爱读书 探索 日本能小行星采样,却不能登陆月球?核心技术十七年无法超越中国

日本能小行星采样,却不能登陆月球?核心技术十七年无法超越中国

2020年12月6日凌晨3点,隼鸟二号回收舱降落在澳大利亚南部沙漠地区!2020年的首场采样返回大戏落幕,和中国从月球上采样返回不一样,隼鸟二号是从数亿千米外的龙宫小行星采样返回的!

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为什么近在38万千米外的月球不去,却要跑到数亿千米外小行星采样,日本的技术真的比中国好吗!

小行星采样到底有多难?

日本的在隼鸟二号之前已经执行过一次小行星采样,那次采样目标是“丝川”小行星,历经7年时间,从小行星取回了大约1500粒“丝川”小行星尘埃!尽管只有微颗粒,但总算辛苦没有白费,JAXA还是拿出了不少论文,至少小行星采样过程还是从头到尾练习了一遍!

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隼鸟一号返回

而隼鸟二号其实和一号没什么直接关系,但同样也是小行星采样,这次目标是小行星“龙宫”,由于隼鸟号的经验,这次就顺利多了,无论是离子发动机,还是采样结构等都得到了很大的改善,花了6年时间,终于从“龙宫”小行星采样带回了5.4克样品!

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日本两次都成功,小行星采样很容易吗?

中肯一点评价,小行星采样还是很难的,我们可以从多个角度来简单评价下小行星采样的难度,首先则是从小行星距离和轨道方面来考虑。

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丝川小行星的轨道

丝川小行星是一颗阿波罗型小行星,这种小行星的特点是会穿越地球轨道,它们在未来某个时候有和地球相撞的风险,当然这个未来可能很遥远,研究它们的由来有很多意义,比如这些小行星和地球相撞的可能,对太阳系起源的追溯等等!

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龙宫小行星和丝川小行星同样属于穿越地球轨道的近地阿波罗型小行星,不过和黄道面有比较大的倾角为5.88°(丝川小行星为1.622°)。

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由于这两颗小行星都是近日点穿越地球轨道,远日点大约在1.189AU(龙宫)、1.695AU(丝川小行星),因此发射到这个轨道的探测器需要比较大的能量,并且任务执行期会很长,因为它需要在环绕太阳的过程中变轨并且追上这颗小行星,然后伴飞、探测、研究与着陆取样等,由于公转过程中距离遥远,因此难度确实不小!

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龙宫小行星和隼鸟二号探测器

从测控角度考虑:首先需要全球测控,不过JAXA可以和NASA深空测控网合作,并且对探测器的甚长基线定位也可以利用NASA的射电望远镜,不过日本有自己的甚长基线定位网络,但技术上还是有难度,至少甚长基线干涉几乎还是要过关的!

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从登陆技术考虑:小行星由于质量很小,因此靠近时稍稍做个制动与减速即可,从发动技术来说不需要单独设计独立的减速登陆发动机,也不存在着陆器和上升器的差别,整个探测器靠过去采样然后返回,当然实际没有笔者说的那么容易,由于路途遥远,控制难度还是极高的。

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从采样技术考虑:隼鸟二号的采样分个步骤,首先会发射一枚钽质弹丸,搅动小行星表面物质,这些物质会进入采样杆顶部的采集容器中。整个采样过程只持续一秒左右,类似于蜻蜓点水,采样完成后姿控发动机会立即点火将隼鸟二号推离龙宫小行星。

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从回程技术考虑:隼鸟二号的返回舱也是一第二宇宙速度返回,不过它是弹道返回,这个小脸盆大小的返回舱,很难进行水漂弹道操作,不过能安全返回,也是相当不错的技术。

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日本月球采样的难言之隐:核心技术无法超越

从这些角度看,日本的小行星探测技术起点是相当高的,但看到这里的读者们肯定会有一个疑问,为什么日本放着38.4万千米外的月球不管,跑到数亿千米外的小行星采样,真的是显摆技术吗?

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飞天羽衣号

其实还真不是这样,JAXA有一个难言之隐,我们来简单回顾下日本的探月历程,1990年日本就发射了第一颗月球环绕探测器,这是继苏联和美国之后全球第三个向月球发射探测器的国家!

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此后一直到2007年9月14日发射了月亮女神号月球探测器,比中国嫦娥计划的第一颗环月探测卫星嫦娥一号的10月24日早了一个多月,但此后日本除这两个探测器外再无访问月球的探测器!

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反观中国,在嫦娥一号后,2010年10月1日发射了嫦娥二号、2013年12月2日发射的嫦娥三号在虹湾登陆成功,2014年10月24日嫦娥五号T1飞行器以水漂弹道从月球轨道返回成功在内蒙古成功着陆,2018年12月7日发射的嫦娥四号在月球南极艾肯特盆地冯卡门撞击坑着陆成功,2020年11月23日发射的嫦娥五号在月球风暴洋北部的吕姆克火山附近采样并成功返回地球!

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其实日本曾经是有月球登陆计划的,1991年日本启动“月球-A计划”,目标是在1995年发射探测器,该探测器计划携带两个穿透式着陆器,在着陆过程中将其射出,用于探测月球内部的构造,但有一个技术日本一直无法突破,就是月球表面的着陆技术!

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各位应该记得中国当年突破7500牛顿的可变推力着陆发动机技术的大新闻,这种发动机是在月球登陆的必备技术,最早出现在阿波罗登月计划中,在飞船和探测器接近月面过程中无级调节推力,最终稳稳落月,发动机技术非常关键!

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嫦娥四号可变推力发动机月面着陆示意图

中国在2005年7月,可变推力发动机试车成功,2008年嫦娥计划的7500牛顿可变推力发动机开始研制,到2013年嫦娥三号成功着陆虹湾,此后四号和五号连续成功,经受住了严格的实战考验!中国的可变推力发动机其推力变比为6.87比1,能在1200N至7500N之间进行推力无级调节!

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当然月面登陆不只是发动机,还有地形匹配导航以及障碍物自动识别与落月等,还有地球返回技术,但在这些技术中,月面着陆和地球返回两项技术是最难的,其中水漂弹道返回技术可以让返回舱在抗烧蚀上减重不少,这也是嫦娥五号无人探测器带回样品达到1731克的原因,并且这还只是开胃菜,相信下次的采样量会更大!

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所以现在的日本在深空探测上,哪都敢去,但无法执行月球和行星着陆探测,因为跟中美俄相比,还是具有数量级的差别!

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