《淮南子》当中说往古来今谓之宙,四方上下谓之宇,虽然这种认知具有一定的落后性,但是这质朴的文字恰好就向我们描述了宇宙有多么的浩瀚,因为不论是古往今来还是四方上下,在我们眼中都是无限延伸的边界。
在这浩瀚的宇宙当中存在着无数的天体,它们有的异常闪耀,有的灰头土脸,更有的体积非常小,不使用特制望远镜凑近观察根本感受不到它的存在。步入20世纪之后,世界各国的深空探测科技都得到了一定的发展,以我国为例,目前已经完成了对月球的探测,接下来就等顺利将航天员送上月球了。
各个国家的深空探测计划有着明显的区别,像美国就一直把重心放在火星上,而日本则更加关注小行星。他们制造的小行星探测器隼鸟二号于2014年12月3日成功发射,随后完成了一项人类壮举,成功在小行星上引爆了一颗炸弹进行采样。
引爆炸弹取样很难吗?
隼鸟二号引爆炸弹实际上是为了收集小行星上面的样本,并且隼鸟二号的探测器炸弹取样的方式其实是得益于隼鸟一号带回的成果,那么这一操作到底有多难呢?
根据隼鸟一号的采样的方式来看,在它探测器前端分布着一根采样管,而这根细管当中存放着两枚子弹。这一设计主要是想通过点燃火药把子弹发射出去的方式击中小行星地表的岩石,再让这些扬起的物质顺着管道进入收纳器。
不过,隼鸟一号的采样虽然取得了成果,但是采集到的样本含量实在是太少了,日本的科学家表示这是因为那两枚子弹的威力还是太小了,致使扬起的物质不够多。因此他们转换了思路,将打枪变为了开炮。
不得不说,科学家们还真的都是敢说就敢做,隼鸟二号飞入太空时还真的载上了炸弹,展现了日本当局势必带回更多样本的决心。根据介绍,工程师在探测器的底部装上了一个携带式冲击器,这个冲击器的设计原理和自锻破片弹十分类似,不少人指出这种设计的灵感应该源于反坦克炮弹。
为了验证自锻破片弹是否可以在小行星上炸出碎屑,日本还做了不少实验。
在2011年的10月,JAXA在自己的实验厂进行了一次射击实验。点火之后,自锻破片弹的4.7千克炸药起爆,顺利形成了一个2000克重的尖头圆柱体,以2000 米每秒的初速飞向靶子,不但顺利击穿了六层薄板,还把靶子打了一个大窟窿。
爆破实验之一
在顺利验证自锻破片弹可以完成取样任务之后,工程师决定就使用引爆炸弹的方式来取样。不过却不是大家想象当中的直接发射炸弹,因为如果靠得太近发射,扬起的碎片有概率会击中隼鸟二号,那么一切努力就付之一炬了。
但是离得太远也不行,因为太空当中想要瞄准是很难的,小行星的体积和微弱的引力,使得探测器在空中无法保持绝对稳定。一旦发生偏转,导致自锻破片弹与小行星擦肩而过,那么取样的计划又要失败了。
所以最终日本选择了将携带炸弹的冲击器分离出来,其探测器本体则向着另外一端。冲击器的起爆位置在小行星上方250米左右,如此近的距离使得它直接被炸毁,但是同时也扬起了小行星地表的物质。等到爆破结束,飞扬的石块稳定之后,隼鸟二号再从刚才躲避的另一侧过来,进行取样。
从以上的引爆炸弹的过程来看,隼鸟二号为了避免自己受到扬起碎片的伤害,给自己找了一个掩体,这个掩体正是小行星本身。凭借着自己灵活的身手,隼鸟二号可谓是以闪现的形式,迅速完成了爆破和取样。
隼鸟二号在小行星上砸出弹坑
值得一提的是,因为躲闪到另一面,隼鸟二号的视野也会被遮蔽,因此可能无法准确判断炸弹是否成功引爆以及石块是否落下。工程师专门在放置完冲击器之后,又安置了一个相机。这相机位于爆破处比较远,但是可以拍摄到相关情况,以便可以向躲避起来的隼鸟二号传递信息。
综上所述,在太空当中通过引爆炸弹取样还是非常困难的。首先需要确保探测器的安全,其次还要确保那一炸弹的威力恰到好处,最后在瞄准引爆的过程当中还需要不断地修整弹道,这些都环环相扣,一旦哪一环出了问题,那么就会全盘皆输。
最终,隼鸟二号圆满地完成了取样任务。并于2020年12月6日3时,隼鸟二号将第一个样本丢在了澳大利亚南部的沙漠地带,随后日本相关机构会前往回收。可以说,隼鸟二号的成功取样代表着人类对于小行星的探索更进一步,其意义是非凡的!
隼鸟二号的漫长星际旅途
隼鸟二号最初的设想是在2009年提出的,这一设想提出后得到了许多人的支持,最终在2010年8月成功获得了项目批准。日本的NEC公司在正式投入制造之前,对整个项目的投资金额做出预估,其成本大约10.5亿元人民币。
隼鸟二号算不上大型探测器,所以重量只有609公斤,干重大约只有410公斤。使用的发动机是离子电推进发动机,一共携带了4台,1台尚未运行留作备用机。
剩下3台同时工作时,推力能达到28毫牛,发动机的比冲高达3000秒,携带了66公斤的氙气。虽然推进剂加注量不多,但因为采用先进的电推进系统,可以为飞行器提供2000米/秒的速度增量。
值得一提的是,隼鸟二号从进入太空到最终执行任务,花费了大约5年的时间。根据相关新闻报道来看,它的起飞日期是北京时间2014年12月3日12点22分。但是抵达探测目标龙宫小行星附近时,已经是2018年6月了。
为此日本专家指出,这是为了节约能量。在刚发射一年时,隼鸟二号从地球旁边3000公里的位置飞过,借助地球的引力成功改变了轨道,节省了不少推进剂。在抵达龙宫附近后,它又围着这颗小行星转了一段时间,最终在2019年2月着陆。此次着陆收获很大,因为采集到的样本显示龙宫的地表存在水合矿物质,这或许可以解释远古小行星撞击地球时到底有没有带来水源。
龙宫小行星地表资料
其任务一直到2020年12月5日成功运送回样本才算是圆满结束,粗略估计隼鸟二号在太空当中飞行的时间已经长达6年。可见,探索小行星并不比探索太阳系内的其他大型行星省时。那么人类为什么非要探索小行星呢?探索小行星是不是很难?
探索小行星
小行星指的是体积质量远远小于正常行星,凡是又不属于彗星的天体。由于体积较小,它们的数量众多,根据2020年12月31日小行星中心发布的统计数据来看,太阳系内已经确认的小行星有1026572颗。
太阳系内小行星带
根据科学家的探测,直径大于100公里的小行星非常少,因此根据它们体积质量都很小的数据,可以总结出小行星的三个特点,分别是微重力、地质构造不稳定和高真空。这些特点,就在无形中增加了探测的难度。
首先来看微重力,小行星的体积小导致表面重力也很小,它表面的加速度和地球相比至少小了4到5个数量级。这样的微重力就导致在其表面取样困难重重,如果我们像在月球上那样进行钻孔挖掘取样,那么探测器可能会因为反作用力被掀翻。所以小行星探测器的取样设备,需要经过专门的制造,换言之,都是定制款。
探测器探测小行星
其次是地质构造不稳定,日本探测的这颗小行星龙宫属于C型小行星,其土壤当中富含碳和有机成分,与我们常说的碳质球粒陨石很像。如果采样目标的小行星地表存在大量碎石,可能就代表无法采样,因此事先对小行星的特点进行详细考察非常重要。
最后就是高真空了,可能大家会说其他行星不也是真空的吗?但是实际上不少大型行星上有稀薄的大气。小行星则完全没有大气的存在,因此无法使用空气对流对采样系统进行冷却,工作时间过长可能会引起机器过热。
大气层中的空气对流
可见,小行星探测还是很难的,像日本的隼鸟二号这样,在上空引爆炸弹进行取样就更具挑战了,所以它的成功被认为是人类壮举。那么既然如此艰难,为什么还要探索小行星?
这是因为小行星是太阳系当中非常古老的天体,对于我们了解太阳系的历史非常重要。坠入地球的陨石虽然也是小行星的一部分,但是穿过大气时它会经历气动加热,从而损失大量有效信息。
更重要的是,充分了解各个小行星的构成,有利于我们保护地球,毕竟这些年小行星与地球擦肩而过的情况发生过很多次。了解它们的构造才能在它们与地球相撞之前,将其解决。
日本隼鸟二号采集的样本价值
日本选择龙宫这颗小行星进行探测,是经过仔细考量的。因为龙宫是一颗含有丰富资源的小行星,不少媒体报道指出,从评估结果来看,这颗小行星上的资源总价值可以高达830亿美元。
内部富含铁、镍、钴、氨等等。日本介绍此次取回的样本还可以分为两个类型,第一个是表面样本,第二个则是通过引爆炸弹取得的内部样本。不论是哪一种,对于研究这颗小行星以及太阳系历史都具有重要价值。
其它国家的小行星探测计划
除了日本以外,其实全球有不少国家都将目光放在了小行星之上。比如美国的星尘号就对81P/Wild-2彗星进行了飞掠取样,在2016年时有发射了奥西里斯号前往小行星贝努进行探测。欧洲也专门设计出了一款名为罗塞塔-菲莱的小天体附着探测器,它的底部具有鱼叉式固定装置。
罗塞塔-菲莱小天体附着探测器
值得一提的是,日本的隼鸟二号其实有大部分项目都是与美国航空航天局合作的。而美国丰富的太空探索经验,无疑帮日本解决了不少难题,因此日本国内不少媒体指出这次成功大概率是基于背靠大树好乘凉。