电光石火、短兵相接，为了拿“宝箱”，隼鸟2号也是拼了
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北京时间2月21日下午12:45，隼鸟2号终于从悬停位置开始下降。尽管已经比预定时间晚了5个小时，但它似乎成竹在胸，稳稳地操纵探测器加速下降。JAXA的隼鸟2号探测器，正在面临它一生中最重大的考验。
隼鸟2号和小行星龙宫的艺术假想图。来源：JAXA[1]
它花了三年半时间，跋涉数十亿公里，来到这颗名叫“龙宫”、直径只有约900米的小行星。它已经出色完成了多项科学考察，顺利投下着陆器和巡视器。
但它的终极目标，还是从小行星这种古老而原始的太阳系遗迹上采集岩石样本，并带着这些记录了太阳系起源和演化历史的“时光胶囊”返回地球。
临门一脚并不是一帆风顺的。尽管事先已经预演了三次，也对着陆区做了充分的考察，但实际准备降落时却发现…怎么没在预定的着陆位置上啊！好在远在3.5亿公里外的科学家团队经验丰富，在短短5个小时里就为隼鸟2号重新规划了降落路线。为了赶上原本计划的着陆时间，隼鸟2号把第一阶段降落速度从40厘米/秒直接提到了90厘米/秒。结果最终，隼鸟2号不仅没有迟到，而且提前了…这完全是出乎意料的。
北京时间2月22日6:07（也就是日本时间7:07），隼鸟2号追平了原本的计划，准时抵达了距离龙宫上空45米的位置。再然后，隼鸟2号只用了22分钟就抵达了8.5米上空，而这段距离原本计划需要58分钟。
6:29，隼鸟2号顺利着陆在龙宫表面的预定着陆区L08-E1，比计划时间提前了36分钟。这一切发生得太突然了，以至于控制室的很多科学家们在确认着陆的那个短暂的瞬间根本就不在工作岗位上（以为还有半个小时才会着陆嘛）。
6:49，控制室突然收到了隼鸟2号传回的确认已经成功着陆的信号，全场陷入沸腾。
确认着陆成功瞬间的控制室。来源：JAXA[2]
当时正在看JAXA直播[3]的全世界的爱好者们直接就懵了，因为直播是日语的，这也没按时间表来，所以完全不知道是突然发生了啥…直到随后的英语翻译解释了，才知道是确实着陆成功了。总之，有惊无险地，隼鸟2号成功着陆在龙宫表面并完成了采样，而且实际着陆点非常精准，和预定着陆区中心只偏离了1米。
隼鸟2号第一次着陆采样点。汉化自：JAXA[4]
精准着陆
一颗距离地球3.5亿公里外的探测器，在一颗直径约900米的小行星上，着陆位置精度达到了1米，可以说是航天版的“百步穿杨”了…怎么能做到这么准的？除了精准的测控技术，反复的模拟演练之外，不得不提的还有隼鸟2号根据龙宫的实际情况精心规划的着陆方案。
不管是隼鸟2号还是当年的隼鸟号，在着陆采样之前都会先投下一个标记球（TM），标记球可以反射光，这样隼鸟号就可以通过对标记球打光来辅助自己定位，也就是说这个标记球相当于是一个小型灯塔。隼鸟号携带了3个标记球，而隼鸟2号一共带了5个标记球。
隼鸟2号携带的5个标记球。2018年10月24日-26日期间的第三次采样演习里投下了B号球。汉化自：JAXA[5]
但隼鸟号和隼鸟2号在实际采样时有一个很大的区别，那就是隼鸟号是投下标记球即刻降落采样，而隼鸟2号则是在几个月前的第三次采样演习（TD1-R3）时就投下了第一个标记球B号球，而计划的着陆区L08-E1距离标记球也不远，所以为了避免投下两个标记球造成干扰，隼鸟2号决定直接用这个标记球来“照路”。
龙宫上已投下的标记球TM位置和预定着陆区L08-E1位置，着陆区范围是一个直径6米的圆形区域。来源：JAXA[6]
因此，隼鸟2号采用了精确着陆采样方式（pinpoint touchdown），这是与隼鸟号完全不同的着陆方案。
隼鸟号和隼鸟2号的着陆方案区别。汉化自：JAXA[7]
另一方面，由于小行星龙宫表面崎岖不平，为了保障着陆安全，不让探测器被地上的石块磕坏，隼鸟2号选择依照实际地形起伏，倾斜降落采样。
隼鸟2号选择的着陆姿态。汉化自：JAXA[7]
短兵相接
北京时间2月22日6:29，隼鸟2号顺利着陆在龙宫表面的预定着陆区L08-E1。说是“着陆”，其实只是探测器长长的采样杆短暂接触到了龙宫表面。
隼鸟2号的采样杆位置和底部视图。来源：JAXA[1，3]
砰！
一颗质量5克，直径8毫米的钽质子弹以300米/秒的速度从采样杆中飞出，射向龙宫表面。
（左）隼鸟2号采样杆内部结构和子弹发射装置，（右）2015年于JAXA相模原分部进行的模拟撞击试验装置，注意子弹是倾斜打出的。来源：JAXA[8]
弹筒和子弹长这样
隼鸟2号的子弹发射装置和子弹。来源：JAXA[9]
这电光火石的一刹那，龙宫表面发生了什么？我们可以通过项目组的2018年12月地面撞击试验拍摄的视频想象一下。
正常速度版
2018年12月28日，隼鸟2号项目组在东京大学TeNQ实验室进行的撞击试验。来源：JAXA[10]
慢速+放大版
2018年12月28日，隼鸟2号项目组在东京大学TeNQ实验室进行的撞击试验。每秒420帧，14倍速慢放，局部放大版。来源：JAXA[10]
其实，这种模拟撞击龙宫表面的实验，项目组之前早就做过。但那些都是在隼鸟2号尚未抵达龙宫，人们对龙宫表面还一无所知的时候，因此那些实验都是在假设龙宫表面有细小颗粒的沙土覆盖的情况下进行的。
然而，去年9-10月间投下巡视器MINERVA-II1和着陆器MASCOT之后（详情参见：进击的隼鸟2号），仨先头兵登上龙宫一拍，发现…龙宫表面是真的没啥平整的地方…都是石块，哪有啥小颗粒的沙土啊…也就是说…之前的模拟实验并不能体现子弹撞击龙宫表面的实际情况…
2018年9月23日，巡视器MINERVA-II-1B在着陆阶段和着陆后不久拍摄的照片，即使在这么近的情况下看，龙宫表面也都是遍布石块的。来源：JAXA[11]
这…这么多石头，子弹还能给力么？得…还得再做一次实验才能放心…于是就有了2018年12月的这次高度仿真的模拟龙宫撞击试验。
为了尽可能真实地模拟子弹撞击龙宫表面的样子，这次地面实验采样了和隼鸟2号实际携带的子弹相同批次出厂的完全一样的子弹，还根据释放着陆器和巡视器了解的龙宫表面最新的地质情况，用与龙宫表面石块成分、大小、强度最接近的模拟石块来作为接受撞击的表面。
2018年12月28日，隼鸟2号项目组在东京大学TeNQ实验室进行的撞击试验设备和材料，其中模拟龙宫表面材料的石块，是参考地球上能观察到的和龙宫上的物质最像的碳质球粒陨石制备的，而大小、形态和强度则参考了释放着陆器和巡视器了解的龙宫表面最新的地质情况。来源：JAXA[10]
模拟打子弹的结果嘛，就是上面两个视频了。而实际射出子弹的样子，地球上的我们是无法直接看到了。不过幸运的是，隼鸟2号携带了一个专门用来跟踪采样杆的小型监视相机CAM-H，这个相机全程从采样杆顶端的（上帝）视角记录下了这场短兵相接。
影像开始于最后降落阶段（final descent）的59秒之前，总拍摄时间5分40秒，包括降落、接触采样和上升三个阶段。视频是5倍速快放。来源：JAXA[12]
如果还觉得不够刺激的话，这里还有个精华版
降落、接触采样和上升三个阶段。来源：JAXA[13]
这场电光火石的短兵相接，其实仅仅持续了1秒钟。
也就是说，隼鸟2号在6点29分10秒接触龙宫表面之后，就瞬间完成了打枪和采样，随即自主上升，离开龙宫表面。6点30分，正在上升的隼鸟2号拍下了这场“暴行”留下的痕迹，也宣告了这场“劫掠”的圆满成功。
2019年2月22日7:30（日本时间），隼鸟2号的光学导航相机ONC-W1在距离龙宫表面约25米处拍下了龙宫表面的样子。来源：JAXA、东大等[14]
多普勒助力
在下降着陆的最后阶段，由于需要调整探测器的姿态倾斜采样，那么原本的高增益天线就不能指向地球方向了，所以在这几十分钟时间里，隼鸟2号只能借助低增益天线传回的多普勒频移信号来了解隼鸟2号的动态。
隼鸟2号着陆采样流程和时间。来源：JAXA[3]
实践证明，多普勒频移数据是深空探测中可靠的好帮手，它可以帮助我们精准探知探测器相对于龙宫的速度变化，我们也就可以推测隼鸟2号每个阶段的是否按照计划顺利进行了。
隼鸟2号降落采样期间的多普勒频移数据，注意标注时间是日本时间。来源：JAXA[3]
事实上，最早确认隼鸟2号顺利完成着陆并开始上升的信息，也是多普勒信号告诉我们的。
来源：twitter@haya2e_jaxa[15]
乙姬公主的宝箱
说到底，隼鸟2号到底是如何通过发射子弹来收集龙宫样本的？这简直是艺术品一样的精巧设计！采样杆内部的整体设计继承于隼鸟号，也是通过子弹撞出的碎屑弹射进顶部的样本收集装置来获得样本。这也解释了为什么会使用钽质子弹——这样即使子弹的物质混入龙宫的碎屑，也能轻易分辨开来，不让样本受到不可控的污染。
汉化自：JAXA[6]
但采样杆内部很多细节方面都做了改进，例如样本收集装置的密闭性变得更好，就可以把挥发性气体和惰性气体都原封不动地带回地球了[17]。
还有一个重要的改进之处，是隼鸟2号的采样杆底部被设计成回褶状，这样那些1-5毫米大小、没有被弹进顶端收集装置的“漏网之鱼”，也可以先一网“兜住”，等上升中的探测器突然减速的时候，这些样本就有机会因为惯性再次被送入收集器里去，绝不放过一点点珍贵的样品。
采样杆底部设计。汉化自：JAXA[6]
等等，隼鸟2号一共计划采样三次，怎么只有一个样本收集器呢？那三次的样本不就混了么？完全不会！因为样品收纳器里面也大有玄机。
隼鸟2号的收纳器内部被分成了3部分（隼鸟号是分成2部分）。
第一次采样的样本会被直接送到A室，收集完毕之后，转动回转筒，关闭A室。
第二次采样的样本直接被送入B室，收集完毕之后照样关闭B室。
第三次采样的样本被送入C室。
安排得明明白白的。
样本收纳装置内部结构和样品收纳方法。来源：JAXA[6]
我们提过好多次，隼鸟2号的探测目标——小行星“龙宫”这个名字来源于日本民间故事《浦岛太郎》（うらしまたろう）（详情参见：童话之乡——小行星“龙宫”上的名字）。故事里的浦岛太郎被海龟带往海底龙宫，在龙宫受到了公主乙姬的热情款待，回到人间的时候带回了一个宝箱（日语“玉手箱”）——寓意隼鸟2号也能从小行星带回珍贵的信息。
而首次采样成功的隼鸟2号项目组，也把这次着陆采样区命名为“玉手箱采样区”（Tamatebako），宣告隼鸟2号已经顺利从乙姬公主手中收下了珍贵的宝箱。
新版龙宫地图，右侧赤道处是玉手箱采样区。来源：JAXA[16]
What's next?
隼鸟2号原本的计划是进行3次采样，并在3次采样之前投下一枚重达14公斤、内有炸药的撞击器，通过炸药爆破在龙宫上产生一个巨大的撞击坑，采集龙宫地表以下的深层物质。
然而，一方面由于龙宫表面并没有原本预料的那么平坦安全，采个样真挺费劲的；另一方面第一次采样已经圆满成功，底气也有了。
所以隼鸟2号决定在4月4-6日期间先投下撞击器；如果撞击器投下顺利的话，将在5月以后进行人工撞击坑附近的第二次采样；7月以后释放最后一个巡视器MINERVA-II2；第三次着陆采样很可能就取消了…
最终，隼鸟2号将于今年11-12月动身离开龙宫，并于2020年末带着乙姬公主的“宝箱”返回地球。
参考文献：
[1] 「はやぶさ２」のイラスト改訂
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190328_illustration/
[2] TPS | Hayabusa2 has touched down on Ryugu!
http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/hayabusa2-touches-down.html
[3] 隼鸟2号第一次着陆采样直播
（日语）https://www.youtube.com/watch?v=WmPQmVVtE5A
（英语）https://www.youtube.com/watch?v=qeMwAdquDYM
[4]http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190305_ver9.pdf
[5]JAXA | TD1-R3運用スケジュール
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20181024_TD1-R3_Schedule/
[6]タッチダウン地点
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190220_TDPoint/
[7]http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190206_ver8.pdf
[8] はやぶさ2による小惑星レゴリス試料採取を模擬した衝突実験
http://planetary.jp/future_sse/post-hayabusa2/post-hayabusa2_file/regolith-sampling_2015-3-247.html
[9] 合運用／虎視眈々と準備を ─ サンプラ
http://www.isas.jaxa.jp/feature/hayabusa2/haya2_08.html
[10] リュウグウに弾丸を撃ち込め！
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190214_Experiment/
[11] MINERVA-II1が撮影した画像、第2弾！
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20180927_MNRV/
[12] 「はやぶさ２」搭載小型モニタカメラ撮影映像 / Hayabusa2 Touch down movie
https://www.youtube.com/watch?v=-3hO58HFa1M
[13] TPS | Watch Hayabusa2's incredible touchdown on asteroid Ryugu
http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/hayabusa2-touchdown-video.html
[14] JAXA | タッチダウン直後の画像
http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190225_TD1_W1image/
[15] https://twitter.com/haya2e_jaxa/status/1098716880490115072
[16] TPS | Hayabusa2 Scores a Bulls-eye on Touchdown, More Explodey Fun on the Horizon
http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/hayabusa2-touchdown-recap.html
[17] http://global.jaxa.jp/projects/sat/hayabusa2/pdf/sat33_fs_23_en.pdf
出品：科普中国
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监制：中国科学院计算机网络信息中心
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