出品：科普中國
制作：haibaraemily
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
后發(fā)先至
北京時間2月21日下午12:45，隼鳥2號終于從懸停位置開始下降。盡管已經(jīng)比預定時間晚了5個小時，但它似乎成竹在胸，只是穩(wěn)穩(wěn)地操縱探測器加速下降。JAXA的隼鳥2號探測器，正在面臨它一生中最重大的考驗。
隼鳥2號和小行星龍宮的藝術假想圖。來源：JAXA[1]
它花了三年半時間，跋涉數(shù)十億公里，來到這顆名叫“龍宮”、直徑只有約900米的小行星。它已經(jīng)出色完成了多項科學考察，順利投下著陸器和巡視器。
但它的終極目標，還是從小行星這種古老而原始的太陽系遺跡上采集巖石樣本，并帶著這些記錄了太陽系起源和演化歷史的“時光膠囊”返回地球。
臨門一腳并不是一帆風順的。盡管事先已經(jīng)預演了三次，也對著陸區(qū)做了充分的考察，但實際準備降落時卻發(fā)現(xiàn)…怎么沒在預定的著陸位置上啊！好在遠在3.5億公里外的科學家團隊經(jīng)驗豐富，在短短5個小時里就為隼鳥2號重新規(guī)劃了降落路線。為了趕上原本計劃的著陸時間，隼鳥2號把第一階段降落速度從40厘米/秒直接提到了90厘米/秒。結果最終，隼鳥2號不僅沒有遲到，而且提前了…這完全是出乎意料的。
北京時間2月22日6:07（也就是日本時間7:07），隼鳥2號追平了原本的計劃，準時抵達了距離龍宮上空45米的位置。再然后，隼鳥2號只用了22分鐘就抵達了8.5米上空，而這段距離原本的計劃需要58分鐘。
6:29，隼鳥2號順利著陸在龍宮表面的預定著陸區(qū)L08-E1，比計劃時間提前了36分鐘。這一切發(fā)生得太突然了，以至于控制室的很多科學家們在確認著陸的那個短暫的瞬間根本就不在工作崗位上（以為還有半個小時才會著陸嘛）。
6:49，控制室突然收到了隼鳥2號傳回的確認已經(jīng)成功著陸的信號，全場陷入沸騰。
確認著陸成功瞬間的控制室。來源：JAXA[2]
當時正在看JAXA直播[3]的全世界的愛好者們直接就懵了，因為直播是日語的，這也沒按時間表來，所以完全不知道是突然發(fā)生了啥…直到隨后的英語翻譯解釋了，才知道是確實著陸成功了。總之，有驚無險地，隼鳥2號成功著陸在龍宮表面并完成了采樣，而且實際著陸點非常精準，和預定著陸區(qū)中心只偏離了1米。
隼鳥2號第一次著陸采樣點。漢化自：JAXA[4]
精準著陸
一顆距離地球3.5億公里外的探測器，在一顆直徑約900米的小行星上，著陸位置精度達到了1米，可以說是航天版的“百步穿楊”了…怎么能做到這么準的？除了精準的測控技術，反復的模擬演練之外，不得不提的還有隼鳥2號根據(jù)龍宮的實際情況精心規(guī)劃的著陸方案。
不管是隼鳥2號還是當年的隼鳥號，在著陸采樣之前都會先投下一個標記球（TM），標記球可以反射光，這樣隼鳥號就可以通過對標記球打光來輔助自己定位，也就是說這個標記球相當于是一個小型燈塔。隼鳥號攜帶了3個標記球，而隼鳥2號一共帶了5個標記球。
隼鳥2號攜帶的5個標記球。2018年10月24日-26日期間的第三次采樣演習里投下了B號球。漢化自：JAXA[5]
但隼鳥號和隼鳥2號在實際采樣時有一個很大的區(qū)別，那就是隼鳥號是投下標記球即刻降落采樣，而隼鳥2號則是在幾個月前的第三次采樣演習（TD1-R3）時就投下了第一個標記球B號球，而計劃的著陸區(qū)L08-E1距離標記球也不遠，所以為了避免投下兩個標記球造成干擾，隼鳥2號決定直接用這個標記球來“照路”。
龍宮上已投下的標記球TM位置和預定著陸區(qū)L08-E1位置，著陸區(qū)范圍是一個直徑6米的圓形區(qū)域。來源：JAXA[6]
因此，隼鳥2號采用了精確著陸采樣方式（pinpoint touchdown），這是與隼鳥號完全不同的著陸方案。
隼鳥號和隼鳥2號的著陸方案區(qū)別。漢化自：JAXA[7]
另一方面，由于小行星龍宮表面崎嶇不平，為了保障著陸安全，不讓探測器被地上的石塊磕壞，隼鳥2號選擇依照實際地形起伏，傾斜降落采樣。
隼鳥2號選擇的著陸姿態(tài)。漢化自：JAXA[7]
短兵相接
北京時間2月22日6:29，隼鳥2號順利著陸在龍宮表面的預定著陸區(qū)L08-E1。說是“著陸”，其實只是探測器長長的采樣桿短暫接觸到了龍宮表面。
隼鳥2號的采樣桿位置和底部視圖。來源：JAXA[1, 3]
砰！
一顆質量5克，直徑8毫米的鉭質子彈以300米/秒的速度從采樣桿中飛出，射向龍宮表面。
?。ㄗ螅励B2號采樣桿內部結構和子彈發(fā)射裝置，（右）2015年于JAXA相模原分部進行的模擬撞擊試驗裝置，注意子彈是傾斜打出的。來源：JAXA[8]
彈筒和子彈長這樣▼
隼鳥2號的子彈發(fā)射裝置和子彈。來源：JAXA[9]
這電光火石的一剎那，龍宮表面發(fā)生了什么？我們可以通過項目組的2018年12月地面撞擊試驗拍攝的視頻想象一下。
其實，這種模擬撞擊龍宮表面的實驗，項目組之前早就做過。但那些都是在隼鳥2號尚未抵達龍宮，人們對龍宮表面還一無所知的時候，因此那些實驗都是在假設龍宮表面有細小顆粒的沙土覆蓋的情況下進行的。
然而，去年9-10月間投下巡視器MINERVA-II1和著陸器MASCOT之后（詳情參見：進擊的隼鳥2號），仨先頭兵登上龍宮一拍，發(fā)現(xiàn)…龍宮表面是真的沒啥平整的地方…都是石塊，那有啥小顆粒的沙土啊…也就是說…之前的模擬實驗并不能體現(xiàn)子彈撞擊龍宮表面的實際情況…
2018年9月23日，巡視器MINERVA-II-1B在著陸階段和著陸后不久拍攝的照片，即使在這么近的情況下看，龍宮表面也都是遍布石塊的。來源：JAXA[11]
這…這么多石頭，子彈還能給力么？得…還得再做一次實驗才能放心…于是就有了2018年12月的這次高度仿真的模擬龍宮撞擊試驗。
為了盡可能真實地模擬子彈撞擊龍宮表面的樣子，這次地面實驗采樣了和隼鳥2號實際攜帶的子彈相同批次出廠的完全一樣的子彈，還根據(jù)釋放著陸器和巡視器了解的龍宮表面最新的地質情況，用與龍宮表面石塊成分、大小、強度最接近的模擬石塊來作為接受撞擊的表面。
2018年12月28日，隼鳥2號項目組在東京大學TeNQ實驗室進行的撞擊試驗設備和材料，其中模擬龍宮表面材料的石塊，是參考地球上能觀察到的和龍宮上的物質最像的碳質球粒隕石制備的，而大小、形態(tài)和強度則參考了釋放著陸器和巡視器了解的龍宮表面最新的地質情況。來源：JAXA[10]
模擬打子彈的結果嘛，就是上面兩個視頻了。而實際射出子彈的樣子，地球上的我們是無法直接看到了。不過幸運的是，隼鳥2號攜帶了一個專門用來跟蹤采樣桿的小型監(jiān)視相機CAM-H，這個相機全程從采樣桿頂端的（上帝）視角記錄下了這場短兵相接。
如果還覺得不夠刺激的話，這里還有個精華版▼
（動圖）
降落、接觸采樣和上升三個階段。來源：JAXA[13]
這場電光火石的短兵相接，其實僅僅持續(xù)了1秒鐘。
也就是說，隼鳥2號在6點29分10秒接觸龍宮表面之后，就瞬間完成了打槍和采樣，隨即自主上升，離開龍宮表面。6點30分，正在上升的隼鳥2號拍下了這場“暴行”留下的痕跡，也宣告了這場“劫掠”的圓滿成功。
2019年2月22日7:30（日本時間），隼鳥2號的光學導航相機ONC-W1在距離龍宮表面約25米處拍下了龍宮表面的樣子。來源：JAXA、東大等[14]
多普勒助力
在下降著陸的最后階段，由于需要調整探測器的姿態(tài)傾斜采樣，那么原本的高增益天線就不能指向地球方向了，所以在這幾十分鐘時間里，隼鳥2號只能借助低增益天線傳回的多普勒頻移信號來了解隼鳥2號的動態(tài)。
隼鳥2號著陸采樣流程和時間。來源：JAXA[3]
實踐證明，多普勒頻移數(shù)據(jù)是深空探測中可靠的好幫手，它可以幫助我們精準探知探測器相對于龍宮的速度變化，我們也就可以推測隼鳥2號每個階段的是否按照計劃順利進行了。
隼鳥2號降落采樣期間的多普勒頻移數(shù)據(jù)，注意標注時間是日本時間。來源：JAXA[3]
事實上，最早確認隼鳥2號順利完成著陸并開始上升，也是多普勒信號告訴我們的。
乙姬公主的寶箱
說到底，隼鳥2號到底是如何通過發(fā)射子彈來收集龍宮樣本的？這簡直是藝術品一樣的精巧設計！采樣桿內部的整體設計繼承于隼鳥號，也是通過子彈撞出的碎屑彈射進頂部的樣本收集裝置來獲得樣本。這也解釋了為什么會使用鉭質子彈——這樣即使子彈的物質混入龍宮的碎屑，也能輕易分辨開來，不讓樣本受到不可控的污染。
漢化自：JAXA[6]
但采樣桿內部很多細節(jié)方面都做了改進，例如樣本收集裝置的密閉性變得更好，可以把揮發(fā)性氣體和惰性氣體都原封不動地帶回地球了[17]。
還有一個重要的改進之處，是隼鳥2號的采樣桿底部被設計成回褶狀，這樣那些1-5毫米大小、沒有被彈進頂端收集裝置的“漏網(wǎng)之魚”，也可以先一網(wǎng)“兜住”，等上升中的探測器突然減速的時候，這些樣本就有機會因為慣性再次被送入收集器里去，絕不放過一點點珍貴的樣品。
采樣桿底部設計。漢化自：JAXA[6]
等等，隼鳥2號一共計劃采樣三次，怎么只有一個樣本收集器呢？那三次的樣本不就混了么？完全不會！因為樣品收納器里面也大有玄機。
隼鳥2號的收納器內部被分成了3部分（隼鳥號是分成2部分）。
第一次采樣的樣本會被直接送到A室，收集完畢之后，轉動回轉筒，關閉A室。
第二次采樣的樣本直接被送入B室，收集完畢之后照樣關閉B室。
第三次采樣的樣本被送入C室。
安排得明明白白的。
樣本收納裝置內部結構和樣品收納方法。來源：JAXA[6]
我們提過好多次，隼鳥2號的探測目標——小行星“龍宮”這個名字來源于日本民間故事《浦島太郎》（うらしまたろう）（詳情參見：童話之鄉(xiāng)——小行星“龍宮”上的名字）。故事里的浦島太郎被海龜帶往海底龍宮，在龍宮受到了公主乙姬的熱情款待，回到人間的時候帶回了一個寶箱（日語“玉手箱”）——寓意隼鳥2號也能從小行星帶回珍貴的信息。
而首次采樣成功的隼鳥2號項目組，也把這次著陸采樣區(qū)命名為“玉手箱采樣區(qū)”（Tamatebako），宣告隼鳥2號已經(jīng)順利從乙姬公主手中收下了珍貴的寶箱。
新版龍宮地圖，右側赤道處是玉手箱采樣區(qū)。來源：JAXA[16]
What's next?
隼鳥2號原本的計劃是進行3次采樣，并在3次采樣之前投下一枚重達14公斤、內有炸藥的撞擊器，通過炸藥爆破在龍宮上產(chǎn)生一個巨大的撞擊坑，采集龍宮地表以下的深層物質。
然而，一方面由于龍宮表面并沒有原本預料的那么平坦安全，采個樣真挺費勁的；另一方面第一次采樣已經(jīng)圓滿成功，底氣也有了。
所以隼鳥2號決定在4月4-6日期間先投下撞擊器；如果撞擊器投下順利的話，將在5月以后進行人工撞擊坑附近的第二次采樣；7月以后釋放最后一個巡視器MINERVA-II2；第三次著陸采樣很可能就取消了…
最終，隼鳥2號將于今年11-12月動身離開龍宮，并于2020年末帶著乙姬公主的“寶箱”返回地球。
