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(tàncè)、取样并返回地球，此后再对主带(zhǔdài)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，迈出了深空探测的新一步 天问二号任务(rènwù)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(bù)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 贾雯静(jiǎwénjìng) 5月(yuè)29日(rì)1时31分，辉光照亮夜空。由中国航天科技集团所属(suǒshǔ)中国运载火箭技术研究院抓总研制的长征三号乙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。 火箭飞行约18分钟后，将中国航天科技集团(zhōngguóhángtiānkējìjítuán)所属中国空间技术研究院抓总研制的天问二号(èrhào)探测器送入地球至小行星2016HO3转移轨道。此后，探测器太阳(tàiyáng)翼正常展开，发射任务取得圆满成功，标志着我国天问二号探测任务顺利启程，为后续(hòuxù)深空探索跑好(hǎo)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(de)行星探测工程，赓续中华文明(zhōnghuáwénmíng)对宇宙(yǔzhòu)奥秘的追问。目前，天问一号探测器已获取珍贵火星原始科学数据。 如今，天问二号再次踏上星际(xīngjì)探测(tàncè)征程，主要任务目标是对小行星2016HO3进行探测、取样并返回(fǎnhuí)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(dānzhōngdé)表示，国家航天局牵头实施天问二号任务，推动星际探测征程接续前进，迈出了深空探测的新一步(yībù)。任务实施周期长(zhōuqīzhǎng)，风险难度大，工程全线攻坚克难，协同攻关，确保了发射(fāshè)任务圆满成功。 我国在西昌卫星发射中心用(yòng)长征三号乙运载火箭(yùnzàihuǒjiàn)，成功将行星探测工程天问二号探测器发射升空（2025 年 5 月 29 日摄） 才扬摄 / 本刊(běnkān) 发射阶段面临三重挑战(tiǎozhàn) 天问二号任务的首道难关在于发射环节(huánjié)。 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三兄弟中“力气最大”的长三乙火箭，该火箭于1993年(nián)获批立项，自1996年首飞成功至今，承担了(le)多个国家重大工程任务，曾执行过嫦娥(chángé)(chángé)三号、嫦娥四号等探月工程任务，此前已完成108次发射，是我国宇航(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，虽然已经(yǐjīng)执行了百余次发射(fāshè)任务，但此次(cǐcì)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(sùdù)要求更快。 魏远明介绍，以往发射地球轨道范围内的载荷时，火箭分离速度达第一宇宙速度每秒7.9千米(qiānmǐ)即可，此(cǐ)速度是物体在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动(yùndòng)所需的最小速度。 此次任务(rènwù)发射(fāshè)目标并非绕(rào)地球旋转的卫星，航天器必须完全脱离地球引力控制进入逃逸轨道，火箭分离时速度须达到第二宇宙速度，最低要求为每秒11.2千米。 “这对火箭(huǒjiàn)的运载能力、履约能力等都提出了更(gèng)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(ruò)，捕获难度大，对火箭(huǒjiàn)入轨精度(jīngdù)要求高。”中国运载火箭技术研究院张亦朴说，此次火箭入轨速度达到每秒11.2千米的同时，速度偏差不能超过1米，才能(cáinéng)将天问二号精准送入轨道，否则可能会造成百万公里的级差。 难点(nándiǎn)三：发射窗口更窄。 小行星2016HO3运行轨道较为特殊，一方面既(jì)像其他(qítā)小行星一样环绕(huánrào)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与地球的相对位置和运动状态较为复杂(fùzá)，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(yǒuxiào)探测。 经过专家(zhuānjiā)团队测算，此次发射任务的窗口期仅为(jǐnwèi)5月29日(rì)到31日连续3天，每天只有4分钟。加之目标小行星与地球的相对位置处于(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(quèbǎo)发射“万无一失” 早(zǎo)在2018年，天问二号的发射任务就“花落”长三乙(zhǎngsānyǐ)火箭。为确保其可靠、精准、准时跑好天问二号任务“第一(dìyī)棒”，工程全线攻坚克难，协同攻关，确保火箭发射“万无一失”。 提高运载(yùnzài)能力方面(fāngmiàn)，针对长征三号甲系列运载火箭，型号团队于2020年实施运载能力与可靠性“双提升”工程，完成了多条技术状态变化的验证工作，确认了箭体结构、增压(zēngyā)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(yāoqiú)，针对性梳理了装配风险点并予以排除，确保(quèbǎo)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轨道运载能力提升至5.55吨，与天问二号探测器(tàncèqì)质量(zhìliàng)要求更贴合。 确保精确入轨方面，研制(yánzhì)团队在采用迭代制导技术的基础(jīchǔ)上，还运用了(le)末速修正技术，在分离前实时调整火箭的速度、姿态等，确保满足入轨精度要求。 不仅如此，研制人员经过多轮协调，将连续3个发射日每天(měitiān)一套(yītào)发射轨道程序简化为3天共用一套程序，大大精简了发射流程，提高火箭可靠性(kěkàoxìng)和任务适应性。 火箭(huǒjiàn)测控系统方面，西昌卫星发射中心(xīchāngwèixīngfāshèzhōngxīn)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弹道、飞行姿态以及(yǐjí)火箭内侧的气压、燃料使用情况、温度等指标，了解火箭整体飞行状态。 本次测控系统还进行了全自动(zìdòng)跟踪改造，借助(jièzhù)AI算法让测控系统自动进行跟踪捕获，减轻(jiǎnqīng)操作手压力，提高跟踪性能和应急情况处理能力。 火箭整体设计方面(fāngmiàn)，马忠权说：“多年来火箭外形延续经典，实际上，其(qí)内部的电气、动力、火工等系统和装置已历经三年(sānnián)的迭代升级(shēngjí)。”与此同时，型号团队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(zǔhé)化的设计思路，为全流程研制生产效率提速。”中国运载火箭技术研究院覃艺说(shuō)。 例如施行“去任务化”的设计研制(yánzhì)模式(móshì)，即火箭助推器、芯一级、芯二级、芯三级等产品都实现通用化和组批投产，提高(tígāo)生产效率，缩短履约周期。 再如施行批量生产(shēngchǎn)管理模式(guǎnlǐmóshì)，通过(tōngguò)系统综合试验、火箭总装和出厂测试并行开展，实施滚动出厂发射，实现流水线式柔性(róuxìng)作业的运载火箭批生产，达到年生产发射15发火箭的能力水平，更好应对任务需求。 后续探测、采样(cǎiyàng)阶段仍存不确定性 发射任务圆满成功(yuánmǎnchénggōng)仅仅是“第一步”。“天问二号任务技术难度大，工程(gōngchéng)风险高，设计任务周期10年左右，后续环节的不(bù)确定因素对于这场漫长征程来说是一场持续考验。”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(zài)入回收段、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。 在探测阶段，任务难点主要体现在时间周期长(zhōuqīzhǎng)，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(dìqiú)1800万至4600万公里，主带彗星311P距离地球1.5亿至5亿公里，距离地球远，通信存在较长(jiàozhǎng)延迟。这对能源管理、智能(zhìnéng)控制以及产品的寿命(shòumìng)、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(cǎiyòng)大面积圆形柔性太阳翼设计，实现能源供给与轻量化(qīngliànghuà)的效果。” 同时，探测器(tàncèqì)共配置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(zhǔdài)彗星进行光谱测量、光学成像、空间环境探测等，获取科学数据，为后续采样(cǎiyàng)环节奠定基础。 在采样阶段，难点一方面体现在目标天体的未知(wèizhī)特性。基于当前有限观测(guāncè)数据，人类对小行星2016HO3的形态特征，如形状、具体(jùtǐ)尺寸，表面物理状态，如物质组成等关键信息认知不足。这种(zhèzhǒng)不确定性对探测器自主化程度、多类型采样能力要求更高，以应对潜在的样本获取风险(fēngxiǎn)。 另一方面，还需要突破弱引力条件下的附着与采样难题。据了解，小行星2016HO3质量较小，几乎处于(yú)零重力环境，坚硬表面易造成探测器反弹，松散表面又难以阻止探测器下陷，加之其处于高速(gāosù)自转(zìzhuàn)状态，探测器的控制必须足够精确。因此(cǐ)，于有限时间内完成(wánchéng)采样任务(rènwù)并将样品装进容器(róngqì)难度较大。“针对此，我们在前期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。 在考验中积累宝贵经验和科学财富(cáifù) 曾福明表示，天问二号(èrhào)任务面临多重考验，是(shì)我国深空探索不断深入的重要实践，从中可以积累宝贵经验，不断对(duì)关键技术进行验证和创新。 这也是(shì)此次任务的工程目标之一——突破弱引力天体(tiāntǐ)表面取样、高精度相对自主导航(dǎoháng)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，天问二号任务在(zài)技术创新和科学产出上具有显著特点。 一方面创新小天体采样(cǎiyàng)方式，除触(chúchù)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等难题，探测器将采用“边飞边(biānfēibiān)探边决策”的策略(cèlüè)，获取目标天体特性信息后，在(zài)地面策略指导下基本自主开展目标天体的精准捕获、逐步接近、科学探测和(hé)样品采集。 锁定工程(gōngchéng)目标的同时，科学目标亦是(shì)此次任务的核心关键。天问二号任务工程副总(fùzǒng)师、中国科学院国家天文台研究员刘建军介绍，小行星是太阳系中一种非常独特的天体，形成(xíngchéng)于太阳系早期约45亿年前，没有经过类似于地球一样的演化过程，基本保持原有状态，对地球和(hé)太阳系的研究均具有重要意义。 而目标小行星2016HO3是在2016年发现的地球第5颗（共7颗）准卫星，非常稀缺(xīquē)，在上百万个(gè)小天体中(zhōng)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(qíngkuàng)了解甚少，具有很大的研究价值。 “主带彗星311P同样特殊，又称活跃(huóyuè)小行星(xiǎoxíngxīng)，其轨道位于主带小行星上，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(rènwù)地面应用系统总师(zǒngshī)、中国科学院国家天文台研究员苏彦说。 因此，天问二号探测任务的(de)科学目标聚焦于测定(cèdìng)小行星和主带(zhǔdài)彗星的多项物理(wùlǐ)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、热辐射特性等物理参数，开展轨道动力学研究；二是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(sānshì)开展样品的实验室(shíyànshì)分析研究，测定样品物理性质、化学与矿物成分，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(biǎoshì)，期待天问二号按计划(ànjìhuà)完成各项探测任务，取得更(gèng)多原创科学成果，揭开更多宇宙奥秘，增进人类认知。■