日本的隼鸟2号探测器在其探索首次纪录中又增添了一项。7月5日星期日，该探测器成功将一束激光从小行星鸟船（Torifune）表面反射回来并捕获了返回信号，完成了有史以来首次针对小行星进行的激光测距实验。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）证实了这一里程碑，该实验发生在隼鸟2号飞掠鸟船期间，鸟船是该探测器扩展任务的第一站。
这一成就不仅仅是一项技术上的新奇之举。激光测距的原理是测量一束光脉冲到达表面并返回所需的时间，从而为操作人员提供一种直接确定距离并远程探测天体物理特性的方法。据JAXA称，此次演示将增强其自身工程师以及其他航天机构工程师的能力，为他们未来前往近地小行星（NEA）和其他深空天体的任务做准备。
建立在成熟高度计之上的里程碑
该实验依赖于隼鸟2号上的LIDAR激光高度计，即LALT。该仪器是JAXA辉夜号月球轨道器所搭载LIDAR高度计的衍生型号，并针对在小型小行星周围运行这一截然不同的需求进行了改造。
LALT从来就不是仅用于距离测量。其设计还使其能够帮助确定小行星的密度和孔隙率，记录其表面的反射率，并搜寻悬浮尘埃粒子——这种细小物质可能从一个小天体上被扬起并在其表面上方飘浮。
该仪器已是任务老将。它在隼鸟2号的导航中发挥了重要作用，并收集了大量关于龙宫（Ryugu）表面地形的数据，龙宫是该探测器在旅程早期所考察的小行星。此前的工作为团队提供了一个充分了解的工具，以便为鸟船交会进行调整。
对一块岩石微粒的两次射击
时机就是一切。激光发射了两次，时间为下午6:29（太平洋夏令时凌晨2:29；美国东部夏令时凌晨5:29），第一次脉冲在飞掠鸟船前56.5秒发出，第二次在飞掠前57.5秒发出。第一次射击时隼鸟2号距离约20公里（12.5英里），第二次时距离约15公里（9.3英里）。
在这两个时刻，探测器都以每秒5.3公里的速度飞行，相当于约每小时18,000公里（每秒3.3英里，或11,185英里/小时）。由于光束聚焦紧密，它只照亮了鸟船的一小块区域，覆盖面积分别约为30米（100英尺）和23米（75.5英尺）。
速度、距离和窄光束的这种组合产生了一系列任务团队必须提前解决的障碍。
- 激光必须在探测器以每小时数千公里飞掠时瞄准一个小目标。
- 命中该目标需要精确的姿态和轨迹控制，将探测器的朝向和路径保持在严格限制之内。
- 仪器必须经过配置，以使来自表面的微弱返回信号不会淹没在背景噪声中。
- 整个序列要求任务团队在交会发生之前进行大量准备工作。
这些准备在两次尝试中都得到了回报，而不仅仅是一次。JAXA发布了图像，显示了测距成功时激光照亮的区域，并与未返回可用结果的脉冲足迹并列展示。
为什么深空激光测距如此困难
用光测量距离在原理上听起来很简单：发送一个脉冲，计时往返，再除以二。但在实践中，深空消除了使该技术在近地环境中变得常规的辅助条件。那里没有参考物体来锚定测量，这使得精确测距的获取和解读都困难得多。
在地球上和近地轨道上，操作人员可以依靠已知地标、地面站和卫星导航信号来核验其工作。而一艘独自在小行星处运行的探测器必须依赖自身的仪器、自身的时钟以及足够好的姿态控制系统，以将窄光束保持在一个不规则、旋转的天体上。这就是为什么鸟船的结果被视为首次，而非渐进式改进。
此次演示开启了什么
该实验的价值主要在于它所证明的硬件及支持其运行的能力。
- 直接测距可以在近距离接近期间提高探测器的导航精度，此时精确的距离和几何关系最为重要。
- 激光返回信号携带有关表面反射率的信息，帮助科学家区分地形和物质的类型。
- 与其他测量相结合，测距有助于估算小行星的密度和孔隙率，这是了解其内部结构和历史的关键线索。
- 灵敏的返回信号可能揭示悬浮尘埃，这种现象塑造了小天体如何脱落并重新分布物质。
对于已在深空度过数年的隼鸟2号来说，7月5日的测试也提醒人们，扩展任务可以在其主要目标完成很久之后继续产生新的科学成果。鸟船是该扩展阶段的第一目标，而此次飞掠让团队有机会验证一种此前从未在小行星上尝试过的技术。
这一成功也在日本之外引起共鸣。激光测高和测距是国际探索界共享的工具，而一次经过验证的小行星演示为其他地方的工程师提供了仪器设计和操作程序的基准，因为越来越多的探测器被派往近地和深空目的地。
目前，头条数字都很小：一束光从约15公里外、由一艘以每小时18,000公里速度移动的探测器发射，照亮了一块仅23米宽的岩石区域，并在相隔数秒的连续两次尝试中捕获了返回信号。这就是JAXA称之为首次的测量，它很可能成为更多此类测量的模板。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org