日本即将发射隼鸟－2小行星探测器

王存恩（北京空间科技信息研究所）

日本即将发射隼鸟－2小行星探测器

王存恩（北京空间科技信息研究所）

日本将于2014年11月30日用H－2A火箭发射隼鸟－2（Hayabusa－2）小行星探测器。该探测器将于2018年到达在地球和火星之间轨道上运行的小行星1999JU3，并于2020年携带采样返回地球。2003年升空的日本“隼鸟”探测器在目标小行星附近及其表面共停留了3个月，预计隼鸟－2停留时间将延长到1年半左右。隼鸟－2将观测目标小行星表面，实施着陆并采集其表面下数十厘米处的物质。分析这些物质，有望解答太阳系形成和生命起源的若干谜题。

1 引言

早在2005年11月日本“隼鸟”飞抵小行星糸川，并完成在糸川上着陆、取样后不久，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）就针对“隼鸟”后继星是否应立项、若立项是否还采用“隼鸟”的公用平台以及选择哪颗小行星作为探测对象等进行了深入研究，并明确：①应尽快立项；②首颗后继探测器依旧采用“隼鸟”公用平台，从第3个“隼鸟”系列探测器起再采用新研制的平台；③“隼鸟”后继探测器探测对象选择小行星1999JU3。

隼鸟－2将以小行星1999JU3作为观测和采样对象，其原因是绝大多数C型小行星都距地球很远，唯1999JU3是位于地球轨道附近的小行星。它上面不仅含丰富的矿物质和水，而且地质结构也比小行星糸川复杂，既适于“隼鸟”探测，又可通过对其观测，有助于达到进一步搞清楚太阳系诞生之际小天体上是否就已存在矿物质、水和有机物，以及解开形成生命物质之谜的目的。

2 探测器概况

隼鸟－2仍采用“隼鸟”所采用的箱型结构，但为解决“隼鸟”在轨运行阶段所出现的一系列问题，满足与小行星1999JU3交会、观测、着陆、撞击并形成火山坑，且完成取样和返回等飞行任务要求。在进行系统方案审定时，就决定对天线、化学燃料推力器及其配管的设计、反作用飞轮数量和配置、离子发动机推力器的设计等做了必要的修改，增加了推进剂的携带量；设计并开发了撞击小行星1999JU3表面（在小行星1999JU3上形成火山坑）用的撞击装置；调整了有效载荷系统中遥感器的配置，改进了采样器弹丸的设计等。

另外，“隼鸟”是以非自主式下达向轨道投放小型跳跃式机器人“密涅瓦”（MINERVE）指令，没有将延迟时间（约16s）计算在内，因此，也就没能将“密涅瓦”投放到小行星糸川表面，而成为一颗绕小行星糸川运行的人造卫星；隼鸟－2采用自主式下达投放密涅瓦－2指令的方式，确保可精确地计算从下达指令到接收到并执行指令间的时差；伴随采样对象等变化，对包括信息采集机器人“密涅瓦”和采样器等有效载荷系统仪器和设备的配置也做了相应的调整；增加了着陆器等。

隼鸟－2和“隼鸟”的主要性能和参数比较

3 发射隼鸟－2的目的、意义及要实现的目标

发射隼鸟－2的意义

日本认为研制和发射隼鸟－2不仅有重大的科学意义，而且有深远的技术意义和难以估量的社会意义。

（1）重大的科学意义—有助于搞清楚太阳系的起源、进化和生命的起源

太阳系形成初期，无论是地球、海洋和生命起源的物质都蕴含在非常原始的母天体中，且彼此密切接触，通过对至今相互间仍保持着的这种关系的原始天体进行观测、取样，并将其带回地面进行深入分析，对搞清楚太阳系的起源、进化过程，弄清楚生命的起源等都具有重大意义。

（2）深远的技术意义—旨在保持领先世界的深空探测技术

“隼鸟”作为世界上首个在小行星上着陆、取样并携带样品返回地面的探测器，向许多新技术发起了挑战并获成功。继承其积累的相关经验，确立更加先进、扎实的深空探测技术，有深远的意义，对人类拓展空间探测领域是一项重大贡献。

（3）难以估算的社会意义—通过国际合作培养人才，将取得的成果回馈社会

1）在国际合作方面。通过开展国际合作（特别是在搭载有效载荷方面的合作），向各国科学家提供隼鸟－2所获取的科学观测数据，提供从小行星1999JU3上采集到的样品和经全面详细分析后的数据信息，既为国际社会做贡献，也尽日本在航天国际合作领域应尽的责任和义务。

2）在人才培养方面。日本通过“隼鸟”系列的研制、发射和应用实践，不仅取得了国际领先的科学研究和技术开发成果，也真正担负起所应承诺的科技立国和培养跨世纪人才之重任。希望涌现出更多像川口淳一郎（“隼鸟”项目组组长，因设计、开发和应用“隼鸟”并选择有效地操控手段将采集到的样品带回地面，而被评为2011年世界航天10大新闻人物，现担任航天开发本部事务局长）之类的人才。

隼鸟－2与小行星1999JU3交会、取样过程示意图

3）回馈社会。“隼鸟”系列探测器所取得的一系列重大成果受到国际社会的极大关注，通过研制、发射和应用隼鸟－2，可继续获取和梳理研究成果并回馈社会，使之成为开展实践教育和文化活动的有用素材。

发射隼鸟－2的目的和实现的目标

发射隼鸟－2既有科学方面的目的，也有工程方面的目的，要达到的这两项目的中又包括基本（最低，minimum）目标、圆满（ful）目标和超完美（extort）目标。设计团队提出要竭尽全力达到超完美目标，力争实现圆满目标，要求起码要确保完成基本目标。

（1）科学方面的目的与目标

科学方面有两大目的：①调查C型小行星在物质科学方面的特性，进一步确认小行星1999JU3上含矿物质、水和有机物的情况，特别是要搞清楚它们之间相互作用的情况；②通过对小行星1999JU3的直接探测，调查其再集成过程、内部结构和地下物质等，为搞清小行星的形成过程提供第一手材料。

科学目标包括基本目标、圆满目标和超完美目标。

1）目标1的3个目标。①基本目标：通过在小行星1999JU3附近进行观测，搞清楚C型小行星在物质结构方面的情况，获取新的知识（起码要获取小行星表面的10组数据）。判断是否达到目的的时间期限为隼鸟－2到达小行星1999JU3的1年之后。②圆满目标：通过对采集到的样品进行初始分析，获取与矿物质、水和有机物质等有关的新知识（采集的样品要多于100mg）。判断是否达到目的的时间期限为将采集到的样品装入回收密封舱内并带回地面1年之后。③超完美目标：通过将天体定标信息与精密定标信息的对照、分析和比较，获取与地球、海洋的形成，生命材料物质的生成有关的、新的科学成果。判断是否达到目的的时间期限为将采集到的样品装入回收密封舱内并带回地面1年之后。

2）目标2的3个目标。①基本目标：通过在小行星附近进行观测，获取与小行星1999JU3内部结构等有关的知识（确定小行星的体积、密度，其精度要优于±7%）。判断是否达到目的的时间期限为隼鸟－2飞抵小行星1999JU3的1年之后。②圆满目标：利用观测相机观测撞击装置撞击小行星1999JU3时所发生的各种现象，获取与小行星1999JU3内部结构以及地下物质成分等相关的新知识（获取生成的火山坑的数据，其面积为以这一火山坑为中心，向周围各方向延伸100m的范围内，对火山坑数据的分辨率要优于20cm）。判断是否达到目的的时间期限为隼鸟－2飞离小行星1999JU3之时。③超完美目标：获得包括与小行星1999JU3遭撞击后的破坏情况和再集成过程等有关的新知识，更进一步则要获取小行星1999JU3形成过程等的科学成果；利用探测机器人（含小型着陆器和小型小行星登陆车，即密涅瓦－2）获取与小行星1999JU3表层环境等有关的科学成果。判断是否达到目的的时间期限为将采集到的样品装入回收密封舱内并带回地面1年之后。

隼鸟-2上的取样装置

（2）工程方面的目的与目标

工程方面有两大目的：①进一步验证在“隼鸟”所实验和验证的新技术，提高其鲁棒性、可靠性以及可应用性，使这些技术日臻成熟、完善。②验证利用撞击装置撞击天体的技术。

工程方面也包括基本目标、圆满目标和超完美目标。

1）目标1的3个目标。①基本目标：实现用离子发动机作为深空探测用推进系统，并完成与被观测对象小行星1999JU3交会。判断是否达到目的的时间期限为隼鸟－2到达小行星1999JU3之时。②圆满目标：实现探测用机器人成功地在小行星1999JU3表面着陆，完成对小行星1999JU3表面取样（采集到的样品需超过100mg）。判断是否达到目的的时间期限为采集到的样品装入到回收密封舱内且携带其返回地面之时。③超完美目标：等待最后确定。

2）目标2的3个目标。①基本目标：成功地构建利用撞击装置撞击天体的系统体系，完成利用撞击装置撞击小行星1999JU3的任务。判断是否达到目的期限为确认撞击装置成功撞击小行星1999JU3并形成火山坑之时。②圆满目标：利用撞击装置成功撞击选定的区域并形成火山坑（从撞击目标点向四周延伸，其半径为100m的范围）。判断是否达到目的的时间期限为确认利用撞击装置撞击小行星1999JU3并形成火山坑之时。③超完美目标：利用采样器采集到由撞击装置撞击小行星1999JU3后裸露在表面的地下物质。判断是否达到目的的时间期限为将采集到的样品装入回收密封舱内并将其成功地带回地面之时。

4 隼鸟－2在“隼鸟”基础上做的技术改进

公用平台

隼鸟－2公用平台由电源、高速通信、姿态控制、数据处理、推进和热控等6个系统组成。

（1）电源系统

采用总线电压，即串联转换调压恒压（SSRCV）控制方式，在太阳电池翼（SAP）和探测器的一次总线电压之间串联插入了场效应晶体管（FET）开关，控制二次电压使之保持一定，这样就可按实际负荷电力，使一次总线电压一侧的工作点由开放电压（Voc）点向最大耗电量点移动，做到即使出现硅雪崩光电二极管（SAP）等高线间隔（VI）曲线变化大的情况，仍可根据需要，乃至到最大耗电量点的情况下进行应用，不需要进行分流和设置分流控制电路。

继续采用由锂离子单元、充放电电路、变压器（VT）充电电路和保护电路等组成的锂离子（Li-Ion）蓄电池，其优点是功率容量质量比很高：额定容量达13.2A ·h，端子电压为46.2V。2005年12月8日，“隼鸟”出现蓄电池突然停止各种功能，探测器一度丧失三轴姿态控制的问题，主要原因是过放电使11个蓄电池单元中的4个单元出现短路。再捕获后探测器恢复了正常控制，通过给蓄电池再充电，且控制充电电流使之保持在最小，保证了蓄电池工作正常。不过，2007年2月电源系统突然全部丧失功能，导致无法向探测器提供所需能量。分析认为是电子线路故障所致，蓄电池电子线路生产厂家按照隼鸟－2设计者的要求，对“隼鸟”的蓄电池电子线路进行了必要的改进，增大了对充电电流的控制力度，确保可保持在额定范围。当出现充电电流过高现象时，探测器本身携带的健康诊断系统就会提前向设计者、地面管控人员发送出现充电电流过高/超过允许范围预报的信息，设计者、地面管控人员根据预报信息进行研究、判断，预先考虑并制定故障对策。

隼鸟－2仍采用对称配置且采用3层结构的高转换效率的太阳电池单元，为防止因离子发动机（IES）工作时所形成的等离子环境诱发太阳电池单元间放电，采取了可使相邻的电池单元间的压差保持在最小，并在可能产生较大电位差的各处，配置防止放电用的铸模等措施。另外，在太阳光照射到太阳电池翼后重新启动探测器电源时，可能会导致总线电压出现波动等。隼鸟－2在“隼鸟”的基础上增设了电源功率控制功能，在一旦出现诸如太阳电池翼产生的电能即将超过允许负荷现象前，就会采取在功率控制单元（PCU）内部对太阳电池翼输出进行分流等措施。同时，探测器上配备的健康诊断系统也会提前预报已出现或可能会出现超过允许负荷之先兆，提请设计者、管控人员注意，考虑采取相应对策。

（2）高速通信系统

“隼鸟”采用的是配置X频段发射/接收机的高速通信系统，较好地完成了各项任务，但也曾于2005年11月28日出现无法确保通信功能的状况，11月29日l0时，进行多次开启实验后，才使无线电信标信号通信链路恢复正常。

为解决上述问题，确保地面与探测器间保持不间断的通信联系，隼鸟－2选用在已发射的金星探测器上采用的Ka频段32GHz通信系统代替“隼鸟”用的X频段8GHz通信系统，并用经飞行验证的高增益平面天线组成的高可靠性天线阵，代替“隼鸟”的抛物面天线，组成了高速的通信系统。大量的地面仿真试验证明，这种通信系统的可靠性远远优于“隼鸟”使用的通信系统。

（3）姿态控制系统

隼鸟－2仍采用“隼鸟”采用的小角动量三轴控制，但执行机构的飞轮配置由原来的3个反作用轮改为4个反作用轮（采用斜装方式）。“隼鸟”初始设计时也曾考虑4个反作用轮方式，但受分配给姿态控制系统质量等方面的限制，以及论证过程确认即便采用3个反作用轮／2个反作用轮的三轴姿态控制方式，仍可做到即便3个反作用轮中1个出故障，仍可使探测器保持稳定姿态，使姿态控制精度达0.1°。不过“隼鸟”在轨运行期间，即2005年7月30日和10月2日，配置在X轴和Y轴的飞轮[美国伊萨科空间系统公司（Ithaco）的A型产品]先后出现故障，其原因是飞轮内部铝箔材质的金属衬垫脱落，导致飞轮无法转动。尽管都立即采取了恢复作业等操作，但均未获成功，致使控制精度和姿态稳定度都无法满足设计要求。最初仅1个飞轮故障时，是用2个飞轮和化学推进系统对探测器进行控制；而2005年10月2日Y轴飞轮又出现故障，接着2005年底先是1台发动机的燃料泄漏，不得不改用尚正常工作的1个飞轮和尚正常的化学推进系统进行下降和着陆控制作业。虽然影响了姿态、轨道控制和着陆精准度，但获得成功。而到了2006年初，竟出现探测器所携带的化学推进系统燃料全部漏光，无法正常进行姿态和轨道控制，设计者、管控专家们协商后不得不做出改用尚正常工作的1个飞轮和离子发动机进行姿态轨道控制，以及离轨和再入控制作业的决定。尽管控制精度下降，增加了作业难度，且大幅度推迟了探测器返回地面的时间，但靠着管控专家们的睿智，还是使“隼鸟”返回舱得以安全返回地面。

隼鸟－2公用平台（左）与有效载荷舱（右）上主要设备的配置图

针对“隼鸟”姿态轨道控制系统出现的严重问题，日本宇宙科学研究所（ISAS）决定对“隼鸟”的姿态轨道控制系统做必要的修改：包括执行机构由原来的3个反作用轮改为4个斜装反作用轮，规定对产品，特别是采购件必须进行严格检查，避免类似事故导致飞轮无法转动等问题的再次发生。由于采用配置4个斜装反作用轮，可做到即便4个飞轮中有2个出故障仍可确保探测器高可靠、稳定运行、完成着陆、成功取样等任务，并安全地返回地面。

（4）数据处理系统

数据处理系统为“隼鸟”在极其困难的情况下完成寻的、交会、采样、返回和安全着陆等飞行任务发挥了重要作用，因此隼鸟－2基本沿用了“隼鸟”的数据处理系统，但为杜绝“隼鸟”曾出现的因没有把遥操作的时间延迟计算在内，导致未能将“密涅瓦”投放到小行星糸川表面等严重错误，改进了遥操作时间延迟计算方法，配备了自主计算时间延迟用的计算系统，并利用地面仿真系统反复核对，从下达向轨道投放密涅瓦－2指令到接收到并执行投放指令间的时间间隔，同时要求以“隼鸟”曾出现的人为差错为戒，杜绝类似低级错误，确保向轨道投放密涅瓦－2成功，完成探测、摄像和数据采集等飞行任务。

隼鸟－2的化学推进器

（5）推进系统

“隼鸟”以推力为10μN微波放电式氙离子发动机系统（IES）作为主发动机，同时配备23N双元液体肼推进系统，与离子发动机系统相配合进行姿态轨道控制与返回操作。虽然2007年4月20日曾出现因离子发动机中B推力器中和电压突然上升故障，但按照探测器本身配置的健康诊断系统建议，关闭了这台推力器，依靠D推力器仍确保了探测器继续稳定加速飞行。在双元液体肼推进系统出现故障后，靠离子发动机和尚正常工作的1个反作用轮，对“隼鸟”成功进行了包括离轨以及再入返回等关键时刻的关键控制，并将装有样品的返回舱安全地带回地面。因此，隼鸟－2依然继续选用“隼鸟”的推力为10μN的微波放电式氙离子发动机。但为使其性能更好，功能更强，可靠性更高，根据执行飞往小行星1999JU3所应运行的轨道，对离子发动机本身进行了必要的改进。

双元液体肼推进系统，在“隼鸟”发射仅2年多的时间，即2005年11月26日，就出现了1台发动机燃料泄漏情况；接着，2005年11月27日，因闭锁阀堵塞或管道内的液态燃料冻结等原因，致使另1台喷气发动机出现燃料泄漏事件，导致系统功能严重下降；而2006年1月26日，探测器的化学推进系统中的所有燃料全部漏光，无法进行地球指向控制，管控专家不得不下达利用离子发动机喷射氙冷气的方法来改变和控制探测器姿态的指令，才确保了有效载荷指向地球，太阳电池翼指向太阳，使探测器保持正常工作。

隼鸟－2的离子发动机

对隼鸟－2双元液体肼推进系统发动机及其所出现的故障进行认真分析，不仅修改了系统设计，还修改了导致燃料泄漏的闭锁阀的设计，全面更换了配管。地面仿真试验证明，新的肼双元液体推进系统可满足设计性能要求。

（6）热控系统

“隼鸟”的热控系统是成功的，所以隼鸟－2依然采用“隼鸟”的热控系统。但根据在轨工作情况，对其配备的加热器控制用电子装置（HCE）做了必要的改进，修改、完善了加热器耗电量控制用的软件，达到可更有效地控制加热器耗电量峰值的目的。当出现加热器即将超过耗电量额定峰值时，探测器上配备的健康诊断系统就会提前向设计者、地面管控人员发出预警信息，地面管控人员可根据实际情况采取对策。

有效载荷平台

隼鸟－2有效载荷平台上配备了7种有效载荷仪器，在“隼鸟”的基础上增加了中红外摄像敏感器（TIR）和分离监控摄像敏感器（DCAM），减少了X频段荧光分光计（XRS）。

隼鸟－2有效载荷系统继续采用了“隼鸟”的远景摄像敏感器、激光高度计、采样器、再入密封舱和密涅瓦－2，但设计时根据需求做了以下变化。

1）替换了远景摄像敏感器中的部分滤波器。

2）对“隼鸟”所搭载的激光高度计反射镜的反射率进行了必要的调整，目的是使激光高度计的反射率能够与小行星1999JU3表面的反射率保持一致。

3）采样器角状漏斗的前端配置了翻卷机构，目的是要增强前端的强度，同时还将这种翻卷机构作为可更换备件。

4）采集器中配备了可从采样器上弹射出的弹子。“隼鸟”所弹射出的弹子是圆形，质量为5g；隼鸟－2改为圆锥形，质量为3g，圆锥形弹子的圆锥角为90°。实验证明，隼鸟－2弹射出的弹子的实际弹射和撞击效果优于“隼鸟”。“隼鸟”上配备有2颗弹子；隼鸟－2上计划配备多颗。

5）在再入密封舱内增加了计测仪表，目的是确保地面管控人员实时掌握再入密封舱内的真实情况。

6）增配了在已发射的金星探测器上搭载的近红外分光器（NIRS），其观测波长包括3μm波段，用它可准确、有效地调查小行星1999JU3表面的土壤对水分的吸收能力。

7）搭载了新研制的直径为20cm、质量为10kg，装满炸药的圆筒形撞击装置，撞击装置在与探测器分离后冲向小行星1999JU3，以爆压方式使之壳体变形成一个坚硬的金属块，撞击选定的目标点，形成火山坑。这样就可使采样器不仅能够采集到小行星1999JU3表面，还能采集到其内部的各种物质。

8）新配备了在2010年5月发射的“伊卡洛斯”（IKAROS）卫星上已用过的、配备有鱼眼透镜相机的分离监控摄像敏感器，用来监视撞击装置与探测器分离，以及撞击装置撞击小行星1999JU3的状况，拍摄采样器采集样品的全过程。

9）密涅瓦－2和“隼鸟”上所搭载的“密涅瓦”基本相同，但强化了用自主计算探测器与小行星间相对距离和相对速度的功能，“隼鸟”搭载了1个“密涅瓦”，而隼鸟－2则搭载了3个密涅瓦－2。

10）新配备的小型着陆器由德国航空航天中心提供，质量约为10kg，主要组成部件包括广角摄像机（CAM）、热辐射计（MARA）、磁强计（MAG），以及分光显微镜（MicrOmega）等，登陆后利用上述4种观测装置，除获取与小行星1999JU3的相关数据外，还将执行微重力实验和提供支持跟踪服务任务等。

5 探测对象— C型小行星1999JU3的基本情况

通过大量的地面观测已确认小行星1999JU3是一个直径为900m的C型小行星（其面积大小为S型小行星糸川的2倍），还获得了包括其现状、自转周期、自转轴方向、反射率等主要信息。小行星1999JU3的自转周期约为7.6h，比“隼鸟”短（“隼鸟”约为12h）。研究结果表明，自转周期越短，探测器触地采样越难。通常情况下，很难对自转周期小于7h的小行星进行采样。

隼鸟－2的撞击装置

隼鸟-2上携带的小型着陆器

小行星1999JU3的基本物理量

之所以把小行星1999JU3定为观测对象，主要原因有三：

1）小行星1999JU是一颗与糸川（S型）完全不同类型的小行星（C型）。

2）满足取样返回条件。其轨道与小行星糸川相似，都在从地球飞往火星的轨道路径中，且其运行轨道倾角小，基本是沿着黄道面运行，可为掌握隼鸟－2的后继星以及正在研制的火星探测器的轨道运行控制技能等积累经验。

3）它不仅可对获取太阳系诞生之际小天体上是否就已存在有机物和水等相关信息，还可对解开形成生命物质之谜提供帮助。

当然，也存在小行星自转轴的转动方向方面的问题。小行星1999JU3自转轴的转动方向应与黄道面相垂直，而实际上其转动方向却可能与黄道面之间有一个相当大的倾角。因此，在对小行星1999JU3进行观测时，除要进一步观测其自转轴的转动方向外，还要确认其自转轴的转动方向与黄道面间倾角的大小，在此基础上再确定在隼鸟－2应用过程中应采取哪些有效对策。

另外，小行星1999JU3的表面反射率相当小，据估算仅为0.070。也就是说，其表面很可能是一片有点发黑的区域（这一区域的反射面小，这也是C型小行星的一个特征）。针对存在的这些问题，除必须研究如何才能正确地计算并确定小行星1999JU3可露出的区域，以及可供拍摄的时间外，还必须配置既有利于进行距离测量，又能满足对激光反射不那么强烈（较弱）的着陆敏感器。迄今所进行的观测和研究分析结果证明，无论从任何一个方位看，小行星1999JU3都是一个近视于球形的小星体，以变光方式对其进行观测也可断定它就是一个球形的小天体，不过到2012年底尚未利用激光对小行星1999JU3进行观测。

依据上述信息，不仅可以判定小行星1999JU3是可着陆取样的小天体，而且还断定对其最佳观测、着陆、取样的最佳时段除2015－2016年（2011-2012年发射）外，则是2018－2019年（2014年发射）。既然来不及在2011年前发射，就选择在2014年发射，这样2018年就可飞抵小行星1999JU3，2018年6月－2019年12月前就可执行对小行星1999JU3进行观测，并撞击、着陆、取样，期待不仅能获得重要观测成果，而且能按计划成功地撞击并撞击出希望的火山坑，然后顺利地在上面着陆、取样，并飞离小行星1999JU3，安全返回地面。

配备有鱼眼透镜相机的分离监控摄像敏感器

6 隼鸟－2的探测计划

日本宇宙航空研究开发机构已决定2014年11月30日用H－2A火箭发射隼鸟－2，然后启动微波放电式离子发动机帮助探测器按要求加速运行，并进行轨道调整、变轨后，进入最接近地球的运行轨道；2015年12月，正式开始地球借力飞行；离子发动机在借力飞行后再次启动，经变轨等运行操作，于2018年6月飞抵小行星1999JU3；接着，利用其携带的多光谱可见光摄像敏感器、近红外分光器、中红外摄像敏感器和激光高度计等，开始近距离地对小行星1999JU3进行详细观测。

完成各种基本遥感观测任务后，执行向小行星1999JU3表面投放密涅瓦－2和小型着陆器任务；然后再执行探测器触地（着陆）实验。采用与“隼鸟”基本相同的模式，即在小行星探测器完成降轨飞行后，探测器上配置的采样装置接触小行星1999JU3表面的瞬间弹射出弹子，从弹子撞击小行星表面所溅射出的物质碎片中采集样品（小行星表面的物质），并将其装入样品采集装置内。隼鸟－2离开小行星表面，提升轨道后再将采集样品尽快装入到回收容器内。

“隼鸟”采集的样品量太少，仅约10mg，隼鸟－2要从小行星1999JU3采集100mg以上的物质。宇宙科学研究所的科学家们正认真地研究和慎重地确定对策。此外，还计划进行新的尝试：即利用隼鸟－2上搭载的装有小型炸药盒的撞击装置在小行星1999JU3上制造火山坑—撞击装置在距小行星1999JU3上空几百米处与隼鸟－2分离，装有炸药盒的撞击装置在小行星1999JU3上空爆炸，使撞击装置变成一个质地坚硬、质量为2kg的铜金属球，并以2km/s的速度飞向小行星1999JU3上的目标点，撞击且形成一个直径为数米的火山坑；由探测器上配置的分离监控摄像敏感器实时记录下圆柱形金属球撞击小行星表面的全过程。而隼鸟－2上搭载的多光谱可视摄像敏感器、近红外分光器、中红外摄像敏感器和激光高度计等观测仪器和遥感仪器也同时对形成的火山坑进行观测和记录。在确认安全的前提下，按照所下达的下降指令，命令隼鸟－2下降并接触到新形成的火山坑表面，利用样品采集装置尽快采集火山坑内的物质（小行星内部的物质），并装入样品采集装置内，待隼鸟－2飞离小行星表面抵达安全运行轨道后，立即将所搜集到的样品装入回收容器内。

需要指出的是，从这种刚刚形成的火山坑内采集的裸露物质其变质率很低，几乎等同于从地下采集。而这些裸露的物质如果经太阳放射出的电磁波和放射线等照射，其变质的几率会越来越大，随着时间间隔变长，采集这些样品的意义也就越来越小。

在撞击小行星1999JU3的过程中，不仅利用分离监控摄像敏感器监视/记录撞击的实况、溅起的物质飞散过程，还可通过其记录的真实画面搞清撞击后飞溅物质的飞散模式等，有助于对经撞击后小天体的物理变化以及小行星上物质叠积过程等进行分析和研究。

隼鸟－2在小行星1999JU3附近运行1年半左右，完成观测、着陆、采样、撞击、取样后，于2019年12月飞离小行星1999JU3；再用约1年时间，即2020年末返回地球。返回舱的着陆地点与“隼鸟”相同，仍为澳大利亚海域。密封舱回收后，在保管设施的库房内开封，确认所带回的样品数量，并对其进行分析。

另外，还考虑并研讨了如果返回舱与隼鸟－2分离后，隼鸟－2的留轨舱仍继续在轨运行的问题。若能实现继续在轨运行还可执行哪些飞行任务，宇宙科学研究所的科学家们希望它能够飞往太阳-地球系的拉格朗日点，或接近其他小行星，在这一过程还可执行一系列观测任务。

7 国际合作项目

隼鸟－2是以宇宙科学研究所为主研制的，全面借鉴和继承了“隼鸟”的成功经验，分析其在轨运行期间所出现的故障，并做了若干改进后开发的小行星探测器。参加隼鸟－2计划的外国机构有3家，分别是德国、美国和澳大利亚。其中：

1）德国航空航天中心负责隼鸟－2微重力实验及其发射后的跟踪支持；

利用隼鸟－2Mk进行科学探测的概念图

2）贯彻日美航天开发合作的基本思想，贯穿日美在“隼鸟”开发方面所确定的合作基线，由美国对隼鸟－2的跟踪和轨道确定等方面提供支持；

3）当初开发“隼鸟”时就与澳大利亚签订了“‘隼鸟’返回舱着陆点定为澳大利亚海域”的备忘录，“隼鸟”返回舱回收得到了澳大利亚相关部门的大力协助；隼鸟－2返回舱着陆点仍选在澳大利亚海域，澳大利亚表示愿意予以协助。

8 隼鸟－2的后继星隼鸟－2Mk

日本还决定研制隼鸟－2的后继星—隼鸟－2Mk（暂定名），正研讨其在轨所要执行的飞行任务：隼鸟－2Mk无论是公用平台，还是有效载荷舱的设计，以及所要完成的任务，都与隼鸟－2有很大变化。公用平台设计会更先进：目标是实现结构组合化；电子和机械系统实现集成化，即微机光电（MOEMS）一体化；功能模块软件化；有效载荷舱的设计更加完美，搭载的飞行任务仪器将更加先进，完成飞行任务的水平会更高。从目前提出方案看，基本都集中在要完成对2个乃至2个以上的天体进行观测、着陆、取样并返回地面，部分专家还提出要实现飞抵比C型小行星更原始的小天体—P或D型小行星，乃至更古老的彗星核，并对其进行观测、着陆、取样并返回。还有的科学家提出要在熄火彗星（CAT）天体上着陆、取样。此外，还就选择更先进的采样方法，解决如何采集到尽量多的样品，不仅采集小天体表层，还要从更深处采集样品且确保带回地面后，仍能保持良好的层序性等问题进行了深入地研讨。

要达到上述目标，决定隼鸟－2Mk将放弃“隼鸟”所采用的公用舱。按照上述目标和要求重新设计、研制，它将比隼鸟－2的外形和质量更大；太阳电池翼将加长，以确保向探测器提供足够的电能，完成更多的飞行任务；采样方式也会与“隼鸟”有所不同，如提出了采样器要配备很长的“脚”，实现以钻探方式采集样品，并确保所采集到的样品保持良好的层序性；隼鸟－2Mk还计划向小天体上投放会行走的着陆器，直接完成对小天体的详查乃至取样等任务。

欧洲的科研人员不止一次向日本提出共同完成隼鸟－2Mk开发的议案，日本正在研究其可行性。

日本专家们认为，“隼鸟”和隼鸟－2仅仅是日本深空探测计划的开始，今后将坚持自主开发的理念，坚持在调查和了解太阳系以及生命起源和进化的基础上，继续系统、有计划地开展一系列重要课题的研究；日本作为小行星探测与研究的先驱者，要以对小行星探测所取得的领先世界水平的研究、开发和应用成果为契机，继续推进研究，并在开发与应用等方面作出更大贡献。

计划采用新标准开发的隼鸟－2Mk的公用舱和科学探测仪器一览表

9 结束语

日本早在20世纪80年代中期就提出了小行星探测计划，而且竭尽全力推进器件微小型化。21世纪初就开发出先进的微波放电式离子发动机，研究了寻找非合作目标方法，研制并在“隼鸟”上采用了通过小金属弹丸撞击目标—小行星糸川表面，并溅射起碎片，并且成功回收且带回地面；在即将发射的隼鸟－2上，不仅计划继续用改变了设计形状的弹丸以及采样器采集样品，还辅以用备有炸药的撞击装置，以爆压方式使撞击装置的壳体变为坚硬的金属块，以2000m/s的速度撞击选定的小行星1999JU3表面上的目标点，使之形成火上坑，并从这一火山坑内采集样品；还提出在其后续计划隼鸟－2Mk上用配备很长“脚”的采样器，以钻探方式采集样品，使采集到的样品保持良好的层序性。这一系列活动与计划绝非一时头脑发热，而是从关键技术开发、未来发展与应用需求等多方考虑制定的、有深远的战略意义的活动。尽管受经费影响，错过了隼鸟－2的首个最佳发射时段，如果能够在2014年准时发射并于2020年完成观测、着陆、撞击、取样和返回，仍会使日本在这一领域处于国际领先地位。

日本在开发以微波放电式离子发动机为首的电推进系统，以微波放电式离子发动机作为轨道控制用主发动机，小行星探测器在小行星表面着陆、取样和返回技术，包括借力飞行在内的先进的姿态轨道控制技术，制导、导航与控制技术，自动寻的技术，目标辩识技术，以及对准目标以撞击方式取样等技术，都已赶上或跃居世界先进水平，特别是2次在预选点准确地着陆，且每次都能向小行星糸川表面飞速弹射出质量仅5g的弹丸且准确地击中目标点，完成对溅起的岩石碎片回收，并成功装入回收密封舱内带回地面等成果，在国际上产生重要影响。

各国都关注并表示愿意学习日本的成功经验，特别是面对“隼鸟”在轨运行阶段所出现的各种故障，能够有条不紊地应对，确保“隼鸟”返回舱返回地面的经验；也关注配备改进型弹丸的采样器及其撞击装置的隼鸟－2及其后继探测器隼鸟－2Mk计划的进展。这些研究若取得成功，不仅有重要的工程意义，而且有重要的科学意义，还有不可估量的战略意义。无疑，全世界爱好和平的人们都希望这些技术获得成功，并通过这些技术发展推进航天及其相关领域技术的进步，造福于人类；对搞清太阳系诞生之际小天体上是否就已存在有机物和水，以及解开形成生命物质之谜发挥作用；同时，也关注并希望搞清楚日本开展这些研究的战略目的是什么。