研發歷程
“隼鳥”(Hayabusa)探測器是日本的小行星探測器,原名繆斯-C(MUSESC),由日本宇宙科學研究所研製,於2003年5月9日用M-5運載火箭從鹿兒島航天中心發射。任務目的是探測一顆名為“糸川”的小行星並採樣返回,是世界上首個實現在小行星上軟著陸並採樣返回的探測器。探測器的設計、研製工作歷時7年。
“隼鳥”探測器通過借力飛行,於2005年9月中旬到達小行星“糸川”,對其形狀、地形、顏色、組成、密度等進行了研究。2005年11月,探測器2次在小行星“糸川”上著陸並完成採樣。由於探測器在軌運行過程中出現了一系列故障,如探測器姿態控制系統中的3個飛輪中有2個出了故障,因此不得不利用餘下的1個飛輪和氙微波離子電推力器進行控制和操作;完成在小行星“糸川”表面下降和著陸後,探測器的化學推進系統出現燃料泄漏,推力降低,無法工作,蓄電池發生故障等,導致探測器未按計畫返回地球,探測器最終於2010年6月13日返回地球,回收成功。通過對“隼鳥”探測器採集的樣品進行分析和研究發現,小行星“糸川”是一顆較大的小行星的一部分,已有800萬年的歷史。
任務
“隼鳥”探測器完成了5項主要任務:利用日本自行研製的離子發動機實現星際飛行,用光學測量敏感器提供的信息確認小行星“糸川”所在的位置,通過自主導航完成尋的,接近目標或改變位置;在具有微重力的小行星“糸川I”上完成著陸並進行採樣;完成地球借力飛行;將採集的樣品帶回地球。
“隼鳥”探測器在軌道上完成了工程試驗和科學實驗2類任務。在工程領域,探測器完成的任務包括以日本自行研製的離子發動機作為主推力器,通過自主導航在地球一小行星一地球之問飛行,通過在距小行星“糸川”54m處向其投放目標標識器,確定準確的著陸目標,確保在選定的著陸點安全著陸,並驗證了探測器往返於地球與目標天體(小行星)間的飛行技術;實現了利用光學測量敏感器提供的信息進行自主導航的技術;掌握了在微重力環境下:行星表面採樣並將樣品帶回地面的技術。在科學領域的研究成果包括:掌握了在近地軌道型小行星的主要特徵;查並掌握了小行星與隕石之間的關係,並為開展小行星的起源與演化研究打下基礎。
性能參數
探測器質量為510kg,六面體結構,尺寸為1.0m×1.6m×2.0m,採用三軸穩定,配備可摺疊式剛性雙太陽翼.單個太陽翼翼展5.7m。探測器在近日點為1.0AU、遠日點1.44AU的太陽圓軌道上運行。
探測器由服務艙、有效載荷艙組成,其中服務艙包括結構、熱控、電源(太陽翼和蓄電池)、通信、數據處理、姿態軌道控制、反作用推進系統和電推進系統;有效載荷系統包括飛行任務儀器系統、採樣器、再入密封艙和跳躍式機器人。
工作過程
飛行
隼鳥號探測器是日本宇宙航空研究開發機構利用即將返回地球的隼鳥號小行星探測器,對正在研發的小行星撞擊地球預測系統的精確度進行測試,這再次引起了人們對隼鳥號太空飛行器的關注。
重量為495千克、太陽能電池板展後長約5米的隼鳥號探測器是採用離子火箭發動機飛向絲川小行星的。這種動力裝置的工作原理是,其工質氙從貯箱經過電離室被分解為正、負離子後,帶正電的離子流在引出電極的靜電場力作用下加速形成射束。離子射束與中和器發射的電子耦合形成中性的高速束流,噴射而出產生反作用推力。在隼鳥號環繞絲川小行星運轉期間,仍以離子火箭發動機提供動力。直到2005年11月9日,隼鳥號探測器已遭遇過幾次困境:太陽耀斑損壞了其電力儲存電容器,3個姿態控制儀已損壞了2個,只有1個還在正常運轉。
絲川小行星原定編號為1998SF 36,意即它是1998年9月下半月發現的第906顆小行星。其軌道與地球平均距離約3億千米。它的外形如馬鈴薯,長約540米,寬約300米,體積較小。日本為了紀念本國的火箭之父絲川英夫博士,經向國際天文聯合會小行星專業委員會申請並得到批准,才將其命名為絲川小行星。
自2005年11月10日開始,隼鳥號探測器的動力裝置已轉為使用化學火箭助推器,因為離子火箭發動機雖然可以精確控制方向,但費時較長。探測器上帶有足夠的助推器燃料,以保證隼鳥號能夠圓滿完成這次飛行任務。
投放觀測器失敗
在距離絲川小行星20千米高的軌道上運行期間,隼鳥號探測器就進行了環繞飛行的探測工作。它用自身攜帶的X射線和紅外線儀器觀測目標星體表面情況,收集其成分和地形數據。2005年10月份,隼鳥號陸續降低運行高度,進一步接近小行星,從10千米之內對其進行觀測。在這兩個不同的運行高度上實施探測過程中,它已把獲得的數據資料用無線電信號發回地面,供科學家們進行研究。
2005年11月初,隼鳥號繼續降高,逐步靠近絲川小行星。按照預定計畫,它於11月12日應在距離目標星60米~70米的高度上投放名叫智慧女神的觀測器。形狀如同罐子、只有10厘米長的智慧女神,實際上是個小型探測機器人。賦予它的任務是,前往絲川小行星採集數據,為隼鳥號無人探測器20日和26日兩次登入這個小行星作準備。
遺憾的是,12日下午3時8分,地面指揮人員向隼鳥號下達了投放觀測器的指令,並經16分鐘傳遞到探測器上實施投放以後,觀測器未能在絲川小行星上著陸。事後查出的原因表明,乃係投放高度大大超出預定距離所致。發出指令的當時,隼鳥號離小行星絲川僅55米,而後轉向上升,結果在距離絲川200米的高度上投下了觀測器,滯後於最佳時機,造成日本首次向地外天體投放觀測裝置失敗。
智慧女神失蹤的當晚,仍能通過無線電波與隼鳥號探測器聯繫,曾一度和地面監控室保持通信,後因機器人天線出現問題而中斷了信號來往。它在與地面通信期間,已發回隼鳥號部分太陽能電池板照片,還有其內部溫度和姿態的信息。
著陸
雖然投放的觀測器迷失目標,但是隼鳥號自身功能卻很正常。同時,令研製者們欣慰的是,這次智慧女神的著陸預演對隼鳥號最終著陸所需的程式和設備進行了檢驗,使地面控制小組能夠以更好的準備保證對小行星採樣的成功。這使日本宇航研發機構決定繼續執行原來計畫,在2005年11月20日和26日讓隼鳥號兩次短時間的著陸絲川小行星,採集其表面的岩石樣本。
20日凌晨,隼鳥號按照地面遙控指令於當日上午6時前,在離絲川10米的距離通過小行星引力自然下落,6時10分左右,在預定著陸目標的30米內著陸,隨即在星面跳動兩次,約停留30分鐘,然後按地面人員的指令離開小行星地面。
按原定計畫,隼鳥號一旦觸到絲川,內部的汽槍就立即發射直徑約1厘米、重為5~10克的擲標金屬球鉭彈,在小行星的硬殼上打出一個小孔,並用喇叭形的專門取樣裝置把濺起的一縷灰塵收進探測器的底艙。隼鳥號將在小行星上停留1~2秒,一旦完成採樣任務,它就飛行到8.4千米高的軌道將信息傳回地球,本身繼續進行環繞飛行。
然而,由於感知著陸的裝置沒有發揮作用,儘管隼鳥號在絲川表面停留時間大大超過規定時限,但它卻未能發射金屬球,導致第一次採樣活動以失敗告終。同時,它離開絲川後一下上升到約100千米的軌道位置,比要求的距離高度超出許多,姿態控制也出現問題。
實際上,隼鳥號嘗試著陸絲川小行星時,其位置和速度數據出現了問題,控制人員立即向它發出了上升指令,但沒有反應。日本宇宙探索局一度宣布隼鳥號處於失蹤狀態。當日上午9時30分左右,中斷了約3個小時的聯繫才得以恢復。聯繫中斷後,隼鳥號轉為自動控制,儲存自身數據,並在恢復聯繫後將其發回地面控制中心供研究人員分析。上述著陸成功但未能採集樣本情況,就是通過仔細分析傳回地面的數據資料而得出的結論。
在隼鳥號與地面控制中心恢復聯繫後,經地面人員努力,於21日姿態控制恢復正常,並再次接近絲川小行星。當日下午已抵達距離絲川50千米處,22日又拉近了兩者的位置,為再次登入和取樣做好了準備。
26日,隼鳥號重新登入當時距離地球2.9億千米的絲川小行星。這次停留時間較短,只有幾秒鐘,基本符合計畫要求,問題是尚難確定它是否採集到星面樣本。在它飛離絲川小行星後,已將數據資料發回地面,並按地面發出的返航指令,先圍繞小行星飛行,再踏上返回地球的歸程。照原來設定,隼鳥號探測器的返回艙應於2007年6月再入地球大氣層,在降落傘的作用下逐漸減速,最終著陸於澳大利亞的南部沙漠中。只有收到返回艙後,它是否採集到小行星樣本才會有定論。