九死一生的隼鸟号

　　旅行者1号飞出太阳系概念图
　　在太空探索领域，苏联有过一段辉煌时期。在苏联解体之后，NASA基本上就是一家独大，偶尔会带着自己的小兄弟欧洲航天局玩一玩。不过，最近这20年来，亚洲的航天技术取得了长足的进步。除了中国外，日本和印度的航天技术也进步很大。尤其是日本，在最近的20年里，有过两次惊人之举，那就是发射著名的隼鸟号（Hayabusa）和隼鸟2号探测器。
　　隼鸟号宇宙探测器是由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）专为近距离探测小行星设计制造的，它在宇宙中旅行了7年，飞行了大约60亿千米。隼鸟号创下了许多个世界第一，比如，它是着陆最小天体的探测器，也是第一个把小行星物质成功带回地球的探测器。这两项第一都被载入吉尼斯世界纪录了。
　　隼鸟号的任务一波三折，充满了戏剧性。如果我说这是人类太空探索史上最富戏剧性的故事之一，日本人大概会不同意，因为他们会强烈要求去掉＂之一＂。我有一个证据可以证明日本人对隼鸟号有多自豪。隼鸟号的故事被三家不同的电影公司拍成了三部不同的电影，而且这三家公司可都不是什么小公司。它们分别是美国著名的20世纪福克斯公司的日本公司、著名的东京映画株式会社和松竹公司。主演也都是当时日本的一线明星。比如东京映画拍的《隼鸟号——遥远的归来》，请来的主演有渡边谦、江口洋介、夏川结衣等很多明星；松竹公司拍的《欢迎回来隼鸟号》则请来了藤原龙也、三浦友和等人；20世纪福克斯公司拍的《隼鸟号》，主演是竹内结子和西田敏行等。这些都是日本非常著名的演员。除了电影，隼鸟号的故事还被演绎成各种艺术形式，这足以证明隼鸟号的故事多么富有戏剧性。
　　为了这篇文章，我特地找了其中一部电影，东京映画拍的《隼鸟号——遥远的归来》看了一遍。电影长达两个多小时，拍得非常用心和精致，不管是道具、台词、演技、特效都很写实，算得上是一部制作精良的严肃电影。
　　好，闲话少说，我开始讲隼鸟号的故事。
　　为了出奇制胜，日本人在太空探索领域经常会有惊人举动，比如，在1998年就曾经向火星发射希望号探测器。日本是继美、苏之后第三个实施火星探索的国家，只是希望号最后失败了。而隼鸟号又是一次奇兵，假如成功，那绝对是令世人瞩目的计划。隼鸟号的目标是要从小行星上取一些样品返回地球。这是一个非常有野心的计划。要知道，在隼鸟号返回之前，人类真正从宇宙带回的样品还是差不多30年前美国阿波罗号登月飞船带回的月表物质。想要带一点地球以外的东西回来，挑战极大。为了这个大胆的计划，日本宇宙航空研究开发机构斥资两亿美元。对于太空探索来说，这个预算不算少，但也不算特别多。
　　对于科学家来说，探测小行星，尤其是从小行星上采集样品意义重大。因为在太阳系中，八大行星和月球这样的大天体，在漫长的岁月中已经发生了变化，我们很难透过它们去了解太阳系初期的奥秘。而小行星恰恰相反，它们是太阳系的＂活化石＂，完整地保存着行星诞生时的记录。组成行星和小行星的基础材料是什么？行星诞生的时候，太阳系星云内是什么情况？以上这些艰深的问题，人类都有可能从小行星身上找到答案。
　　隼鸟号探测器由通信、电源、推进、取样、数据处理、姿态控制等系统和仪器组成，总重仅500千克，还不如一辆小轿车重。隼鸟号探测器轻盈的秘诀在于A、B、C、D四个氙离子发动机。四个圆形的喷口在隼鸟号上排列成整齐的正方形，样子很像一个浴霸，喷出蓝色的等离子火焰。与传统的化学发动机相比，这种新式离子发动机用氙气作为燃料，要轻得多。四个离子发动机相当于是四保险，之后你会看到，幸亏是四保险，连三保险都不行。
　　
　　隼鸟号探测器
　　隼鸟号的揪心之旅是从2003年5月9日当地时间下午1点30分开始的，M-V火箭从日本鹿儿岛航天中心发射升空，它的任务是前往距离地球3亿千米的小行星——丝川（IPA），采集样本并带回地球。请你记住，这里所说的3亿千米只不过是小行星到地球的平均距离，实际上最远和最近会相差很大。想象在太空中飞向一个目标的情景时，你一定要抛掉我们生活在地球上的概念，太空中的天体与地球的相对距离都是在变化中的。
　　为了节省燃料，隼鸟号并不是直接飞向小行星，而是先进入与地球差不多的绕日轨道。这是为了尽可能地利用大行星的引力弹弓效应来给自己加速。而隼鸟号要利用的大行星不是别人，恰恰就是地球自己。
　　在发射后不久，就有一台发动机出故障罢工了。不过，四台中少了一台，问题不大，这都是在工程师的风险预计中的。
　　发射1年零10天后，隼鸟号再次接近地球，它要借助地球的引力弹弓效应达到更高的速度。隼鸟号再次飞离地球时，速度达到了每秒34千米，这是子弹飞行速度的30多倍。以这样的高速又飞行了将近4个月，隼鸟号抵达了距离小行星丝川附近仅有20千米的地方。丝川的第一张近照也由此诞生了。
　　丝川的外形像一颗土豆，又像是一颗从中间凹进去的花生。它仅有540米长，如果你在上面跑步，那么不到2分钟，你就可以从丝川的一头跑到另一头了。这张照片被登上了日本各大新闻的头条，人们津津乐道地讨论着图片上的岩石地区与光滑地区的对比，期盼着隼鸟号着陆时刻的到来。
　　就在这个时候，坏消息传来了。
　　原来，就在隼鸟号努力向丝川前进时，控制方向的部件出现了问题。隼鸟号通过x轴、y轴、z轴三个反作用轮来控制姿态，就像一个凳子的三条腿一样。可是，x轴和y轴反作用轮先后失灵。三个坏了两个，真让项目成员们冷汗直冒。后来，还是靠化学引擎临时充当＂拐杖＂，隼鸟号才终于成功稳定姿态，得以继续工作。
　　这个小小的插曲并未影响人们乐观的心情。经过三次降落演练之后，隼鸟号开始尝试正式着陆。
　　控制室外，数十家媒体的记者们紧盯着直播录像，不敢错过任何风吹草动。他们紧握麦克风、高举摄像机，期待第一时间向世界发布着陆成功的信息。
　　晚上9点，隼鸟号项目负责人、宇宙航空研究开发机构教授川口纯一郎发出了着陆命令。此时，隼鸟号正在丝川上空1000米处。隼鸟号渐渐下降，这是一个缓慢的过程。8小时后，隼鸟号以每秒6厘米的速度刹车，抛下一个印有88万人名字的标记球。标记球稳稳地落在丝川表面，像一个沙袋，没有弹起，没有滚动。它闪起白光，像茫茫大海中的灯塔，指引着40米外的隼鸟号。
　　这时，隼鸟号的取样器已经蓄势待发。它位于隼鸟号的最下方，是一个长长的圆柱体，样子像收起的金属渔网。按既定程序，取样器一旦收到传感器发出的着陆信号，就会释放出一颗直径10毫米、重5克的金属炮弹。当炮弹打到小行星表面时，会激起岩石碎屑，然后碎屑被瞬间收集到一个隔热胶囊中。所以，隼鸟号的＂着陆＂时间其实仅有1秒钟，它就像蜻蜓点水一样，在确定取样成功后，即升至高空。
　　现在，隼鸟号按预定计划直奔标记球而去。
　　看到这里，我要提醒你一个重要的概念。你在脑中还原任何太空探索的图景时，都不能忘记光速极限(7)。这对于我们正确理解太空探索过程中发生的一切现象至关重要。比如说，在听我讲到隼鸟号即将着陆、所有人都屏息凝神的时候，你千万不要忘了：实际上，地球上的人并不能实时知道隼鸟号的情况。隼鸟号的一切行为对于地球来说都是过去式，地球人无法实时干预隼鸟号的任何行动。
　　地球与隼鸟号的单程通信延时是16分钟。也就是说，地球发一个指令给隼鸟号，要等半个多小时地球人才能知道这个指令是否被成功接收了。因此，对于着陆这样的行为，只能靠隼鸟号自动驾驶，人类完全帮不上它。川口教授和他的同事们唯一能做的事情，只能是紧盯着射电望远镜接收到的一串串数据。
　　时间慢慢过去了，电脑画面渐渐揪起了所有人的心。在不知道发生了什么的情况下，诡异的30分钟过去了。依据数据，隼鸟号似乎在10米左右的高度飘移，并没有着陆。
　　此时丝川的表面温度超过100℃，如果保持这种高度，隼鸟号上的设备很有可能会受损。于是，川口教授不得不发出指令，让隼鸟号上升。等数据恢复正常后，隼鸟号已经进入了安全模式，上升到距丝川60—79千米的高度上。
　　这30分钟到底发生了什么呢？之后的重播数据揭开了真相。原来，当时隼鸟号正歪斜着身子狼狈地摔向丝川，在两次轻微反弹之后，采样器的喇叭和一块太阳能电池的前端一起触地。它以这样的姿态，在丝川上整整停留了30分钟。由于隼鸟号当时以安全模式着陆，所以并没有发射子弹，但在两次反弹的时候，可能采到了地表被震起的小岩石和沙砾。当然，这仅仅是一种微小的可能。
　　就这样，隼鸟号的第一次着陆失败了。
　　为了赶上回程轨道，隼鸟号必须在12月之前启程离开。它只能选择在2005年11月底或12月初再次着陆。留给隼鸟号的时间不多了。
　　短短4天后的11月25日，隼鸟号开始了第二次着陆。项目成员抱着必须完成任务的决心，紧张而有序地发布指令。
　　11月25日晚10时左右，隼鸟号开始从距离丝川1000米处下降。8小时后，也就是26日早晨6点左右，隼鸟号在光学导航系统的引导下，进入垂直下降阶段，向着标记球前进。
　　现在一切就要看隼鸟号自己了，项目成员们的注意力都集中在显示器上。如果任务成功，显示器将显示三个英文字母——WCT；如果任务失败，显示器将显示另三个英文字母——TMT。所有人都屏息无声地盯着显示器。上午7点35分，显示屏的右下角清晰地显示出＂WCT＂的绿色字母！着陆成功了！
　　控制室里立刻响起了热烈的掌声，人们激动地握手、拥抱，压在所有人心头的大石头终于放下了。就在项目组成员与媒体欢呼庆祝时，谁也想不到，刚刚打完胜仗的隼鸟号将迎来它本次征程中最绝望的一刻。
　　问题还是出在了隼鸟号的设备上。就在着陆成功仅3个小时后，化学推进器出现故障。事实上，故障的迹象在隼鸟号下降阶段就已经出现了。
　　燃料泄漏让化学推进器的转速迅速下降。长期以来，化学推进器就像拐杖一样，与仅剩的一条＂好腿＂——z轴反作用轮一起，支撑着隼鸟号残缺的身体。现在，这根拐杖也坏了，隼鸟号的姿态将完全无法控制。现在，隼鸟号就像喝多了酒的醉汉，东倒西歪，不规则地旋转，太阳能电池板无法对准太阳，高增益天线也无法对准地球。
　　在勉强支撑了几天之后，从12月9日开始，隼鸟号与地球失去了联系。无论地球怎样＂呼喊＂，也无法收到隼鸟号的回应。真是上一秒天堂，下一秒地狱。项目负责人川口和同事们的心情跌入谷底：在宇宙中寻找失联的航天器，就像在沙漠中寻找一粒沙子。五六年前的希望号火星探测器也是在即将抵达火星的前一刻与地球失联，此后就再也没有联系上，难道希望号的悲剧又要再次上演吗？
　　这时候，唯一能够帮助日本人的只有概率，你叫它运气也行。其中的道理是这样的：隼鸟号在经历一段时间无规则的乱摆后，最终会稳定下来，绕着自转轴旋转。但是，稳定下来的隼鸟号大概率上是＂休眠加失联＂的状态，因为它的太阳能电池板没有对准太阳，天线也没有对准地球。不过，千万别忘了，这时候的隼鸟号是绕着太阳公转的一颗卫星，而地球也在绕日转，隼鸟号与地球和太阳的相对位置是在不停地变动的。因此存在一个概率，在某个时间点上，太阳能电池板和天线的朝向恰好对准了太阳和地球，在这个短短的时间窗口期，如果日本人能重新与隼鸟号建立通信联系，就能重新拿回隼鸟号的控制权。
　　经过一系列计算，科学家们排列出各种可能性，得到了一张隼鸟号能够找回来的概率表。结论还比较乐观，在2006年年底前，成功找回隼鸟号的概率将超过60%。
　　一张小小的概率计算图表就是他们的全部筹码。于是，日本人拿着这张概率表开始了漫长的等待。控制中心唯一能做的就是不断地向隼鸟号发送信号，呼叫隼鸟号，24小时紧盯它的回应。应该说，他们的运气真的很好，仅仅过去了45天，在2006年1月23日隼鸟号回话了！
　　对于隼鸟号团队来说，这恐怕是他们一生中最漫长的45天，隼鸟号真的是一只＂不死鸟＂！
　　不过，此时的隼鸟号已经是伤痕累累，情况很不乐观。在隼鸟号的11块锂离子电池中，有4块电池无法工作；3个反作用轮坏了2个；化学推进器的燃料完全流失；由于燃料泄漏，整个航天器都处在燃料气体爆炸的危险之中。
　　
　　隼鸟号探测器的密封舱正在下降
　　拖着这样一个残破的身体，隼鸟号踏上了回家的路。
　　2007年4月25日，离子发动机重新启动，隼鸟号以＂2010年回归地球＂为目标，开始了返航之旅。(14)两年过去，返程之路基本顺利。而就在2009年11月4日，回家倒计时仅4个月时，隼鸟号迎来了九九八十一难中的最后一难。这＂最后一难＂比以往都更加致命，而逃过这一难的情节也最富有戏剧性。我看的那个版本的电影，编剧在这个情节上花了好大的力气。
　　新问题出现在支撑隼鸟号回家的核心——离子发动机。在坚持了6年多之后，四台离子发动机已经濒临报废。然而，至少需要两台发动机提供动力，隼鸟号才能顺利回家。我们来看一下当时离子发动机的状态报告：
　　发动机A：在发射后不久就因为不稳定而暂停运行。
　　发动机B：由于中和器电压下降而暂停工作。
　　发动机C和D：由于退化，它们都显示出偏高的中和电压。
　　原本发动机C和D还能勉强支撑运行，但随着发动机D的自动停止工作，这个平衡被打破了。没有动力，隼鸟号将在宇宙中自由飘荡，最终沦为太空垃圾，整个小行星取样计划将宣告失败。
　　隼鸟号团队开始了挽救离子发动机的头脑风暴。离子发动机分别由两部分组成：离子助推器和中和器。换句话说，四台离子发动机就有四个助推器和四个中和器。在当初设计的时候，这八个部件是相对独立运作的，也就是说，可以通过编程来改变它们之间的联结方式。现在工作的四台发动机，有的是离子助推器破损，有的是中和器失效，如果重新排列组合，把完好的部分拼在一起，就有可能组合成两台可用的发动机。理论上说起来简单，但实际操作过程中还是有很多的困难要克服。最终，他们将发动机A的中和器和发动机B的离子助推器结合，产生了足够的推力，再加上发动机C，终于又有了两台可工作的离子发动机。
　　2010年6月5日，隼鸟号完成回归地球前的最后一次轨道修正。
　　6月13日，隼鸟号探测器主体与隔热胶囊分离，21点50分，隼鸟号以每秒12千米的速度进入距地面200千米的大气层，在夜空中燃出一道焰火般的美丽弧线。不久，探测器主体在空中燃烧殆尽，只剩下一个小小的隔热胶囊持续下降，在高度约10千米的地方，降落伞成功打开。隔热胶囊最终降落在澳大利亚南部伍默拉附近的沙漠地带。
　　6月14日下午，项目组成员在沙漠中找到隼鸟号的隔热胶囊。在这个直径30厘米、仅重6公斤的金属物中，珍藏着隼鸟号竭尽全力护送归来的小行星礼物。项目组成员、各大媒体、市民都围在日本宇宙航空研究开发机构门口，用鲜花和掌声迎接隼鸟号的归来——历时7年，这只传奇的＂不死鸟＂终于传奇般地回家了！
　　归来的隼鸟号成为英雄——＂不死鸟＂的故事不但被拍成了三部电影，它的身影还出现在音乐、视频、动漫、游戏作品中，乐高公司也制作了隼鸟号的模型玩具。
　　在隼鸟号样品回收箱的两个隔层中，共发现了约1500粒来自小行星丝川的岩石颗粒。
　　2011年3月10日，日本宇宙航空研究开发机构的研究小组在美国得克萨斯州的月球与行星科学大会（ISLPS）上，首次对外公布隼鸟号带回的微粒的初步分析结果。研究人员发现微粒中存在橄榄石、斜长石等岩石的大型结晶。研究人员认为，这些岩石可能曾经历高温。同时，他们还发现，微粒与地球上发现的一种陨石特征一致，而且微粒受热后产生的气体不具备地球物质特征。此外，在对岩石的检测中未检出有机物、碳元素等与生命有关的物质。