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小行星探测专题(五):“隼鸟”炮打小行星
    日期:2020年03月23日    字体:【】【】【

一、鸟枪换炮

在“隼鸟1号”探测期间,发生了一件乌龙的事情。当2011年着陆器 返回地球之后,日本宇宙与航空开发机构(JAXA)的科研人员打开了返回舱, 却发现里面什么都没有。一时间,人们还以为“隼鸟1号”的任务失败了。但是,当科研人员把返回舱放到显微镜下之后,发生了奇迹,舱壁上分布着1500粒细小的灰尘。它们正是从糸川小行星上采集回来的。

▲“隼鸟2号”天底点方向的设备携带方式,圆圈中心是小型空间冲击器,周围是反光器。漫游器在圆圈外面

这样的惊喜实在是太容易叫人犯心脏病了。因此,在“隼鸟2号”研制期间,日本航天科研人员打算改变采样的方式,把“枪”换成“炮”。

现在我们先来回顾一下“隼鸟1号” 上那支悄悄进村的“枪”。在“隼鸟 1号”探测器的前面,是一根长长的采样管。在采样管里放着两颗子弹,按照当 时的设计,“隼鸟1号”要把采样管的端部顶住糸川号小行星的岩石,然后点燃火药把子弹发射出去。因为糸川号小行星的引力非常微弱,子弹击中岩石之后,会溅起一些碎渣和尘埃。这些淬渣和尘埃不会被重力吸附在小行星上,而是会沿着采样器的管道进入收纳器。

▲“隼鸟2号”的采样器和采样原理

这只是设计而已。“隼鸟1号”采样的事实证明这样打枪确实威力差了一些。因此“隼鸟2号”的采样器就改成使用反坦克火炮的原理。不过它并不是真的带了一门大炮飞进宇宙,而是在探测器本体的贴地面安装了叫做“小型 携带式冲击器”的设备,主要是一个类 似于自锻破片弹原理的炸药漏斗。

自锻破片弹也被称作爆炸成形弹 药,和反坦克火箭筒上常见的破甲弹 形状有点相似,但是漏斗的坡度更小一些。在炸药漏斗的前面贴着一层漏 斗形的紫铜罩子。当炸药爆炸的时候,火药的威力会把这个铜罩子向中间挤压,形成一个尖头的圆柱体。这个圆柱体的飞行速度非常快,几乎能够达到每秒2000米以上。武器设计师们一 般用火炮来发射自锻破片弹,让它飞到坦克集群的上空之后起爆,用高速的尖头圆柱体从上往下攻击坦克的顶部。坦克顶部是比较薄的,很容易被这种圆柱体打出个大窟窿来。因此, 自锻破片弹的应用越来越广泛。

不过,能够想出把自锻破片弹原理用在小行星探测上,也算是日本人的脑洞了。

不过,自锻破片弹是不是真的能用来打小行星呢?JAXA可能也不是非常有把握。因此,在2011年的10月,JAXA在自己的实验厂进行了一次射击实验。他们把自锻破片弹放在一个混凝土掩体当中,在100米外设置了一个边长为4米的白色靶子,中间还竖着6个用白纸糊成的薄板。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,然后继续飞行,在靶子后面的山体上打碎了一大块岩石。

或许有读者会问,100米这个距离是怎么设定出来的呢?在军事领域,用于反坦克的自锻破片弹就是设定在坦克上空100米左右的距离起爆的,是综合考虑炮弹飞行速度、尖头圆柱体形成过程和苏联坦克集群进攻模式等因素计算出来的,严格来说是冷战的产物。没想到JAXA就直接把它拿来用了。

二、先躲起来再开炮

自锻破片弹的铜罩变成尖头圆柱体需要一定的过程,因此不能像“隼 鸟1号”那样顶着小行星开火。而且炮弹的威力比子弹大多了,炸飞的碎石完全可能把“隼鸟2号”自己打坏。因此,必须从一定的距离上开炮才可以。不过离得很远瞄准未必能打中。 而且在宇宙空间发射炮弹并不是在地面上,不但不能用驻锄和底钣之类的 设备来固定自己,空间飞行器脆弱的结构也无法承受炸药的爆炸威力。因此,JAXA的科研人员决定,先把这个 带着自锻破片弹头的“小型携带式冲击器”从“隼鸟2号”本体上分离出去,在它向“龙宫”下降的过程中,“隼鸟2号”本体先向旁边躲闪,然后纵向机动,飞到预定炮击位置的另一侧去。

▲“隼鸟 2 号”准备投掷到龙宫上的反光器

空间冲击器会在“龙宫”上方约 250 米的高度起爆,把一枚弹丸高速射向“龙宫”,同时自己也炸成一团碎片。不过,无论这些碎片还是被弹丸激起的碎石,都会被“龙宫”本身挡住,不会影响到“隼鸟2号”。等碎石和碎片都飞远之后,“隼鸟2号”再回到原先的位置飞行,准备采样。

然而,这样会导致“隼鸟2号”本身看不到炮击过程——视线被“龙宫” 的星体挡住了。这实在是太可惜了,而且也无法及时了解炮击的位置到底在哪里。因此,当“隼鸟2号”飞行到与预定炮击点大致平行的位置时,会先释放一个“可部署相机”。这台圆柱形相机的直径和长度都是78毫米,上面有两个镜头,自带电池和通信天线——日本作为世界上最强大的相机生产者,制造这种无线镜头简直是轻车熟路。它可以从1000米外拍摄炮击过程,第一时间定位弹着点,节省采样过程的时间。

一切安全之后,“隼鸟2号”回到“龙 宫”上方大约20公里的地方,开始下降程序。首先要拍摄弹着点的图像,由 地面人员编制图像匹配程序。然后根据程序确定飞行弹道和修正量,控制“隼鸟2号”逐步向弹着点下降。这个过程中要不断修正,确保精确瞄准。

当距离缩短为100米的时候,“隼鸟2号”进入自动下降模式。

▲可部署相机的构造与工作方式

距离缩短到30米的时候,距离弹着点已经很近了。但“龙宫”并不是一 个很明亮的目标,弹坑更有可能处在暗影之中。JAXA的工作人员又不可能通过遥控的方式来瞄准。隔着那么远的距离,无线电通信有着显著的延迟,根本就对不准。

日本人的解决方案和炮兵一模一 样。既然不容易瞄准,那么就把它变成一个明亮的目标好了。在“小型携带式 冲击器”原先的位置周围装着五枚高强度反光器,在下降采样之前先把这五颗反光器一个一个向弹坑扔去。通过测量 反光器和弹坑的距离,就可以知道当前的下降方向是不是准确。根据计算,只要连续投掷三个反光器就能准确对准弹坑。实际上,隼鸟1号探测器就这样干过,只不过他它带了三枚反光器,没有冗余度。

反光器如果能准确丢在弹坑附近,“隼鸟2号”就可以对准它下降。为了留出弹道修正的时间,也为了防止撞击,下降速度控制在每秒10厘米。距离缩短到40米的时候,地面控制的图像匹配导航就不再发挥作用了。“隼鸟2号” 关闭激光高度计,改用激光测距机。

抵达小行星表面后,“隼鸟2号” 就把采样器头部伸进弹坑,用一个类似于倒刺结构的管子把碎石和渣土采集起来,送到收纳器里,准备运回地球。

这应该是人类历史上第一次对一颗外星球开炮。幸亏龙宫小行星上没有任何生物,否则这或许就引发星际战争了吧。

目前,这一炮还没有打响。预计炮击时间是在2019年年底的某个时刻。

本文原载于《太空探索》2019年第2期,作者为迟惑

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