天問二號叩響中國小行星探測之門

天問二號主要任務(wù)目標是對小行星2016HO3進行探測、取樣并返回地球，此后再對主帶彗星311P開展科學探測。這是我國首次實施小行星采樣返回任務(wù)，邁出了深空探測的新一步

天問二號任務(wù)技術(shù)難度大，工程風險高，設(shè)計任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對于這場漫長征程來說是一場持續(xù)考驗

文 |《瞭望》新聞周刊記者 賈雯靜

5月29日1時31分，輝光照亮夜空。由中國航天科技集團所屬中國運載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長征三號乙Y110運載火箭（下稱長三乙火箭），在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心烈焰中起飛。

火箭飛行約18分鐘后，將中國航天科技集團所屬中國空間技術(shù)研究院抓總研制的天問二號探測器送入地球至小行星2016HO3轉(zhuǎn)移軌道。此后，探測器太陽翼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，標志著我國天問二號探測任務(wù)順利啟程，為后續(xù)深空探索跑好關(guān)鍵“第一棒”。

自2020年中國航天日啟動“天問”系列以來，這一以屈原詩句命名的行星探測工程，賡續(xù)中華文明對宇宙奧秘的追問。目前，天問一號探測器已獲取珍貴火星原始科學數(shù)據(jù)。

如今，天問二號再次踏上星際探測征程，主要任務(wù)目標是對小行星2016HO3進行探測、取樣并返回地球，此后再對主帶彗星311P開展科學探測。

國家航天局局長單忠德表示，國家航天局牽頭實施天問二號任務(wù)，推動星際探測征程接續(xù)前進，邁出了深空探測的新一步。任務(wù)實施周期長，風險難度大，工程全線攻堅克難，協(xié)同攻關(guān)，確保了發(fā)射任務(wù)圓滿成功。

我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功將行星探測工程天問二號探測器發(fā)射升空（2025年5月29日攝） 才揚攝 / 本刊

發(fā)射階段面臨三重挑戰(zhàn)

天問二號任務(wù)的首道難關(guān)在于發(fā)射環(huán)節(jié)。

為順利完成發(fā)射，本次行星探測任務(wù)選用的運載工具為長征三號甲系列運載火箭三兄弟中“力氣最大”的長三乙火箭，該火箭于1993年獲批立項，自1996年首飛成功至今，承擔了多個國家重大工程任務(wù)，曾執(zhí)行過嫦娥三號、嫦娥四號等探月工程任務(wù)，此前已完成108次發(fā)射，是我國宇航發(fā)射次數(shù)最多的單一型號火箭。

中國航天科技集團魏遠明表示，雖然已經(jīng)執(zhí)行了百余次發(fā)射任務(wù)，但此次任務(wù)是長三乙火箭首次執(zhí)行地球逃逸軌道發(fā)射，面臨新情況新挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：速度要求更快。

魏遠明介紹，以往發(fā)射地球軌道范圍內(nèi)的載荷時，火箭分離速度達第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物體在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動所需的最小速度。

此次任務(wù)發(fā)射目標并非繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，航天器必須完全脫離地球引力控制進入逃逸軌道，火箭分離時速度須達到第二宇宙速度，最低要求為每秒11.2千米。

“這對火箭的運載能力、履約能力等都提出了更高要求。”魏遠明說。

挑戰(zhàn)二：精度要求更高。

“小行星體積小、質(zhì)量小、引力弱，捕獲難度大，對火箭入軌精度要求高?！敝袊\載火箭技術(shù)研究院張亦樸說，此次火箭入軌速度達到每秒11.2千米的同時，速度偏差不能超過1米，才能將天問二號精準送入軌道，否則可能會造成百萬公里的級差。

難點三：發(fā)射窗口更窄。

小行星2016HO3運行軌道較為特殊，一方面既像其他小行星一樣環(huán)繞太陽運行，且公轉(zhuǎn)周期與地球相近；另一方面，其軌道又圍繞地球運行。

這種特殊運行軌跡使它與地球的相對位置和運動狀態(tài)較為復雜，只有在特定時間段內(nèi)，地球、探測器和小行星才能處于相對合適的位置關(guān)系，從而確保探測器能夠以更快的速度抵近小行星并實現(xiàn)有效探測。

經(jīng)過專家團隊測算，此次發(fā)射任務(wù)的窗口期僅為5月29日到31日連續(xù)3天，每天只有4分鐘。加之目標小行星與地球的相對位置處于變化之中，只有零窗口發(fā)射最節(jié)省燃料，給型號團隊帶來了更大的挑戰(zhàn)。

多方協(xié)同、技術(shù)迭代 確保發(fā)射“萬無一失”

早在2018年，天問二號的發(fā)射任務(wù)就“花落”長三乙火箭。為確保其可靠、精準、準時跑好天問二號任務(wù)“第一棒”，工程全線攻堅克難，協(xié)同攻關(guān)，確保火箭發(fā)射“萬無一失”。

提高運載能力方面，針對長征三號甲系列運載火箭，型號團隊于2020年實施運載能力與可靠性“雙提升”工程，完成了多條技術(shù)狀態(tài)變化的驗證工作，確認了箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送、總裝總測三大系統(tǒng)數(shù)十個重點關(guān)注項目，并對總裝全過程狀態(tài)從嚴要求，針對性梳理了裝配風險點并予以排除，確保產(chǎn)品順利完成總裝測試。該工程后，長三乙火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力提升至5.55噸，與天問二號探測器質(zhì)量要求更貼合。

確保精確入軌方面，研制團隊在采用迭代制導技術(shù)的基礎(chǔ)上，還運用了末速修正技術(shù)，在分離前實時調(diào)整火箭的速度、姿態(tài)等，確保滿足入軌精度要求。

不僅如此，研制人員經(jīng)過多輪協(xié)調(diào)，將連續(xù)3個發(fā)射日每天一套發(fā)射軌道程序簡化為3天共用一套程序，大大精簡了發(fā)射流程，提高火箭可靠性和任務(wù)適應(yīng)性。

火箭測控系統(tǒng)方面，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心馬忠權(quán)介紹，為滿足零窗口發(fā)射需求，團隊對測控設(shè)備精度不斷進行調(diào)校，通過測控火箭外側(cè)的飛行彈道、飛行姿態(tài)以及火箭內(nèi)側(cè)的氣壓、燃料使用情況、溫度等指標，了解火箭整體飛行狀態(tài)。

本次測控系統(tǒng)還進行了全自動跟蹤改造，借助AI算法讓測控系統(tǒng)自動進行跟蹤捕獲，減輕操作手壓力，提高跟蹤性能和應(yīng)急情況處理能力。

火箭整體設(shè)計方面，馬忠權(quán)說：“多年來火箭外形延續(xù)經(jīng)典，實際上，其內(nèi)部的電氣、動力、火工等系統(tǒng)和裝置已歷經(jīng)三年的迭代升級?！迸c此同時，型號團隊對箭上關(guān)鍵產(chǎn)品優(yōu)中選優(yōu)、加嚴驗收、增加測試項目，嚴格控制火箭技術(shù)狀態(tài)變化。

此外，“長三乙火箭還采用了通用化、系列化、組合化的設(shè)計思路，為全流程研制生產(chǎn)效率提速?！敝袊\載火箭技術(shù)研究院覃藝說。

例如施行“去任務(wù)化”的設(shè)計研制模式，即火箭助推器、芯一級、芯二級、芯三級等產(chǎn)品都實現(xiàn)通用化和組批投產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，縮短履約周期。

再如施行批量生產(chǎn)管理模式，通過系統(tǒng)綜合試驗、火箭總裝和出廠測試并行開展，實施滾動出廠發(fā)射，實現(xiàn)流水線式柔性作業(yè)的運載火箭批生產(chǎn)，達到年生產(chǎn)發(fā)射15發(fā)火箭的能力水平，更好應(yīng)對任務(wù)需求。

后續(xù)探測、采樣階段仍存不確定性

發(fā)射任務(wù)圓滿成功僅僅是“第一步”。“天問二號任務(wù)技術(shù)難度大，工程風險高，設(shè)計任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對于這場漫長征程來說是一場持續(xù)考驗?！倍辔皇茉L專家提到。

天問二號任務(wù)共包含發(fā)射段、小行星轉(zhuǎn)移段、小行星接近段、小行星交會段、小行星近距探測段、小行星采樣段、返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段、再入回收段、主帶彗星轉(zhuǎn)移段、主帶彗星接近段、主帶彗星交會段、主帶彗星近距探測段等13個飛行階段。

在探測階段，任務(wù)難點主要體現(xiàn)在時間周期長，能源需求量大。中國航天科技集團曾福明說，小行星2016HO3距離地球1800萬至4600萬公里，主帶彗星311P距離地球1.5億至5億公里，距離地球遠，通信存在較長延遲。這對能源管理、智能控制以及產(chǎn)品的壽命、可靠性等方面都提出了較高要求。

為應(yīng)對此挑戰(zhàn)，曾福明說：“本次任務(wù)創(chuàng)新性采用大面積圓形柔性太陽翼設(shè)計，實現(xiàn)能源供給與輕量化的效果?！?/p>

同時，探測器共配置11臺科學設(shè)備，將助力探測器在飛行過程中對小行星和主帶彗星進行光譜測量、光學成像、空間環(huán)境探測等，獲取科學數(shù)據(jù)，為后續(xù)采樣環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

在采樣階段，難點一方面體現(xiàn)在目標天體的未知特性。基于當前有限觀測數(shù)據(jù)，人類對小行星2016HO3的形態(tài)特征，如形狀、具體尺寸，表面物理狀態(tài)，如物質(zhì)組成等關(guān)鍵信息認知不足。這種不確定性對探測器自主化程度、多類型采樣能力要求更高，以應(yīng)對潛在的樣本獲取風險。

另一方面，還需要突破弱引力條件下的附著與采樣難題。據(jù)了解，小行星2016HO3質(zhì)量較小，幾乎處于零重力環(huán)境，堅硬表面易造成探測器反彈，松散表面又難以阻止探測器下陷，加之其處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，探測器的控制必須足夠精確。因此，于有限時間內(nèi)完成采樣任務(wù)并將樣品裝進容器難度較大?！搬槍Υ耍覀冊谇捌谝呀?jīng)進行了多次地面驗證，但仍然可能面臨未知情況?！敝袊教炜萍技瘓F陳春亮說。

在考驗中積累寶貴經(jīng)驗和科學財富

曾福明表示，天問二號任務(wù)面臨多重考驗，是我國深空探索不斷深入的重要實踐，從中可以積累寶貴經(jīng)驗，不斷對關(guān)鍵技術(shù)進行驗證和創(chuàng)新。

這也是此次任務(wù)的工程目標之一——突破弱引力天體表面取樣、高精度相對自主導航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計等一系列關(guān)鍵技術(shù)。錨定這一工程目標，天問二號任務(wù)在技術(shù)創(chuàng)新和科學產(chǎn)出上具有顯著特點。

一方面創(chuàng)新小天體采樣方式，除觸碰采樣方式外，天問二號任務(wù)還將根據(jù)探測具體情況實施懸停采樣以及附著采樣。

另一方面推動智能化航天器發(fā)展，針對目標天體特性未知等難題，探測器將采用“邊飛邊探邊決策”的策略，獲取目標天體特性信息后，在地面策略指導下基本自主開展目標天體的精準捕獲、逐步接近、科學探測和樣品采集。

鎖定工程目標的同時，科學目標亦是此次任務(wù)的核心關(guān)鍵。天問二號任務(wù)工程副總師、中國科學院國家天文臺研究員劉建軍介紹，小行星是太陽系中一種非常獨特的天體，形成于太陽系早期約45億年前，沒有經(jīng)過類似于地球一樣的演化過程，基本保持原有狀態(tài)，對地球和太陽系的研究均具有重要意義。

而目標小行星2016HO3是在2016年發(fā)現(xiàn)的地球第5顆（共7顆）準衛(wèi)星，非常稀缺，在上百萬個小天體中萬里挑一，科學家對其起源也眾說紛紜，加上對其形狀、構(gòu)成等情況了解甚少，具有很大的研究價值。

“主帶彗星311P同樣特殊，又稱活躍小行星，其軌道位于主帶小行星上，同時具備彗星噴發(fā)的特征，也承載著重要的科學探索意義?！碧靻柖柸蝿?wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學院國家天文臺研究員蘇彥說。

因此，天問二號探測任務(wù)的科學目標聚焦于測定小行星和主帶彗星的多項物理參數(shù)。一是測定小行星和主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小、熱輻射特性等物理參數(shù)，開展軌道動力學研究；二是開展小行星和主帶彗星的形貌、物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能的噴發(fā)物等研究；三是開展樣品的實驗室分析研究，測定樣品物理性質(zhì)、化學與礦物成分，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。

深空探測道阻且長，航天事業(yè)發(fā)展任重道遠，單忠德表示，期待天問二號按計劃完成各項探測任務(wù)，取得更多原創(chuàng)科學成果，揭開更多宇宙奧秘，增進人類認知。