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(rènwù)目标是对(duì)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。这是我国首次(shǒucì)实施小行星采样返回任务，迈出了深空探测的新一步 天问二号任务技术难度大(dà)，工程风险高，设计任务周期10年左右(zuǒyòu)，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(wén) |《瞭望》新闻周刊记者 贾雯静 5月29日(rì)1时31分，辉光照亮夜空(yèkōng)。由中国航天科技集团所属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(qǐfēi)。 火箭飞行约18分钟后，将中国航天科技集团所属(suǒshǔ)中国空间技术研究院抓总研制的天问二号探测器(tàncèqì)送入地球(dìqiú)至小行星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，标志着我国天问二号探测任务顺利(shùnlì)启程，为后续深空(shēnkōng)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(de)行星探测工程，赓续中华文明对宇宙奥秘的追问。目前(mùqián)，天问一号探测器已获取(huòqǔ)珍贵火星原始科学数据。 如今，天问二号再(zài)次踏上星际探测征程，主要任务目标是对小行星2016HO3进行探测、取样(qǔyàng)并返回地球(dìqiú)，此后再对主带彗星311P开展科学探测。 国家航天局(guójiāhángtiānjú)局长单忠德表示，国家航天局牵头实施(shíshī)天问二号任务(rènwù)，推动星际探测征程接续前进，迈出了深空探测的(de)新一步。任务实施周期长，风险难度大，工程全线攻坚克难，协同攻关，确保了发射任务圆满成功。 我国在(zài)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(tàncè)工程天问二号探测器发射升空（2025 年 5 月(yuè) 29 日摄） 才扬摄 / 本刊 发射阶段面临三重挑战(tiǎozhàn) 天问二号任务(rènwù)的首道难关在于发射环节。 为顺利完成发射(fāshè)，本次行星探测任务(rènwù)选用的运载工具为长征三号甲系列运载火箭(huǒjiàn)三兄弟中(zhōng)“力气最大”的长三乙火箭，该火箭于1993年获批立项，自1996年首飞成功(chénggōng)至今，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，是我国宇航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(biǎoshì)，虽然已经执行(zhíxíng)了百余次发射任务，但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(tiǎozhàn)。 挑战一(yī)：速度要求更快。 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(sùdù)(sùdù)达第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物体在地球表面附近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，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(shí)速度须达到第二宇宙速度，最低要求为每秒11.2千米(qiānmǐ)。 “这对(duì)火箭的运载能力、履约能力等都提出了更高要求(yāoqiú)。”魏远明说。 挑战二：精度(jīngdù)要求更高。 “小行星体积小、质量小、引力弱，捕获(bǔhuò)难度大，对火箭入轨(rùguǐ)精度要求高。”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，才能将天问二号(èrhào)精准送入轨道(guǐdào)，否则可能会造成百万公里的级差。 难点三：发射(fāshè)窗口更窄。 小行星(xiǎoxíngxīng)2016HO3运行轨道较为特殊，一方面既像(xiàng)其他小行星一样环绕太阳运行，且公转周期与地球(dìqiú)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)与地球(dìqiú)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。 经过专家团队测算，此次发射任务的窗口期(chuāngkǒuqī)仅为5月29日到31日连续3天，每天(měitiān)只有4分钟。加之目标小行星与地球的相对位置处于变化之中，只有零窗口发射最(zuì)节省燃料，给型号团队带来(dàilái)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(rènwù)就“花落”长三乙火箭。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(gōngjiānkènán)，协同(xiétóng)攻关，确保火箭发射“万无一失”。 提高运载能力方面，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(yǔ)可靠性(kěkàoxìng)“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、增压输送、总装总测三大系统数十个重点关注项目(xiàngmù)，并对总装全过程状态从严要求，针对性(zhēnduìxìng)梳理了装配风险(fēngxiǎn)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(tóngbù)转移轨道运载能力提升至5.55吨，与天问二号(èrhào)探测器质量要求更贴合。 确保精确入轨方面，研制团队在采用(cǎiyòng)迭代制导技术的基础上，还(hái)运用了末速修正技术，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(yāoqiú)。 不仅如此，研制人员(rényuán)经过多轮协调，将连续3个发射(fāshè)日每天一套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(liúchéng)，提高火箭可靠性和任务适应性。 火箭测控系统(xìtǒng)方面，西昌卫星发射中心马忠权介绍，为满足零窗口发射需求，团队对(duì)测控设备精度不断进行调校，通过(tōngguò)测控火箭外侧的飞行弹道、飞行姿态以及火箭内侧的气压、燃料使用情况、温度等指标(zhǐbiāo)，了解火箭整体飞行状态。 本次测控系统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，减轻操作手压力，提高跟踪性能和(hé)应急(yìngjí)情况处理能力。 火箭整体设计方面，马忠权说：“多年来火箭外形延续经典，实际上，其内部(nèibù)的电气、动力、火工等系统和(hé)装置已历经三年(sānnián)的迭代升级。”与此同时，型号团队对箭上关键(guānjiàn)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。”中国(zhōngguó)运载火箭技术研究院(yánjiūyuàn)覃艺说。 例如施行“去任务化”的设计研制模式，即(jí)火箭助推器、芯一级(yījí)、芯二级、芯三级等产品都实现通用化(tōngyònghuà)和组批投产，提高生产效率，缩短履约周期。 再(zài)如施行批量生产管理模式，通过(tōngguò)系统综合试验、火箭(huǒjiàn)总装和出厂测试并行开展，实施滚动出厂发射(fāshè)，实现流水线式柔性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、采样阶段仍存不确定性(bùquèdìngxìng) 发射任务(rènwù)圆满成功仅仅是“第一步”。“天问二号(èrhào)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持续考验。”多位受访专家(zhuānjiā)提到。 天问二号任务共包含发射段(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(tàncè)段、小行星采样(cǎiyàng)段、返回(fǎnhuí)等待段、返回转移段、再入回收段、主带彗星转移段、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(tàncè)阶段，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(zhōngguóhángtiānkējìjítuán)曾福明说，小行星2016HO3距离(jùlí)地球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，通信存在较长延迟。这对能源管理、智能控制以及产品的(de)寿命、可靠性等方面都(dōu)提出了较高要求。 为应对此挑战，曾福(céngfú)明说：“本次任务创新性采用大面积圆形柔性(róuxìng)太阳翼设计，实现能源供给与轻量化的效果。” 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彗星进行光谱测量、光学成像、空间环境探测等(děng)，获取(huòqǔ)科学数据，为后续采样环节奠定基础。 在(zài)采样(cǎiyàng)阶段，难点一方面体现在目标天体的未知特性。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(xíngzhuàng)、具体尺寸，表面物理状态，如物质组成等关键信息认知不足。这种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(huòqǔ)风险。 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(chǔyú)零重力环境，坚硬表面易(yì)造成探测器反弹，松散表面又(yòu)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(zúgòu)精确。因此，于有限时间内完成(wánchéng)采样任务并将样品装进容器难度(nándù)较大。“针对此，我们在(zài)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(kǎoyàn)中积累宝贵经验和科学财富 曾福明表示，天问二号任务(rènwù)面临(miànlín)多重考验，是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(jīngyàn)，不断对关键技术进行验证和创新。 这也是此次任务(rènwù)的(de)工程目标之一——突破弱引力天体表面取样、高精度相对(xiāngduì)自主导航与控制、小推力转移轨道(guǐdào)设计等一系列关键技术。锚定这一工程目标，天问二号任务在技术创新和科学产出上具有显著特点。 一方面创新小(xiǎo)天体采样方式，除触碰采样方式外，天问(tiānwèn)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(jiāng)采用“边飞边探边决策”的策略(cèlüè)，获取目标天体特性信息(xìnxī)后，在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、科学探测和样品采集。 锁定工程目标的(de)同时，科学目标亦是此次(cǐcì)任务的核心关键。天问二号任务工程副总(fùzǒng)师、中(zhōng)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(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(xiǎo)行星2016HO3是在2016年(nián)发现的地球(dìqiú)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、构成等情况了解甚少，具有很大的研究价值。 “主带彗星311P同样特殊，又称活跃小行星，其轨道位于主带小行星上，同时具备彗星喷发的(de)特征，也(yě)承载着重要(zhòngyào)的科学探索(tànsuǒ)意义。”天问二号任务地面应用系统总师、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科学(kēxué)目标聚焦于测定小行星和主带(zhǔdài)(zhǔdài)彗星的多项物理参数(cānshù)。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；三是开展样品的实验室分析(fēnxī)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(tàiyángxì)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(tiānwèn)二号按计划(ànjìhuà)完成各项探测任务，取得更多原创(yuánchuàng)科学成果，揭开更多宇宙奥秘，增进人类认知。■