瞭望丨天问二号叩响中国小行星探测之门

◇天问(tiānwèn)二号(èrhào)主要任务目标是对小行星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。这是我国首次实施小行星采样(cǎiyàng)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(nián)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|《瞭望》新闻周刊记者 贾雯静(jiǎwénjìng) 我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将(jiāng)行星探测工程天问二号(èrhào)探测器发射升空（2025年(nián)5月29日摄）才扬摄/本刊 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中国空间技术研究院(zhōngguókōngjiānjìshùyánjiūyuàn)抓总研制的天问二号探测器送入地球至小行星2016HO3转移轨道(guǐdào)。此后，探测器太阳翼正常(zhèngcháng)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，为后续深空探索跑(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(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(yīhào)探测器已获取珍贵火星原始科学数据，形成了标准数据产品，火星探测持续走向深入。 如今(rújīn)，天问二号再次踏上星际探测征程，主要(zhǔyào)任务目标是对小行星2016HO3进行探测、取样并返回地球，此后再对主带彗星311P开展(kāizhǎn)科学探测。 国家航天局局长单忠德表示，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(xiétóng)攻关(gōngguān)，确保了发射任务圆满成功。 发射(fāshè)阶段面临三重挑战 天问二号任务的首道(shǒudào)难关在于发射环节。 为(wèi)顺利完成(wánchéng)(shùnlìwánchéng)发射，本次行星(xíngxīng)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(děng)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，虽然已经执行了(le)百余次发射任务，积累了丰富经验，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(miànlín)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(de)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匀速圆周(yúnsùyuánzhōu)运动所需的最小速度。 此次任务(rènwù)发射目标并非绕地球(dìqiú)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，火箭分离时速度须达到摆脱地球控制的第二宇宙速度，最低要求为每秒11.2千米。 “这对火箭的运载能力(nénglì)、履约能力等都提出了更高要求。”魏远明说(míngshuō)。 挑战二(èr)：精度要求更高。 “小行星本身体积小、质量小、引力弱，捕获难度(nándù)大，对火箭入轨精度要求高。”中国运载火箭(yùnzàihuǒjiàn)技术研究院张亦朴介绍，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。 这样严苛的精度要求形象来说，就好比在上海投出(chū)一个篮球，不仅(bùjǐn)要命中位于北京(běijīng)的篮筐，还需确保篮球入筐时的飞行角度与速度都恰到好处。 难点(nándiǎn)三：发射窗口更窄。 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，且公转周期与地球相近；另一方面从(cóng)地球上看，其轨道又围绕地球运行。 这种特殊运行轨迹使它与地球(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(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(cǐcì)发射任务的窗口(chuāngkǒu)期仅为5月29日到31日连续3天(tiān)，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，这一要求无疑给型号团队带来了更大的挑战。 多方协同、技术迭代(diédài)确保发射“万无一失” 早(zǎo)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，协同攻关，多(duō)举措确保火箭发射“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(tuánduì)于2020年开始实施运载能力与(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工作，确认了箭体结构、增压输送(shūsòng)、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(zhēnduìxìng)梳理了装配风险点并予以排除，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为贴合。 在(zài)执行此发(cǐfā)任务前，“双提升”后的长三甲系列火箭已经连续成功发射16次，不断验证着该工程的可靠性。 确保精确入轨方面，研制团队在采用迭代制导技术的基础上，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(mǎnzú)入轨精度要求(yāoqiú)。 不仅如此，研制人员经过(jīngguò)多轮协调，将连续3个发射日每天1套发射轨道程序(chéngxù)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(hé)任务适应性。 火箭测控系统方面，西昌卫星发射中心马忠权(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(wàicè)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(děng)指标，了解(liǎojiě)火箭整体飞行状态。 本次测控系统(xìtǒng)还进行了全自动跟踪改造，借助AI算法让(ràng)测控系统自动进行跟踪捕获(bǔhuò)，减轻操作手压力，提高跟踪性能和应急情况处理能力。 火箭整体设计方面，马忠权说：“多年来(lái)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的迭代升级。”与此同时，型号(xínghào)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(zhǎngsānyǐ)火箭还采用了通用化、系列化、组合化的设计思路，为全流程(liúchéng)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“去任务化”的设计研制模式，即火箭助推器、芯一级、芯二级、芯三级等产品都实现(shíxiàn)通用化和组批(zǔpī)投产，提高生产效率，缩短履约(lǚyuē)周期。 再如施行(shīxíng)批量生产管理模式，通过系统综合试验、火箭(huǒjiàn)总装和出厂测试并行开展，实施滚动出厂发射，实现流水线式柔性作业的运载火箭批生产，达到(dádào)年生产发射15发火箭的能力水平(shuǐpíng)，更好应对任务需求。 后续探测、采样阶段仍存不确定性(bùquèdìngxìng) 此次发射(fāshè)任务圆满成功，仅仅是天问二号任务漫长探测过程的“第一步”。“天问二号任务技术难度大(dà)，工程风险高(gāo)，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(yīchǎng)持续考验。”多位受访专家提到。 天问(tiānwèn)二号任务共包含发射段、小行星转移段、小行星接近(jiējìn)段、小行星交会段、小行星近距(jìnjù)探测段、小行星采样段、返回等待段、返回转移段、再入回收(huíshōu)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(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(jiào)长延迟。这对能源管理、智能控制(kòngzhì)以及产品的寿命(shòumìng)、可靠性等方面都提出了(le)较高要求。 为应(yīng)对此挑战，曾福明说：“本次任务创新性采用大面积扇形柔性太阳翼设计，实现能源供给(gōngjǐ)与轻量化的效果。” 同时，探测器共配置11台科学(kēxué)设备，这些先进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，为后续采样环节奠定基础(jīchǔ)。 在采样阶段，难点(nándiǎn)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、具体尺寸(chǐcùn)，表面物理状态，如物质组成等关键信息认知(rènzhī)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风险。 另一方面，还需要突破(tūpò)弱(ruò)引力条件下的附着与采样难题。据了(le)解，小行星2016HO3质量较小，几乎处于零(líng)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，加之其处于高速自转状态，探测器的控制必须足够精确。因此(cǐ)，于有限时间内完成采样任务并将样本装进容器难度(nándù)较大。“针对此，我们(wǒmen)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(kǎoyàn)中积累宝贵经验和科学财富 曾福明等受访专家表示，天问二号任务面临多重(duōzhòng)考验，是我国深空探索不断深入的重要实践，从中可以积累(jīlěi)宝贵(bǎoguì)经验，不断对关键技术进行验证和创新。 这也是此次任务的工程(gōngchéng)目标之一——突破弱引力(yǐnlì)天体表面取样、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(guānjiànjìshù)。锚定这一(zhèyī)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。 一方面创新小天体采样方式(fāngshì)，除触碰采样方式外，天问二号(èrhào)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(zhìnénghuà)航天器发展(fāzhǎn)，针对目标(mùbiāo)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，获取目标天体特性信息后，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(jiējìn)、科学探测和样品采集。 锁定工程目标(mùbiāo)的(de)(de)同时，科学目标亦(yì)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(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(kē)（共7颗）准卫星，非常稀缺，在上百万个小天体中万里(wànlǐ)挑一，科学家对其起源也(yě)众说纷纭，加上对其形状、构成等情况了解甚少(shǎo)，在科学上具有很大的研究价值。 “主带彗星311P同样具有特殊性，又称活跃小行星，其轨道位于(wèiyú)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。”天问二号任务地面应用(yìngyòng)系统总师、中国科学院(zhōngguókēxuéyuàn)国家天文台研究员苏彦说(sūyànshuō)。 因此，天问二号探测任务的(de)科学目标聚焦于测定小行星和主带彗星(huìxīng)的多项物理参数(cānshù)。一是测定小行星和主带彗星的轨道(guǐdào)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(yánjiū)；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(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(dānzhōngdé)表示，期待天问(tiānwèn)二号按计划完成(wánchéng)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。