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。