13 九死一生的隼鳥號
在太空探索領域，蘇聯有過一段輝煌時期。在蘇聯解體之後，NASA基本上就是一家獨大，偶爾會帶著自己的小兄弟歐洲航天局玩一玩。不過，最近這20年來，亞洲的航天技術取得了長足的進步。除了中國外，日本和印度的航天技術也進步很大。尤其是日本，在最近的20年裏，有過兩次驚人之舉，那就是發射著名的隼鳥號（Hayabusa）和隼鳥2號探測器。
隼鳥號宇宙探測器是由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）專為近距離探測小行星設計製造的，它在宇宙中旅行了7年，飛行了大約60億千米。隼鳥號創下了許多個世界第一，比如，它是著陸最小天體的探測器，也是第一個把小行星物質成功帶回地球的探測器。這兩項第一都被載入吉尼斯世界紀錄了。
隼鳥號的任務一波三折，充滿了戲劇性。如果我說這是人類太空探索史上最富戲劇性的故事之一，日本人大概會不同意，因為他們會強烈要求去掉“之一”。我有一個證據可以證明日本人對隼鳥號有多自豪。隼鳥號的故事被三家不同的電影公司拍成了三部不同的電影，而且這三家公司可都不是什麽小公司。它們分別是美國著名的20世紀福克斯公司的日本公司、著名的東京映畫株式會社和鬆竹公司。主演也都是當時日本的一線明星。比如東京映畫拍的《隼鳥號——遙遠的歸來》，請來的主演有渡邊謙、江口洋介、夏川結衣等很多明星；鬆竹公司拍的《歡迎回來隼鳥號》則請來了藤原龍也、三浦友和等人；20世紀福克斯公司拍的《隼鳥號》，主演是竹內結子和西田敏行等。這些都是日本非常著名的演員。除了電影，隼鳥號的故事還被演繹成各種藝術形式，這足以證明隼鳥號的故事多麽富有戲劇性。
為了這篇文章，我特地找了其中一部電影，東京映畫拍的《隼鳥號——遙遠的歸來》看了一遍。電影長達兩個多小時，拍得非常用心和精致，不管是道具、台詞、演技、特效都很寫實，算得上是一部製作精良的嚴肅電影。
好，閑話少說，我開始講隼鳥號的故事。
為了出奇製勝，日本人在太空探索領域經常會有驚人舉動，比如，在1998年就曾經向火星發射希望號探測器。日本是繼美、蘇之後第三個實施火星探索的國家，隻是希望號最後失敗了。而隼鳥號又是一次奇兵，假如成功，那絕對是令世人矚目的計劃。隼鳥號的目標是要從小行星上取一些樣品返回地球。這是一個非常有野心的計劃。要知道，在隼鳥號返回之前，人類真正從宇宙帶回的樣品還是差不多30年前美國阿波羅號登月飛船帶回的月表物質。想要帶一點地球以外的東西回來，挑戰極大。為了這個大膽的計劃，日本宇宙航空研究開發機構斥資兩億美元。對於太空探索來說，這個預算不算少，但也不算特別多。
對於科學家來說，探測小行星，尤其是從小行星上采集樣品意義重大。因為在太陽係中，八大行星和月球這樣的大天體，在漫長的歲月中已經發生了變化，我們很難透過它們去了解太陽係初期的奧秘。而小行星恰恰相反，它們是太陽係的“活化石”，完整地保存著行星誕生時的記錄。組成行星和小行星的基礎材料是什麽？行星誕生的時候，太陽係星雲內是什麽情況？以上這些艱深的問題，人類都有可能從小行星身上找到答案。(1)
隼鳥號探測器由通信、電源、推進、取樣、數據處理、姿態控製等係統和儀器組成，總重僅500千克，還不如一輛小轎車重。隼鳥號探測器輕盈的秘訣在於A、B、C、D四個氙(2)離子發動機。四個圓形的噴口在隼鳥號上排列成整齊的正方形，樣子很像一個浴霸，噴出藍色的等離子火焰。與傳統的化學發動機相比，這種新式離子發動機用氙氣作為燃料，要輕得多。四個離子發動機相當於是四保險，之後你會看到，幸虧是四保險，連三保險都不行。
隼鳥號的揪心之旅是從2003年5月9日當地時間下午1點30分開始的，M-V火箭從日本鹿兒島航天中心發射升空，它的任務是前往距離地球3億千米的小行星——絲川（IPA），采集樣本並帶回地球。請你記住，這裏所說的3億千米隻不過是小行星到地球的平均距離，實際上最遠和最近會相差很大。想象在太空中飛向一個目標的情景時，你一定要拋掉我們生活在地球上的概念，太空中的天體與地球的相對距離都是在變化中的。
為了節省燃料，隼鳥號並不是直接飛向小行星，而是先進入與地球差不多的繞日軌道。這是為了盡可能地利用大行星的引力彈弓效應來給自己加速。而隼鳥號要利用的大行星不是別人，恰恰就是地球自己。
在發射後不久，就有一台發動機出故障罷工了(3)。不過，四台中少了一台，問題不大，這都是在工程師的風險預計中的。
發射1年零10天後，隼鳥號再次接近地球，它要借助地球的引力彈弓效應達到更高的速度。隼鳥號再次飛離地球時，速度達到了每秒34千米(4)，這是子彈飛行速度的30多倍。以這樣的高速又飛行了將近4個月，隼鳥號抵達了距離小行星絲川附近僅有20千米的地方。絲川的第一張近照也由此誕生了。(5)
絲川的外形像一顆土豆，又像是一顆從中間凹進去的花生。它僅有540米長，如果你在上麵跑步，那麽不到2分鍾，你就可以從絲川的一頭跑到另一頭了。這張照片被登上了日本各大新聞的頭條，人們津津樂道地討論著圖片上的岩石地區與光滑地區的對比，期盼著隼鳥號著陸時刻的到來。
就在這個時候，壞消息傳來了。
原來，就在隼鳥號努力向絲川前進時，控製方向的部件出現了問題。隼鳥號通過x軸、y軸、z軸三個反作用輪來控製姿態，就像一個凳子的三條腿一樣。可是，x軸和y軸反作用輪先後失靈。三個壞了兩個，真讓項目成員們冷汗直冒。後來，還是靠化學引擎臨時充當“拐杖”，隼鳥號才終於成功穩定姿態，得以繼續工作。(6)
這個小小的插曲並未影響人們樂觀的心情。經過三次降落演練之後，隼鳥號開始嚐試正式著陸。
控製室外，數十家媒體的記者們緊盯著直播錄像，不敢錯過任何風吹草動。他們緊握麥克風、高舉攝像機，期待第一時間向世界發布著陸成功的信息。
晚上9點，隼鳥號項目負責人、宇宙航空研究開發機構教授川口純一郎發出了著陸命令。此時，隼鳥號正在絲川上空1000米處。隼鳥號漸漸下降，這是一個緩慢的過程。8小時後，隼鳥號以每秒6厘米的速度刹車，拋下一個印有88萬人名字的標記球。標記球穩穩地落在絲川表麵，像一個沙袋，沒有彈起，沒有滾動。它閃起白光，像茫茫大海中的燈塔，指引著40米外的隼鳥號。
這時，隼鳥號的取樣器已經蓄勢待發。它位於隼鳥號的最下方，是一個長長的圓柱體，樣子像收起的金屬漁網。按既定程序，取樣器一旦收到傳感器發出的著陸信號，就會釋放出一顆直徑10毫米、重5克的金屬炮彈。當炮彈打到小行星表麵時，會激起岩石碎屑，然後碎屑被瞬間收集到一個隔熱膠囊中。所以，隼鳥號的“著陸”時間其實僅有1秒鍾，它就像蜻蜓點水一樣，在確定取樣成功後，即升至高空。
現在，隼鳥號按預定計劃直奔標記球而去。
看到這裏，我要提醒你一個重要的概念。你在腦中還原任何太空探索的圖景時，都不能忘記光速極限(7)。這對於我們正確理解太空探索過程中發生的一切現象至關重要。比如說，在聽我講到隼鳥號即將著陸、所有人都屏息凝神的時候，你千萬不要忘了：實際上，地球上的人並不能實時知道隼鳥號的情況。隼鳥號的一切行為對於地球來說都是過去式，地球人無法實時幹預隼鳥號的任何行動。
地球與隼鳥號的單程通信延時是16分鍾。也就是說，地球發一個指令給隼鳥號，要等半個多小時地球人才能知道這個指令是否被成功接收了。因此，對於著陸這樣的行為，隻能靠隼鳥號自動駕駛，人類完全幫不上它。川口教授和他的同事們唯一能做的事情，隻能是緊盯著射電望遠鏡接收到的一串串數據。
時間慢慢過去了，電腦畫麵漸漸揪起了所有人的心。在不知道發生了什麽的情況下，詭異的30分鍾過去了。依據數據，隼鳥號似乎在10米左右的高度飄移，並沒有著陸。
此時絲川的表麵溫度超過100℃，如果保持這種高度，隼鳥號上的設備很有可能會受損。於是，川口教授不得不發出指令，讓隼鳥號上升。等數據恢複正常後，隼鳥號已經進入了安全模式，上升到距絲川60—79千米的高度上。(8)
這30分鍾到底發生了什麽呢？之後的重播數據揭開了真相。原來，當時隼鳥號正歪斜著身子狼狽地摔向絲川，在兩次輕微反彈之後，采樣器的喇叭和一塊太陽能電池的前端一起觸地。它以這樣的姿態，在絲川上整整停留了30分鍾。由於隼鳥號當時以安全模式著陸，所以並沒有發射子彈，但在兩次反彈的時候，可能采到了地表被震起的小岩石和沙礫。(9)當然，這僅僅是一種微小的可能。
就這樣，隼鳥號的第一次著陸失敗了。
為了趕上回程軌道，隼鳥號必須在12月之前啟程離開。它隻能選擇在2005年11月底或12月初再次著陸。留給隼鳥號的時間不多了。(10)
短短4天後的11月25日，隼鳥號開始了第二次著陸。項目成員抱著必須完成任務的決心，緊張而有序地發布指令。
11月25日晚10時左右，隼鳥號開始從距離絲川1000米處下降。8小時後，也就是26日早晨6點左右，隼鳥號在光學導航係統的引導下，進入垂直下降階段，向著標記球前進。
現在一切就要看隼鳥號自己了，項目成員們的注意力都集中在顯示器上。如果任務成功，顯示器將顯示三個英文字母——WCT；如果任務失敗，顯示器將顯示另三個英文字母——TMT。所有人都屏息無聲地盯著顯示器。上午7點35分，顯示屏的右下角清晰地顯示出“WCT”的綠色字母！著陸成功了！
控製室裏立刻響起了熱烈的掌聲，人們激動地握手、擁抱，壓在所有人心頭的大石頭終於放下了。就在項目組成員與媒體歡呼慶祝時，誰也想不到，剛剛打完勝仗的隼鳥號將迎來它本次征程中最絕望的一刻。
問題還是出在了隼鳥號的設備上。就在著陸成功僅3個小時後，化學推進器出現故障。事實上，故障的跡象在隼鳥號下降階段就已經出現了。(11)
燃料泄漏讓化學推進器的轉速(12)迅速下降。長期以來，化學推進器就像拐杖一樣，與僅剩的一條“好腿”——z軸反作用輪一起，支撐著隼鳥號殘缺的身體。現在，這根拐杖也壞了，隼鳥號的姿態將完全無法控製。現在，隼鳥號就像喝多了酒的醉漢，東倒西歪，不規則地旋轉，太陽能電池板無法對準太陽，高增益天線也無法對準地球。
在勉強支撐了幾天之後，從12月9日開始，隼鳥號與地球失去了聯係。無論地球怎樣“呼喊”，也無法收到隼鳥號的回應。真是上一秒天堂，下一秒地獄。項目負責人川口和同事們的心情跌入穀底：在宇宙中尋找失聯的航天器，就像在沙漠中尋找一粒沙子。五六年前的希望號火星探測器也是在即將抵達火星的前一刻與地球失聯，此後就再也沒有聯係上，難道希望號的悲劇又要再次上演嗎？
這時候，唯一能夠幫助日本人的隻有概率，你叫它運氣也行。其中的道理是這樣的：隼鳥號在經曆一段時間無規則的亂擺後，最終會穩定下來，繞著自轉軸旋轉。但是，穩定下來的隼鳥號大概率上是“休眠加失聯”的狀態，因為它的太陽能電池板沒有對準太陽，天線也沒有對準地球。不過，千萬別忘了，這時候的隼鳥號是繞著太陽公轉的一顆衛星，而地球也在繞日轉，隼鳥號與地球和太陽的相對位置是在不停地變動的。因此存在一個概率，在某個時間點上，太陽能電池板和天線的朝向恰好對準了太陽和地球，在這個短短的時間窗口期，如果日本人能重新與隼鳥號建立通信聯係，就能重新拿回隼鳥號的控製權。
經過一係列計算，科學家們排列出各種可能性，得到了一張隼鳥號能夠找回來的概率表。結論還比較樂觀，在2006年年底前，成功找回隼鳥號的概率將超過60%。
一張小小的概率計算圖表就是他們的全部籌碼。於是，日本人拿著這張概率表開始了漫長的等待。控製中心唯一能做的就是不斷地向隼鳥號發送信號，呼叫隼鳥號，24小時緊盯它的回應。應該說，他們的運氣真的很好，僅僅過去了45天，在2006年1月23日隼鳥號回話了！
對於隼鳥號團隊來說，這恐怕是他們一生中最漫長的45天，隼鳥號真的是一隻“不死鳥”！
不過，此時的隼鳥號已經是傷痕累累，情況很不樂觀。在隼鳥號的11塊鋰離子電池中，有4塊電池無法工作；3個反作用輪壞了2個；化學推進器的燃料完全流失；由於燃料泄漏，整個航天器都處在燃料氣體爆炸的危險之中(13)。
拖著這樣一個殘破的身體，隼鳥號踏上了回家的路。
2007年4月25日，離子發動機重新啟動，隼鳥號以“2010年回歸地球”為目標，開始了返航之旅。(14)兩年過去，返程之路基本順利。而就在2009年11月4日，回家倒計時僅4個月時，隼鳥號迎來了九九八十一難中的最後一難。這“最後一難”比以往都更加致命，而逃過這一難的情節也最富有戲劇性。我看的那個版本的電影，編劇在這個情節上花了好大的力氣。
新問題出現在支撐隼鳥號回家的核心——離子發動機。在堅持了6年多之後，四台離子發動機已經瀕臨報廢。然而，至少需要兩台發動機提供動力，隼鳥號才能順利回家。我們來看一下當時離子發動機的狀態報告：
發動機A：在發射後不久就因為不穩定而暫停運行。
發動機B：由於中和器電壓下降而暫停工作。
發動機C和D：由於退化，它們都顯示出偏高的中和電壓。
原本發動機C和D還能勉強支撐運行，但隨著發動機D的自動停止工作，這個平衡被打破了。沒有動力，隼鳥號將在宇宙中自由飄**，最終淪為太空垃圾，整個小行星取樣計劃將宣告失敗。
隼鳥號團隊開始了挽救離子發動機的頭腦風暴。離子發動機分別由兩部分組成：離子助推器和中和器。換句話說，四台離子發動機就有四個助推器和四個中和器。在當初設計的時候，這八個部件是相對獨立運作的，也就是說，可以通過編程來改變它們之間的聯結方式。現在工作的四台發動機，有的是離子助推器破損，有的是中和器失效，如果重新排列組合，把完好的部分拚在一起，就有可能組合成兩台可用的發動機。理論上說起來簡單，但實際操作過程中還是有很多的困難要克服。最終，他們將發動機A的中和器和發動機B的離子助推器結合，產生了足夠的推力，再加上發動機C，終於又有了兩台可工作的離子發動機。(15)
2010年6月5日，隼鳥號完成回歸地球前的最後一次軌道修正。
6月13日，隼鳥號探測器主體與隔熱膠囊分離，21點50分，隼鳥號以每秒12千米的速度進入距地麵200千米的大氣層，在夜空中燃出一道焰火般的美麗弧線。不久，探測器主體在空中燃燒殆盡，隻剩下一個小小的隔熱膠囊持續下降，在高度約10千米的地方，降落傘成功打開。隔熱膠囊最終降落在澳大利亞南部伍默拉附近的沙漠地帶。
6月14日下午，項目組成員在沙漠中找到隼鳥號的隔熱膠囊。在這個直徑30厘米、僅重6公斤的金屬物中，珍藏著隼鳥號竭盡全力護送歸來的小行星禮物。項目組成員、各大媒體、市民都圍在日本宇宙航空研究開發機構門口，用鮮花和掌聲迎接隼鳥號的歸來——曆時7年，這隻傳奇的“不死鳥”終於傳奇般地回家了！
歸來的隼鳥號成為英雄——“不死鳥”的故事不但被拍成了三部電影，它的身影還出現在音樂、視頻、動漫、遊戲作品中，樂高公司也製作了隼鳥號的模型玩具。
在隼鳥號樣品回收箱的兩個隔層中，共發現了約1500粒來自小行星絲川的岩石顆粒(16)。
2011年3月10日，日本宇宙航空研究開發機構的研究小組在美國得克薩斯州的月球與行星科學大會（ISLPS）上，首次對外公布隼鳥號帶回的微粒的初步分析結果。研究人員發現微粒中存在橄欖石、斜長石等岩石的大型結晶。研究人員認為，這些岩石可能曾經曆高溫。同時，他們還發現，微粒與地球上發現的一種隕石特征一致，而且微粒受熱後產生的氣體不具備地球物質特征。此外，在對岩石的檢測中未檢出有機物、碳元素等與生命有關的物質。
隼鳥號的故事到這裏就結束了。4年後，隼鳥號的升級版——隼鳥2號，再一次向著小行星出發了。有了隼鳥號的經驗，隼鳥2號的旅程可謂風平浪靜，然而，在它到達目標小行星龍宮（Ryugu）的上空時，竟遇到了讓人意想不到的困境。讓項目組成員們幾乎崩潰的龍宮到底是何方神聖？隼鳥2號遇到的困境到底是什麽呢？請看下一章。
(1)小惑星探査機はやぶさ，https://web.archive.org/web.
(2)氙（Xe，讀xiān）：重的、無色的惰性氣體，存在於空氣中。
(3)Asteroid Explorer “HAYABUSA” Ion Engine Anomaly, http://www.isas.jaxa.jp, Nov. 9, 2009.
(4)「はやぶさ」世界初の快挙！イオンエンジンを搭載して地球スウィングバイに成功, http://www.isas.jaxa.jp, 2004年5月20日.
(5)Hayabusa arrives Itokawa, http://www.isas.ac.jp, September 12, 2005.
(6)Hayabusa arrives at Home Position, and Current Status of Hayabusa Spacecraft, http://www.isas.jaxa.jp, Oct. 4, 2005.
(7)光速極限：愛因斯坦在相對論裏提出的猜想，即光速是速度的極限。
(8)Yasunori Matogawa, Hayabusa: To 880,000 Little Princes and Princesses, http://www.isas.jaxa.jp, Nov.21, 2005.
(9)Hayabusa Landed on and Took Off from Itokawa Successfully—Detailed Analysis Revealed, http://www.isas.jaxa.jp, Nov. 24, 2005.
(10)Fate of Hayabusa, http://5thstar.air-nifty.com, Nov. 11, 2005.
(11)Yasunori MATOGAWA, The Longest Day of “HAYABUSA”, http://www.isas.ac.jp, Nov. 27, 2005.
(12)轉速（rotational speed或Rev）：做圓周運動的物體在單位時間內沿圓周繞圓心轉過的圈數。
(13)Current Status of Hayabusa Spacecraft - Communication and Operation Resumption, http://www.isas.jaxa.jp, Mar. 8, 2006.
(14)Hayabusa leaves for Earth, http://www.isas.jaxa.jp, May 1, 2007.
(15)HAYABUSA: Resumption of Return Cruise by Combining Two Ion Engines, http://www.isas.jaxa.jp, Nov.19, 2009.
(16)Particles Brought Back By Hayabusa Identified as from Itokawa, http://www.isas.jaxa.jp, Nov. 16, 2010.