3亿公里外，60厘米精度！隼鸟2号第二次龙宫采样全记录

北京时间2019年7月10日上午9:46，JAXA的隼鸟2号探测器再次从20公里高的伴飞位置开始下降，这样的操作，在过去的一年里它已经执行了数十次。

但这一次，依然是不容闪失的重大考验。

隼鸟2号：龙宫你好，不好意思我又来了▼

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米的近地小行星。

它已经出色完成了多项科学考察，顺利投下了2枚巡视器和1枚着陆器。

隼鸟2号携带的巡视器MINERVA-II1（左）和着陆器MASCOT（右）。来源：JAXA [2]

它已经顺利完成了一次着陆采样，成功采集到了小行星“龙宫”表面的物质样品（详见：电光火石，短兵相接！隼鸟2号第一次龙宫采样全记录）。

第一次着陆采样▼

降落、接触采样和上升三个阶段在几秒钟里完成，电光火石，干脆利落。来源：JAXA [3]

激烈采样后留下的“罪证”▼

2019年2月22日6:30（北京时间），隼鸟2号的光学导航相机ONC-W1在距离龙宫表面约25米处拍下了第一次着陆采样后龙宫表面的样子。来源：JAXA、东大等 [4]

但这还不够。隼鸟2号还有更大的野心。

虽说小行星是古老而原始的太阳系物质遗迹，但小行星表面的物质大多经历了漫长的空间风化和改造，很可能已经不能体现它原本形成时的物质成分了。

也就是说，想要知道原始的太阳系物质成分，需要剥开小行星的表面，采集到内部的物质才行。

为此，隼鸟2号采用了采用了更为暴力和冒险的方式：向龙宫表面投下一枚“炸弹”——重达14公斤的撞击器（Small Carry-on Impactor，简称SCI）▼

隼鸟2号投下撞击器&采样示意。来源：JAXA [5]

直接在龙宫表面炸出了一个直径十多米的人造撞击坑▼

值得注意的是新撞出的撞击坑内部呈暗黑色，表明挖出的新鲜物质似乎比表面物质颜色更暗。来源：JAXA、东大等 [6]

用这么危险的方法，折腾了这么大一圈，终极目的还是为了——帮助隼鸟2号在第二次着陆采样时能够采集到龙宫内部炸出的新鲜物质。

而现在，隼鸟2号终于迎来第二次着陆采样！

 哪里着陆？

通过着陆前的三次下降观测（详见：隼鸟2号：准备着，为第二次着陆采样），隼鸟2号项目组最终决定把第二次着陆点安排在人造撞击坑附近的C01-Cb区域内▼

第一次着陆采样点TD1和第二次着陆采样点TD2的位置。来源：JAXA、东大等 [7]

C01-Cb区域一带的高清地貌▼

PPTD-TM1（左）和PPTD-TM1B（右）两次下降观测获取的着陆区一带高清照片。左图TM是标记球落下的位置，右图H是推算出的高程起伏最大的值（也就是着陆比较危险的区域），三途岩、小三途岩等石块的名字是临时取的昵称，并不是正式名字。来源：JAXA、东大等 [8]

着陆过程中所需的“指路明灯”——标记球TM-A，已于5月底精准投放在了预定着陆区附近▼

2019年6月13日，从日本时间10:58（左上）-11:01（右下），以7秒间隔拍摄的28张照片拼接而成的备选着陆区地貌。拍摄高度在约52米到108米。来源：JAXA、千叶工大等 [8]

着陆区一带的三维地形DEM▼

由着陆前的三次下降观测数据绘制。来源：JAXA [7]

 第一次vs 第二次采样：新的困境和挑战

尽管有了第一次的经验，第二次着陆采样依然是如履薄冰：隼鸟2号必须精准着陆在相对平坦的预定着陆区里才是安全的。一旦有了偏离，就可能会撞上附近高出的石块，甚至撞坏太阳能板，撞伤隼鸟2号。

也就是说，最坏的情况，隼鸟2号不仅无法完成第二次采样，甚至可能身负重伤，无法返航，让第一次的成功也付诸东流。

这是一场机遇与挑战并存的战役。

更麻烦的是，随着时间的流逝和第一次着陆采样的“暴力摧残”，隼鸟2号已经不再像一开始那么健康了——第一次着陆采样飞溅的尘沙对探测器的感光造成了一定的损害，无论是光学导航相机ONC，还是激光测高LRF的光学系统，都不那么灵敏了（仪器介绍参见：JAXA隼鸟2号科学仪器全解读）。

因此，隼鸟2号项目组针对探测器当下的状态，对第二次着陆采样方案做出了相应的调整。

1）由于广角光学导航相机ONC-W1受到了一定遮挡，捕捉和追踪标记球的能力有所减弱，因此隼鸟2号改为降到更低的高度上再捕捉和跟踪标记球TM（从第一次距龙宫表面45米变为这次的30米高度处），但相应的，对地基控制点导航GCP-NAV（Ground Control Point Navigation，指通过观测龙宫表面的特征点来确定探测器位置和速度的方法）的精度要求就提高了。

2）ONC-W1相机受到的遮挡又进一步影响了向标记球TM打光的能力，于是标记球的反光亮度也随着减弱，因此需要调整ONC-W1影像的图像处理算法，使之能够识别出较暗的标记球。但这样又会让探测器很有可能把其他龙宫表面上的亮点误认为是反光的标记球，因此还需要调整探测器识别标记球的时间阈值等参数，确保不误判。

3）LRF的光学系统受到的遮挡导致LRF也必须等探测器降到更低的高度时才能准确完成测距，实际第二次着陆采样是从17米高度处才开始LRF测距的（第一次是28米高度处）。

4）即使降低了测距高度，LRF的实际距离测量误差依然不可避免地变大了，好在这种测距误差是可预测的，通过软件修正即可，所以最终测距结果的准确性还是得到了保证的。

总之，所有可能的问题都已经预想到，准备过了。

结果反而，第二次比第一次还要顺利。

 进击，再次得手

比第一次着陆采样幸运，隼鸟2号的第二次着陆采样没出什么幺蛾子。自主下降、悬停、追踪标记球、调整姿态、触地着陆。行云流水一气呵成▼

改编自：JAXA [9]

从距龙宫表面8.5米高度到触地着陆的过程中，隼鸟2号的飞行状态变化（16倍速）▼

绿圈是打算着陆的C01-Cb区域，蓝色范围是ONC-W1相机的视野范围。注意位置调整和高度调整之后，隼鸟2号悬停了很长一段时间都没有动（不是视频坏了），最后几秒钟才自由落体下降的。来源：JAXA [10]

在距离龙宫8米高度处，隼鸟2号还以超近距离拍摄了龙宫表面高清全景照片▼

（左）2019年7月11日09:04:57（机上、北京时间）ONC-W1相机拍摄；（右）2019年7月11日09:04:58（机上、北京时间）ONC-W2相机拍摄。来源：JAXA、千叶工大等 [9]

标记球、人造撞击坑和接下来的采样杆触地点，都以一种极难得的视角展现在我们面前▼

来源：JAXA、千叶工大等 [9]

此刻的探测器正在专注于追踪标记球，在这个特殊的角度下，W1相机正面拍摄了着陆区，W2相机则向斜侧方拍摄了人造撞击坑▼

来源：千叶大学 [9]

几分钟后，借助LRF-S2观测到的由采样杆变形导致的探测器高度变化▼

LRF通过发射和接收反射激光来判断探测器的位置和速度。图为LRF-S2激光发射方向、CAM-H相机的位置和CAM-H在第二次接触采样过程中拍摄到的激光光束（红圈内）。来源：JAXA [9]

北京时间2019年7月11日上午9:06:18，隼鸟2号确认自己底部长长的采样杆成功触碰到龙宫表面▼

隼鸟2号的采样杆位置和底部视图。来源：JAXA

旋即，一枚钽质子弹以300米/秒的速度从采样杆中飞出，射向龙宫表面▼

采样杆结构和钽质子弹实物（质量5克，直径8毫米）照片，本次射出的是第三枚子弹。来源：JAXA [11]

一时间，银瓶乍破，碎石漫天，隼鸟2号与小行星龙宫再次完成了一场电光火石的“邂逅”，然后迅速上升▼

2019年7月11日9:03:54-9:11:44（机上，北京时间），隼鸟2号CAM-H相机拍摄的降落、采样、上升过程（10倍速）。初始高度8.5米，最后高度150米。来源：JAXA [12]

LRF-S2测高数据显示了着陆采样（touchdown）之前和之后的探测器高度变化，整个着陆采样过程，也就几秒钟的事儿▼

时间是日本时间。来源：JAXA [9]

子弹撞出的碎屑被弹射入采样杆中，经过多次反射进入样本收纳器▼

汉化自：JAXA [13]

样本收纳器中，为收集第二次采集的样本而刚敞开不久的C室顺利收入最后一波样本，于北京时间7月11日13:10关上了▼

隼鸟2号最初计划完成三次采样，因此采样器中分出了三个空间以免不同批次的样本混合。A室在收集了第一次着陆（2月22日）采集的样品后关闭，此后，投下撞击器SCI和多次升降操作可能溅起的龙宫物质进入了B室，第二次着陆采样前的6月24日，B室关闭。第二次采集的样品被送入C室。来源：来源：JAXA [13]

采样结束不久，上升中的隼鸟2号就用ONC-W1相机拍摄下了刚被“打过子弹”后龙宫表面的样子▼

2019年7月11日9:06:32（机上、北京时间），ONC-W1相机拍摄，可见漫天碎石。来源：JAXA、东大等[14]

2019年7月11日9:08:52（机上、北京时间），ONC-W1相机拍摄，高度约50米，可见子弹打出的新鲜物质比周围更暗。来源：JAXA、东大等 [14]

7月12日，隼鸟2号带着从龙宫次表层地下采集的物质，安全回到距离龙宫表面20公里高处的伴飞位置，第二次着陆采样圆满成功。

JAXA控制室里再次传来成功的欢呼声。来源：JAXA [15]

 3亿公里外，60厘米精度！

不仅着陆过程比第一次顺利，隼鸟2号的第二次着陆也比第一次还要精准。

实际着陆点和计划着陆区中心只差了60厘米！（第一次是差了1米）

（左）着陆点（蓝点）和计划着陆区C01-Cb的中心（绿点）的位置；（右）采样杆接触点的位置（黄圈）。来源：JAXA [9]

这当然和方方面面的因素有关：标记球扔得更准、更精确的小行星重力场模型、更充足的准备工作…

甚至不仅仅是从今年2月第一次着陆采样中获取的经验——早在14年前的2005年，隼鸟初号机的种种挫折和挣扎，都一并成为了今天成功的基石。（详见：不死鸟传奇——“隼鸟”家族的小行星之旅（上））

在航天探索的路上，没有谁的成功是轻而易举的，每一份成功背后，都是数年的积累甚至失败。

对第二次着陆采样点，隼鸟2号项目组也想好了名字。前面说过，隼鸟2号项目组为龙宫上大大小小的特征地貌取名字这事儿可以说是灰常认真且浪漫，倾注了诸多小心思和美好愿望，结果就是：这群技术宅们生生把小行星龙宫变成了一个童话之乡——所有地名都是以童话故事和民间故事中的名字来命名的（详见：童话之乡——小行星“龙宫”上的名字）。

于是在这颗小行星上，有了灰姑娘坑、乙姬石块、金太郎坑、桃太郎坑等有趣的地名。

而第一次着陆采样点，则毫无悬念地被命名为“玉手箱采样点”（たまてばこ，Tamatebako），这是隼鸟2号的原型——童话故事里的浦岛太郎从乙姬公主手中收下的，来自龙宫的珍贵宝箱的名字。

第一次着陆采样点TD1和第二次着陆采样点TD2的位置。来源：JAXA [7]

至于这第二次着陆采样点嘛，则被命名为“万宝槌采样点”（うちでのこづち、打ち出の小槌，Uchide-no-kozuchi）。万宝槌是日本民间故事里经常出现的一种宝物，传说一边口念想得到的东西/想实现的愿望一边摇动宝锤，可心想事成。（据说也是游戏里的一种魔法手牌？）

万宝槌图。来源：维基/メトロポリタン美術館 /岳亭春信

 结语

总之至此，隼鸟2号两发两中，成功收入了小行星龙宫表面和次表层地下的物质样本。这些记录了太阳系起源和演化历史的“时光胶囊”，将很快被打包好，送回地球进行深入研究和分析。

不过在此之前，它还有最后一个小任务要完成呢。

这就是我们下集的故事了。

我们下期再见！

 拓展阅读

关于作者

灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究，本公众号主页君。更多精彩，欢迎关注公众号~

知乎、微博、果壳：@haibaraemily

 参考

[1] 「はやぶさ２」のイラスト改訂

http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190328_illustration/

[2] 近日参上「はやぶさ２」第7回  小型探査ローバMINERVA-II1、いよいよ小惑星へ着陸／リュウグウを表面で探査する─小型着陸機MASCOT

http://www.isas.jaxa.jp/feature/hayabusa2/haya2_07.html

[3] TPS | Watch Hayabusa2's incredible touchdown on asteroid Ryugu 

http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/hayabusa2-touchdown-video.html

[4] JAXA | タッチダウン直後の画像

http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190225_TD1_W1image/

[5] JAXA | 「はやぶさ2」タッチダウン想像図CG/"Hayabusa2" CG Animation

https://www.youtube.com/watch?v=OR-vN1xyfF0

[6] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190509_ver6.pdf

[7] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190709_ver8.pdf

[8] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190625_ver6.pdf

[9] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190725_ver9.pdf

[10] 第2回タッチダウン運用 http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190710_PPTD/

[11] 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

[12] 第2回タッチダウンの画像公開 http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190726_TD2_images/

[13] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190206_ver8.pdf

[14] 第2回タッチダウン画像速報http://www.hayabusa2.jaxa.jp/topics/20190711_PPTD_ImageBulletin/

[15] 【録画】小惑星探査機「はやぶさ２」の小惑星リュウグウへの第2回タッチダウン運用（19/7/11）ライブ配信

https://www.youtube.com/watch?v=ZBkPZoS1S5g&t=2232s

「はやぶさ２」第2回タッチダウン運用　管制室前ライブ配信

https://www.youtube.com/watch?v=QazGb1pIHMA

[Mission Control Live] "Hayabusa2" 2nd Touchdown Operation（PPTD）

https://www.youtube.com/watch?v=hnJX9obXzPU&feature=youtu.be

[16] 「はやぶさ２」第1回タッチダウン記録映像（2019/2/21-22）

https://www.youtube.com/watch?v=AVcBKR8cgSg

「はやぶさ２」第2回タッチダウン 記録映像（2019/7/11）

https://www.youtube.com/watch?v=I2gHbj50kto