瞭望｜天问二号叩响中国小行星探测之门

天问二号主要(zhǔyào)任务目标是对小行星2016HO3进行探测、取样并返回地球，此后(cǐhòu)再对主带彗星311P开展科学探测。这是我国首次实施(shíshī)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，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(zhèchǎng)漫长征程(zhēngchéng)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1时31分，辉光照亮夜空。由中(zhōng)国航天科技集团所属中国(zhōngguó)运载火箭技术(jìshù)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(wèi)后续(hòuxù)深空探索跑(pǎo)好关键“第一棒”。 自2020年中国航天日启动“天问”系列以来(yǐlái)，这一以屈原诗句命名的行星探测(tàncè)工程，赓续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(xiǎoxíngxīng)2016HO3进行探测、取样并返回地球，此后再对主带彗星(huìxīng)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天问二号任务(rènwù)，推动星际探测征程接续前进，迈出了(le)深空探测的新一步。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(yuánmǎnchénggōng)。 我国(wǒguó)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(èrhào)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，本次行星探测任务选用的运载工具为长征三(sān)号甲系列运载火箭(yùnzàihuǒjiàn)三兄弟中“力气(lìqì)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(cìshù)最多(zuìduō)的单一型号火箭。 中国航天科技集团魏远明表示，虽然已经执行了百余次发射任务(rènwù)，但此次任务是(shì)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：速度要求更快(kuài)。 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7.9千米即可，此(cǐ)速度是物体在地球表面附近环绕地球做(zuò)匀速圆周运动(yùndòng)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(wánquán)脱离地球引力控制进入逃逸轨道，火箭(huǒjiàn)分离时速度须达到(dádào)第二宇宙速度，最低要求为每秒11.2千米。 “这(zhè)对火箭的运载能力、履约能力等都提出了(le)更高要求。”魏远明说。 挑战二(èr)：精度要求更高。 “小行星体积小、质量(zhìliàng)小、引力弱，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(zhāngyìpǔ)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，才能将天问二号精准送入轨道，否则可能会造成百万公里的级差。 难点三：发射窗口(chuāngkǒu)更窄。 小行星(xiǎoxíngxīng)2016HO3运行轨道较为特殊(tèshū)，一方面既像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与地球的(de)相对位置和运动状态(zhuàngtài)较为复杂，只有在特定时间段内，地球、探测器和小行星才能处于相对合适的位置关系，从而确保(quèbǎo)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仅为5月29日到(rìdào)31日连续3天，每天(měitiān)只有(zhǐyǒu)4分钟。加之目标小行星与地球的相对位置处于变化之中，只有零窗口发射最节省燃料，给型号(xínghào)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(tiānwèn)二号(èrhào)的发射任务就“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，协同攻关，确保火箭发射“万无一失(wànwúyīshī)”。 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“双(shuāng)提升”工程，完成了多条(duōtiáo)技术状态变化的验证(yànzhèng)工作，确认(quèrèn)了箭体(jiàntǐ)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(yǔyǐ)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轨道运载能力提升至5.55吨，与天问二号探测器质量要求更贴合。 确保(quèbǎo)精确入轨方面，研制团队在采用迭代制导技术(zhìdǎojìshù)的基础上，还运用了末速修正技术，在分离前实时调整火箭的速度(sùdù)、姿态等，确保满足入轨精度要求。 不仅如此，研制人员经过多轮协调，将(jiāng)连续3个发射日每天一套(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，提高火箭可靠性和任务(rènwù)适应性。 火箭测控系统方面，西昌卫星发射中心(xīchāngwèixīngfāshèzhōngxīn)马忠权介绍，为(wèi)满足零窗口发射需求，团队对测控设备精度不断进行调校(diàoxiào)，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跟踪改造(gǎizào)，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(xìngnéng)和应急情况处理能力。 火箭整体设计方面，马忠权说：“多年(duōnián)来火箭外形延续经典(jīngdiǎn)，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，型号团队对箭上关键产品优中选优、加严(jiāyán)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(hái)采用了通用化、系列化、组合化的设计思路(sīlù)，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。 例如施行“去(qù)任务化”的设计研制模式，即(jí)火箭助推器、芯一级、芯二级、芯三级等产品都实现通用化和(hé)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(xìtǒng)综合试验、火箭总装和出厂测试并行开展，实施滚动出厂发(fā)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(fāshè)15发火箭的能力水平，更好应对任务需求。 后续(hòuxù)探测、采样阶段仍存不确定性 发射任务圆满成功仅仅是“第一步(dìyībù)”。“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(de)不确定因素对于这场漫长征程来说(láishuō)是一场持续考验。”多位受访专家提到。 天问二号(èrhào)任务共包含发射段(duàn)、小行星(xiǎoxíngxīng)转移段、小行星接近段、小行星交会(jiāohuì)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。中国航天科技集团曾福明说(míngshuō)，小行星2016HO3距离地球1800万至(wànzhì)4600万公里(wàngōnglǐ)，主带彗星311P距离地球1.5亿至5亿公里，距离地球远，通信(tōngxìn)存在较长延迟。这对能源管理、智能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(tiǎozhàn)，曾福明说：“本次任务创新性采用大面积圆形柔性太阳翼设计，实现能源供给与(yǔ)轻量化的效果。” 同时，探测器共(gòng)配置11台科学(kēxué)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(guāngpǔcèliáng)、光学成像、空间环境探测等，获取科学数据，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未知特性。基于当前(dāngqián)有限观测数据，人类对(duì)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(yāoqiú)更高(gènggāo)，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难题。据了解，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反弹，松散表面又(yòu)难以(nányǐ)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(yǒuxiàn)时间内(nèi)完成采样任务并将样品装进容器难度较大。“针对(zhēnduì)此，我们在前期已经进行了多次地面验证，但(dàn)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(zhōng)积累宝贵经验和科学财富 曾福明表示，天问二号任务面临多重考验，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(jīngyàn)，不断对关键技术(guānjiànjìshù)进行验证和创新。 这也是此次任务的工程目标之一——突破(tūpò)弱引力天体(tiāntǐ)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(tiānwèn)二号任务在技术创新(jìshùchuàngxīn)和科学产出上具有显著特点。 一方面创新小天体采样方式，除触碰采样方式外，天问二号任务还将根据(gēnjù)探测具体情况(jùtǐqíngkuàng)实施悬停采样以及附着采样。 另一方面推动智能化(zhìnénghuà)航天器发展(fāzhǎn)，针对目标天体特性未知等难题，探测器将采用“边飞边探边决策”的策略，获取(huòqǔ)目标天体特性信息后，在地面(dìmiàn)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(gōngchéng)目标的同时，科学目标亦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非常独特的天体，形成于(yú)太阳系早期约45亿年前，没有(méiyǒu)经过类似(lèisì)于地球一样的演化过程，基本保持原有状态，对地球和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(zhǔn)卫星，非常稀缺，在上百万个小天体(tiāntǐ)中万里挑一(tiāoyī)，科学家对(duì)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(yòuchēng)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特征，也(yě)承载着重要的科学探索(tànsuǒ)意义。”天问二号任务地面应用系统总师、中国科学院(zhōngguókēxuéyuàn)国家天文台研究员苏彦说。 因此，天问二号探测任务的科学目标聚焦于测定小行星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(zìzhuàn)参数、形状大小、热辐射特性等(děng)物理参数，开展(kāizhǎn)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(yàngpǐn)的实验室分析研究，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(ànjìhuà)完成各项探测任务，取得更多原创科学成果，揭开更多宇宙奥秘，增进人类认知(rènzhī)。■