而不是中国探测器,于年1月3日成功登陆月球背面;人类探测器,而不是日本探测器,于某年某月某日,第二次将小行星物质带回地球。”

科学是属于全人类的壮丽事业,任何科学成就放到宇宙的大背景下,都是属于全体人类文明的成就。



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