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小行星探测专题(六):“隼鸟 2 号”上连蹦带跳的漫游器
    日期:2020年03月24日    字体:【】【】【

在我们的印象里,外星漫游车应当是那种装着6个轮子和升降式光电塔,在外星球布满了岩石的粗糙表面上缓缓行进的小车子。但是隼鸟2号探测器所携带的漫游器却是蹦着走的。这是不是有点搞笑?

然而这是技术上正确的选择。龙宫小行星的质量比月球还要小很多。物体在这里不会得到足够的引力,任何轮子都不能保证牢固抓地。而引力小能带来另外一个好处,弹跳力很小的设备就能蹦得很远,所以,还不如用蹦跳机构来实现漫游器的运动。

一、蹦跳的弥涅尔瓦

早在“隼鸟1号”计划期间,就携带了一个小型的蹦跳漫游器前往糸川小行星。这个漫游器名叫“微纳实验型小行星机器人”,英文简写作MINERVA,正好是希腊神话里智慧女神弥涅尔瓦的名字。不过这台机器人扔下去就失联了,只传回了一张“隼鸟1号”太阳能电池的照片就杳无音信。

▲MINERVA-II-1的运动方式

日本宇宙与航空开发机构(JAXA) 的科研人员检查有关数据之后,发现这只是设计制造不完善的结果,总体方案还是行得通的。因此在“隼鸟2号”上,JAXA一口气装了3台第二代“微纳实验型小行星机器人”(MINERVA-II),分别是两台日本空间科学研究所与日本会津大学联合研制的MINERVA-II-1,一台日本东北大学、东京电机大学、大阪大学、山形大学和东京理科大学联合研制的MINERVA-II-2。这就是我们在前文中提到的圆柱形漫游器。

2018年9月22日,MINERVAII1的两台探测器从60米高度——“龙宫”引力很小,不会摔坏——被扔到了这颗小行星表面。在下降过程中,MINERVA-II-1上的相机发回了好几张充满动感的照片。降落到“龙宫”表面之后,MINERVA-II-1会启动一种叫做“扭矩器”的设备。“扭矩器”实际上是一个转动惯量比较大的电机。根据角动量守恒的原理,当物体内部的某个部分产生了角动量,其他部分就会产生相反的角动量。在这部分角动量的驱动下,MINERVA-II-1的底板会对星球表面产生反作用力,把自己弹起来。底板是一个能低速旋转的圆盘,“扭矩器”就装在上面。通过调整圆盘的角度,就可以让MINERVA-II-1向不同的方向蹦跳,然后自由落体降落在另一个位置。通过调节“扭矩器”的磁场强度,可以改变弹跳的速度,最大可以达到每秒9厘米。但是绝不能超过“龙宫”的逃逸速度,否则MINERVA-II-1就会跳进宇宙里回不来了。这种蹦跳方式很难精确控制,但是考虑到“龙宫”是一颗陌生的星球,处处是未知,落到哪里都可以获得科学成果,不精确也是可以接受的。

▲MINERVA-II-1漫游器特写

两只MINERVA-II-1漫游器及其容器总质量为3.3千克,容器尺寸22.5厘米×22.5厘米×20.5厘米。单个MINERVA-II-1漫游器质量为1.1千克,直径18厘米,高7厘米。每个漫游器上携带了一台广角相机、一台立体相机、一台温度传感器和光电二极管,以及相应的姿态敏感器件。

MINERVA-II-2的体积要比MINERVA-II-1大一些,达到15厘米×16厘米,质量却只有1千克。它在宇宙飞行期间同样收纳在一个容器里,容器尺寸为17.5厘米×17.5厘米 ×20.5厘米。它所携带的仪器类型和MINERVA-II-1基本相同。

3台MINERVA-II漫游器的侧面和顶面都贴有太阳电池,最大功率只有2瓦。它们的内部还装有蓄电池,但只能工作几分钟。如果只是给计算机和传感器供电,太阳电池的功率还是够用的,但在实施跳跃或者向母星发射信号的时候,就必须要动用电池里的电力。

二、只抡一次的MASCOT

除此之外,“隼鸟2号”上还有一台法国航天局和德国宇航中心联合研制的“移动式小行星表面探测器”(MASCOT)。

MASCOT的运动方式脑洞更大。它是一个四四方方的盒子,尺寸30厘米×30厘米×20厘米,质量11千克。在它的内部,装着可见光相机、红外波谱仪、磁力计和近红外高光谱显微镜。这四件科学仪器加起来的质量只有3千克,其他8千克中,除了结构框架,就是运动机构了。2018年10月2日,MASCOT从“隼鸟2号”上沿着一个倾斜的坡道滑出,掉落在“龙宫”上。MASCOT启动各个方向上的敏感器,首先判明自己的姿态,然后开始翻跟头。在它的内部,装着一个能转动的摆锤。当它转动起来,就会把自己“抡”出去。

▲移动式小行星表面探测器的内部结构,绿色的就是摆锤

然而MASCOT并不打算在“龙宫”表面来回打滚,它没有太阳能电池,只能靠自己携带的电池工作,而且设计续航时间长达12个小时,所以没有多少电力可以用来运动。它只“抡”自己一次,只要恢复到设计的姿态,让所携带的科学仪器能正常工作,就再也不动了。为了一次就抡到位,摆锤装在了尽量远离总体重心的位置,这样就能用尽量少的能量实现有效翻滚。

目前这四台仪器都已经在“龙宫”表面正常工作,为我们发回了相当多有价值的信息。

眼下,“隼鸟2号”还在绕着“龙宫”飞行拍摄,炮打小行星的历史性一刻还没有到来。这也可以算是2019年航天领域一件值得期待的事情了。

本文原载于《太空探索》2019年第2期,作者为迟惑

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