瞭望｜天问二号叩响中国小行星探测之门

天问二号主要任务目标是对小行星(xiǎoxíngxīng)2016HO3进行探测、取样并(bìng)返回地球，此后再对主带彗星311P开展科学探测。这是我国首次实施小行星采样返回任务，迈出了深空探测的(de)新一步 天问二号(èrhào)任务技术难度大，工程风险(fēngxiǎn)高，设计任务周期10年左右，后续环节的不确定因素对于这场漫长征程来说是一场持续考验 文 |《瞭望》新闻周刊记者(jìzhě) 贾雯静 5月29日1时31分，辉光照亮夜空。由中国航天科技集团所属中国运载火箭(huǒjiàn)技术研究院抓(zhuā)总(zǒng)研制的长征三号乙Y110运载火箭（下称长三乙火箭），在西昌卫星发射中心烈焰中起飞。 火箭(huǒjiàn)飞行约18分钟后，将中国航天科技集团所属中国空间技术研究院抓总研制的天问二号(èrhào)探测器送入(sòngrù)地球至(zhì)小行星2016HO3转移轨道。此后，探测器太阳翼正常展开，发射任务取得圆满成功(yuánmǎnchénggōng)，标志着我国天问二号探测任务顺利启程，为后续深空探索跑好关键“第一棒”。 自2020年中国航天日启动“天问”系列以来，这一以屈原诗句命名的行星探测工程，赓续(gēngxù)中华文明对宇宙奥秘的追问。目前，天问一号探测器(tàncèqì)已获取珍贵(zhēnguì)火星原始科学数据。 如今，天问二号再次踏上(tàshàng)星际探测(tàncè)征程，主要任务目标(mùbiāo)是对小行星2016HO3进行探测、取样并返回地球，此后再对主带彗星311P开展科学探测。 国家航天局局长单忠德表示，国家航天局牵头实施天问二号(èrhào)任务，推动星际探测征程接续前进，迈出了深空探测的新(xīn)一步。任务实施周期长，风险难度(nándù)大，工程(gōngchéng)全线攻坚克难，协同攻关，确保了发射任务圆满成功。 我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将行星探测工程天问二号探测器发射升空(shēngkōng)（2025 年 5 月 29 日摄） 才(cái)扬摄(yángshè) / 本刊 发射阶段面临三重挑战(tiǎozhàn) 天问(tiānwèn)二号任务的首道难关在于发射环节。 为顺利完成发射，本次行星探测任务选用的运载工具为长征三号甲系列运载火箭(huǒjiàn)三兄弟中“力气最大”的长三乙火箭，该火箭于(yú)1993年获批立项，自1996年首飞成功至今(zhìjīn)，承担了多个国家重大工程任务，曾执行过嫦娥三号、嫦娥四号等探月工程任务，此前已完成108次发射，是(shì)我国宇航(yǔháng)发射次数最多的单一型号火箭。 中国航天科技集团魏远明表示，虽然(suīrán)已经执行了(le)百余次发射任务，但(dàn)此次任务是长三乙火箭首次执行地球逃逸轨道发射，面临新情况新挑战。 挑战一：速度要求更(gèng)快。 魏远明介绍，以往发射地球轨道范围内的(de)载荷时，火箭分离速度达第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物体(wùtǐ)在地球表面附近(fùjìn)环绕地球做匀速圆周运动所需的最小速度。 此次任务发射目标并非绕地球旋转的卫星(wèixīng)，航天器必须完全脱离地球引力控制进入逃逸轨道，火箭分离(fēnlí)时速度须达到第二宇宙速度，最低(zuìdī)要求为每秒11.2千米。 “这对火箭的运载(yùnzài)能力、履约能力等都(dōu)提出了更高要求。”魏远明说。 挑战二：精度要求(yāoqiú)更高。 “小行星体积小、质量小、引力弱，捕获难度大，对火箭入轨精度要求高。”中国运载火箭技术研究院张亦朴(zhāngyìpǔ)说，此次火箭入轨速度(sùdù)达到每秒11.2千米的同时，速度偏差不能超过1米，才能将天问二号(èrhào)精准送入轨道，否则(fǒuzé)可能会造成百万公里的级差。 难点三(sān)：发射窗口更窄。 小行星2016HO3运行(yùnxíng)轨道较为特殊(tèshū)，一方面既像其(qí)他小行星一样环绕太阳运行，且公转周期与地球相近；另一方面，其轨道又围绕地球运行。 这种特殊运行轨迹使它(tā)与(yǔ)地球的相对位置和运动状态较为复杂，只有在特定时间段内，地球、探测器和小行星才能(cáinéng)处于相对合适的位置关系，从而确保探测器能够以更快的速度抵近小行星并实现有效探测。 经过专家团队(tuánduì)测算，此次发射任务的窗口期仅为5月29日到31日连续3天，每天只有4分钟。加之目标小行星与地球(dìqiú)的相对位置(wèizhì)处于(chǔyú)变化之中，只有零窗口发射最节省燃料，给型号团队带来了更大的挑战。 多方协同、技术迭代　确保发射“万无一失(wànwúyīshī)” 早在2018年，天问二号的发射任务就“花落(huāluò)”长三乙火箭(huǒjiàn)。为确保其可靠、精准、准时跑好天问二号任务“第一棒”，工程全线攻坚克难，协同(xiétóng)攻关，确保火箭发射“万无一失”。 提高运载能力(nénglì)方面，针对长征三号甲系列(xìliè)运载火箭，型号团队于2020年实施运载能力与可靠性“双提升”工程，完成了多条(duōtiáo)技术状态变化的(de)验证工作，确认了箭体结构、增压输送、总装总测三大系统数十个重点关注项目，并对总装全过程状态从严要求，针对性梳理了装配风险点并予以排除，确保产品顺利完成总装测试。该工程后，长三乙火箭地球同步转移(zhuǎnyí)轨道(guǐdào)运载能力提升至5.55吨，与天问二号探测器(tàncèqì)质量要求更贴合。 确保精确入轨方面，研制团队在采用迭代制导技术的基础上，还运用了末速修正技术，在分离前(qián)实时(shíshí)调整火箭的速度(sùdù)、姿态等，确保满足入轨精度要求。 不仅如此，研制(yánzhì)人员经过多轮协调，将连续3个发射日每天一套发射轨道程序(chéngxù)简化为3天共用一套程序，大大精简了发射流程(liúchéng)，提高火箭可靠性和任务适应性。 火箭测控(cèkòng)系统方面，西昌卫星发射中心马忠权(mǎzhōngquán)介绍，为满足零窗口发射需求，团队对测控设备精度不断进行调校，通过测控火箭外侧的飞行(fēixíng)弹道、飞行姿态以及火箭内侧的气压、燃料使用情况、温度等(děng)指标，了解火箭整体飞行状态。 本次测控系统(xìtǒng)还进行了全自动跟踪(gēnzōng)改造，借助AI算法让测控系统自动进行跟踪捕获，减轻操作手(cāozuòshǒu)压力，提高跟踪性能和应急情况处理能力。 火箭整体设计方面，马忠权说：“多年来(lái)火箭外形(wàixíng)延续经典，实际上，其内部的电气、动力、火工等系统(xìtǒng)和装置已历经三年的迭代升级。”与此同时，型号团队(tuánduì)对箭上关键产品优中选优、加严验收、增加测试项目，严格控制火箭技术状态变化。 此外，“长三乙火箭还采用了通用化、系列化、组合化的设计思路，为全流程研制生产效率提速(tísù)。”中国运载火箭技术研究院(yánjiūyuàn)覃艺说。 例如施行“去任务化”的设计(shèjì)研制模式，即(jí)火箭助推器、芯一级、芯二级、芯三级等产品都实现(shíxiàn)通用化和组批投产，提高生产效率，缩短履约周期。 再如施行批量生产管理模式，通过系统综合试验、火箭总装和出厂测试(cèshì)并行开展，实施滚动出厂发射，实现流水线(liúshuǐxiàn)式柔性作业的运载火箭(yùnzàihuǒjiàn)批生产，达到年生产发射15发火箭的能力水平，更好应对(yìngduì)任务需求。 后续探测、采样阶段仍存不确定性(bùquèdìngxìng) 发射任务圆满成功仅仅(jǐnjǐn)是(shì)“第一步”。“天问二号任务技术难度大，工程风险高，设计任务周期10年左右，后续环节的不确定因素对于这场漫长征程来说是一场(yīchǎng)持续考验。”多位受访专家提到。 天问二号任务共包含发射段(duàn)(duàn)、小行星转移段、小行星接近段、小行星交会段、小行星近距探测段、小行星采样段、返回等待段、返回转移段、再入回收(huíshōu)段、主带彗星(huìxīng)转移段、主带彗星接近段、主带彗星交会段、主带彗星近距探测段等13个飞行阶段。 在(zài)探测阶段(jiēduàn)，任务难点主要体现在时间周期长，能源需求量大。中国航天科技集团曾福明说，小行星2016HO3距离地球1800万至4600万公里，主带彗星(huìxīng)311P距离地球1.5亿至5亿公里，距离地球远，通信存在较长延迟。这对(duì)能源管理、智能控制(kòngzhì)以及产品的寿命、可靠性等方面都提出了较高要求。 为应对此挑战，曾福明说：“本次任务创新性采用大面积(dàmiànjī)圆形(yuánxíng)柔性太阳翼设计，实现能源供给与轻量化的效果。” 同时，探测(tàncè)器共配置(pèizhì)11台科学设备，将助力探测器在飞行过程中对小行星和主带彗星进行光谱测量、光学成像、空间环境探测等，获取(huòqǔ)科学数据，为后续采样环节奠定基础。 在采样阶段，难点一方面体现在目标天体的(de)未知特性。基于当前有限观测数据，人类(rénlèi)对(duì)小行星2016HO3的形态特征，如形状、具体尺寸，表面物理状态，如物质组成等关键信息(xìnxī)认知不足。这种不确定性对探测器自主化程度、多(duō)类型采样能力要求更高，以应对潜在的样本获取风险。 另一方面，还需要突破弱引力条件下的附着与采样(cǎiyàng)难题。据了解(liǎojiě)，小行星2016HO3质量较小，几乎处于零重力环境，坚硬表面易造成探测器(tàncèqì)反弹，松散表面又难以阻止探测器下陷，加之其处于高速自转状态，探测器的控制必须足够精确(jīngquè)。因此，于有限时间内完成采样任务并将样品装进容器(róngqì)难度较大。“针对此，我们在前期(qiánqī)已经进行了多次地面验证，但仍然可能面临未知情况。”中国航天科技集团陈春亮说(shuō)。 在考验中积累宝贵经验和科学(kēxué)财富 曾福明表示，天问二号任务面临(miànlín)多重(duōzhòng)考验，是我国深空探索不断深入的(de)重要实践，从中可以积累宝贵经验，不断对关键技术进行验证和创新。 这也是此次任务的工程(gōngchéng)目标(mùbiāo)之一——突破弱(ruò)引力天体表面取样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道设计等一系列关键技术。锚定这一工程目标，天问二号(èrhào)任务在技术创新和科学产出上具有显著特点。 一方面(yìfāngmiàn)创新小天体采样(cǎiyàng)方式，除触碰采样方式外，天问二号任务还将根据探测具体情况实施悬停采样以及附着采样。 另一方面推动智能化航天器发展，针对目标天体特性未知(wèizhī)等难题，探测器将采用“边飞边探边决策”的策略(cèlüè)，获取目标天体特性信息后，在地面策略指导(zhǐdǎo)下基本自主开展目标天体的精准捕获、逐步接近、科学(kēxué)探测和样品采集。 锁定工程目标的同时，科学目标亦(yì)是此次任务的核心关键。天问二号任务工程副总师、中国科学院国家天文台研究员刘建军(liújiànjūn)介绍，小行星是太阳系中一种(yīzhǒng)非常独特的天体，形成于太阳系早期约45亿年前，没有经过类似于地球一样(yīyàng)的演化过程，基本(jīběn)保持原有状态，对地球和太阳系的研究均具有重要意义。 而(ér)目标小行星2016HO3是在2016年发现(fāxiàn)的地球第5颗（共7颗）准卫星，非常稀缺，在上百万个小天体中万里挑一，科学家对其起源也众说纷纭，加上对其形状、构成等情况了解(liǎojiě)甚少，具有很大的研究价值(jiàzhí)。 “主带彗星311P同样特殊，又称活跃(huóyuè)小行星，其轨道位于(wèiyú)主带小行星上，同时具备彗星喷发的特征，也承载着重要的科学探索意义。”天问二号任务地面应用(yìngyòng)系统总师、中国科学院国家天文台研究员苏彦说(sūyànshuō)。 因此，天问(tiānwèn)二号探测任务的科学目标聚焦于测定小行星(xiǎoxíngxīng)和主带彗星的多项物理参数。一是测定小行星和主带彗星的轨道参数、自转参数、形状大小、热辐射(rèfúshè)特性等物理参数，开展轨道动力学研究；二是(èrshì)开展小行星和主带彗星的形貌、物质组分、内部结构以及可能的喷发物等研究；三是开展样品的实验室分析(fēnxī)研究，测定样品物理性质、化学与(yǔ)矿物成分，开展小行星和太阳系早期的形成与演化研究。 深空探测道阻且长，航天事业发展任重道远，单忠德表示，期待天问二号(èrhào)按计划完成各项探测任务，取得更多(duō)原创科学成果，揭开更多宇宙奥秘，增进(zēngjìn)人类认知。■