2025年5月29日1時(shí)31分，長征三號(hào)乙遙一一〇運(yùn)載火箭托舉天問二號(hào)探測器，從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心直上蒼穹。探測器精準(zhǔn)進(jìn)入預(yù)定軌道，開啟了為期十年的科學(xué)探索征程。天問二號(hào)的十年太空之旅會(huì)帶回什么？探索太陽系小天體又將為我國的深空探測打下哪些科學(xué)基礎(chǔ)？今天我們就來說一說。
2025年5月29日1時(shí)31分，行星探測工程天問二號(hào)探測器發(fā)射升空。
天問二號(hào)任務(wù)并不是繼天問一號(hào)之后的第二次火星探測任務(wù)，而是中國行星探測工程的重要組成部分。該任務(wù)計(jì)劃通過單次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對近地小行星2016 HO3、主帶彗星311P/PanSTARRS（以下簡稱311P）這兩顆太陽系小天體的科學(xué)探測。概括來說，這次行程是“一次往返加一次單程”。
天問二號(hào)發(fā)射入軌后，先用一年時(shí)間飛往第一個(gè)目標(biāo)：近地小行星2016 HO3。這顆小行星圍繞太陽的公轉(zhuǎn)周期是365.77天，與地球的365.25天很接近。在高速公路上很難甩掉開得一樣快的車，在太陽系里也是如此。所以，近地小行星2016 HO3在今后300年內(nèi)，都會(huì)一直和地球保持著38到100個(gè)地月距離，不即不離地跟著地球轉(zhuǎn)。與地球距離較近，意味著這顆小行星比其他太陽系天體更易到達(dá)，也意味著它與地球的起源演變有著深厚的淵源。打個(gè)比方，它可能是地球的“發(fā)小”，也可能是地月系形成時(shí)的副產(chǎn)品。
天問二號(hào)到達(dá)近地小行星2016 HO3后，會(huì)以大約20公里的距離伴飛一年。在此期間，按照“邊飛邊探，逐步逼近”的原則，它一邊執(zhí)行近距離探測任務(wù)，一邊選取合適的著陸取樣點(diǎn)。之后，探測器會(huì)從3公里遠(yuǎn)的停泊點(diǎn)逐漸落到小行星表面，采集100克以上的小行星樣品。接下來，探測器回到停泊點(diǎn)，再用半年多時(shí)間返回地球。
不過，這次返回是“過家門而不入”：天問二號(hào)會(huì)放下一位“乘客”——小行星樣品返回艙，由地面科研人員接手，而探測器主體則利用地球的引力加速，并在離子電推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，迅速趕往下一個(gè)目的地，即主帶彗星311P。這段旅程十分漫長，探測器大約需要飛行7年才能到達(dá)，隨后在距離目標(biāo)20公里處伴飛并開展近距離科學(xué)探測，直至任務(wù)結(jié)束。
主帶彗星311P距離太陽約3.3億公里，處于火星與木星軌道之間的小行星密集區(qū)域（即“主帶”）里。2013年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆小天體有著6條彗星一樣的尾巴，引發(fā)了許多有趣的問題。比如，這顆小天體是主帶的原住民還是外來戶？如果它“生于斯，長于斯”，那么可揮發(fā)物質(zhì)是如何在離太陽這么近的地方幸存至今的？這一保存機(jī)制是否普遍？彗星在“蟄伏”期間的狀態(tài)是怎樣的？形成地球原始海洋的水有沒有主帶小行星的一份功勞？
可以說，科學(xué)家對主帶彗星311P的探測結(jié)果寄予厚望。地球上的進(jìn)一步觀測已表明，主帶彗星311P可能還有一顆衛(wèi)星，這一發(fā)現(xiàn)為天問二號(hào)的探測任務(wù)提供了額外的研究價(jià)值，也帶來了更多技術(shù)挑戰(zhàn)。
小天體研究方向喜憂參半
天問二號(hào)的兩個(gè)探測目標(biāo)都是太陽系小天體，而小天體的探測研究可以歸為兩個(gè)主要方面：一是太陽系的起源和演化，二是小天體對地球的影響。
在太陽系起源和演化領(lǐng)域，小天體一直是重要研究對象。
小天體是太陽系中最早形成的天體之一，它們各自圍繞太陽“索然無趣”地運(yùn)行了幾十億年，和大行星相比，這些原始天體在形成后的物理、化學(xué)性質(zhì)改變最少，保留了太陽系形成早期的大量證據(jù)。
在航天科技發(fā)展以前，人類近距離研究小天體的渠道只有隕石。大約80%的隕石是原始球粒隕石，形成于45億年前的太陽系早期，較完整地保留了太陽系原行星盤凝聚分餾和演化的歷史。還有少數(shù)隕石是鐵隕石、石鐵隕石或非球粒隕石，為熔融分異的產(chǎn)物，經(jīng)歷過各個(gè)成分熔融后逐次結(jié)晶的過程。它們的形成時(shí)代同樣也是45億年前的太陽系早期，但熔融結(jié)構(gòu)講述的是另一個(gè)故事：這類隕石曾經(jīng)處于某些小行星的內(nèi)部，是高溫的核或幔的一部分。那么，為什么有些小行星在太陽系早期發(fā)生了熔融分異，有些卻沒有經(jīng)歷過這種地質(zhì)過程？熔融分異背后的物理機(jī)制是怎樣的？在太陽系內(nèi)的時(shí)間和空間上有什么分布規(guī)律？小行星主帶上的眾多小天體是由大行星原星子破裂而成，還是由于諸多原因無法凝聚成大行星而保留了小天體形態(tài)？諸多問題的背后，或許埋藏著太陽系起源與演化過程的線索。
在小天體對地球的影響方面，又有一喜一憂兩個(gè)研究方向。
喜樂方向的研究是：地球形成之初是個(gè)熾熱干燥的巖質(zhì)星球，原始海洋的水很可能是由大量含水小天體撞擊帶來的，為地球上的生命化育提供了關(guān)鍵條件。國際上現(xiàn)有對隕石和小行星樣品的研究也發(fā)現(xiàn)了多種多樣的有機(jī)物，包括芳烴、羧酸、磺酸、富勒烯、脂肪烴、嘌呤、嘧啶以及幾十種氨基酸等，為地球生命起源提供了新思路。
而憂患方向的研究是：小行星撞擊事件給地球生命帶來的災(zāi)禍。著名的恐龍滅絕事件自不待言，上世紀(jì)初的通古斯大爆炸是科學(xué)昌明時(shí)代的第一聲警鐘，就連今年年初的小行星2024 YR4撞擊地球概率事件也把大家嚇了一大跳。小天體的運(yùn)行軌道很容易受到各種因素影響，除了其他天體施加的引力擾動(dòng)之外，自身的形狀、密度、物質(zhì)分布、自轉(zhuǎn)速率、轉(zhuǎn)軸朝向、表面溫度變化等都是改變其運(yùn)行軌道的因素。認(rèn)識(shí)這些因素對小天體軌道演化的影響，是預(yù)測、應(yīng)對小天體撞擊風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。
此次，天問二號(hào)配置了10臺(tái)科學(xué)載荷與1臺(tái)搭載載荷，由表及里地對兩個(gè)小天體進(jìn)行全方位的考察。這些載荷主要有以下考察內(nèi)容和科學(xué)目的。
1.小天體的“長相” 中視場彩色相機(jī)、窄視場導(dǎo)航敏感器與激光一體化導(dǎo)航敏感器開展小天體形貌研究和軌道動(dòng)力學(xué)研究，包括測量小天體與探測器之間的相對軌道、構(gòu)建精細(xì)三維立體模型和取樣區(qū)的局部地形數(shù)據(jù)、測量小天體的形狀大小和自轉(zhuǎn)參數(shù)等基本物理特性。
2.小天體的“體格” 熱輻射光譜儀、可見紅外成像光譜儀與多光譜相機(jī)從多個(gè)波段建立小天體的表面溫度分布圖和熱慣量分布圖，采集表面光譜數(shù)據(jù)，用于研究小天體的物質(zhì)成分，參與這方面研究的還有一臺(tái)旋轉(zhuǎn)衍射高光譜相機(jī)（搭載載荷）。此外，探測雷達(dá)用來摸清小天體表層和次表層的分層結(jié)構(gòu)，開展小天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。
3.小天體的“生活”條件 這一任務(wù)兵分多路：磁強(qiáng)計(jì)采集剩磁、磁化強(qiáng)度和帶電特性等信息；帶電粒子與中性粒子分析儀測量太陽風(fēng)通量分布、溫度、密度、速度等參數(shù)，以及主帶彗星附近的中性氣體成分與密度分布；噴發(fā)物分析儀測量塵埃粒子的物理特性、成分、含量和空間分布特征，用于研究小天體的空間環(huán)境和可能存在的噴發(fā)物質(zhì)。
創(chuàng)新取樣技術(shù)應(yīng)對未知著陸情況
天問二號(hào)太空探索第一站近地小行星2016 HO3的取樣工作，是整個(gè)探測任務(wù)的重中之重，也是難度最大的一關(guān)。
小天體表面存在弱引力、不規(guī)則、物質(zhì)特性未知等難點(diǎn)，這使得探測器著陸時(shí)存在反彈、傾倒、介質(zhì)適應(yīng)差而不能取樣的風(fēng)險(xiǎn)，并增加了返回難度?？茖W(xué)家目前對這顆小行星所知甚少，只能從亮度大致判斷它的尺寸在40米到100米，跟一棟普通的寫字樓差不多大。這么小的天體，表面重力只有地球的百萬分之一，與其說探測器“落”下去，還不如說是“貼”上去。此外，還要防備小天體對探測器的主動(dòng)撞擊。因?yàn)檫@顆小行星自轉(zhuǎn)相當(dāng)快，28分鐘就能轉(zhuǎn)一圈，假如它是個(gè)直徑60米的球體，那么其赤道轉(zhuǎn)速是每秒11厘米，可能超過小行星的表面逃逸速度。此時(shí)，若探測器不管不顧地登陸，很容易被它崎嶇的表面橫掃過來，撞回太空。
因此，天問二號(hào)在技術(shù)上做了很多創(chuàng)新。針對可能發(fā)生的不同情況，天問二號(hào)設(shè)計(jì)了懸停、觸碰、附著3種取樣模式。以附著模式為例，附著取樣機(jī)器人的核心組成包括多關(guān)節(jié)機(jī)械臂和附著取樣器。4條機(jī)械臂均分布于探測器外圍，每條機(jī)械臂有4個(gè)關(guān)節(jié)，平時(shí)折疊，著陸前展開。機(jī)械臂末端安裝有附著取樣器，兼具附著固定和取樣功能。也就是說，每條機(jī)械臂都是“手心里頭有張嘴”。探測器頂部設(shè)有壓力發(fā)動(dòng)機(jī)，在著陸時(shí)可以提供一個(gè)按壓的力量，防止探測器反彈，并在著陸后提供附著取樣器“叮”進(jìn)去的鉆壓力。同時(shí)，每條機(jī)械臂都能實(shí)時(shí)感知附著取樣器與小行星表面的接觸力，并通過關(guān)節(jié)反驅(qū)，對著陸沖擊進(jìn)行耗散，就像我們從高處往下跳時(shí)彎腿緩沖一樣，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)軟著陸。
天問二號(hào)的橫向著陸速度設(shè)計(jì)為小于每秒5厘米，對于前面假設(shè)的“直徑60米球體”，預(yù)計(jì)會(huì)選擇高緯度著陸（此處的星表速度較低），并努力匹配小行星自轉(zhuǎn)，以規(guī)避橫向撞擊風(fēng)險(xiǎn)。附著取樣機(jī)器人還可以通過機(jī)械臂之間的步態(tài)協(xié)調(diào)及附著取樣器的多次附著，在小行星表面爬行，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測。
附著成功后，取樣就好辦些了。附著取樣器內(nèi)部設(shè)計(jì)有超聲波鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)和磨削清掃機(jī)構(gòu)。前者可在小行星表面打孔，形成機(jī)械固連，后者可對打孔產(chǎn)生的樣品進(jìn)行收集。磨削清掃機(jī)構(gòu)也可以通過砂輪和毛刷，對整塊的硬質(zhì)附著部位進(jìn)行磨削取樣。
總之，天問二號(hào)的確面臨著一些特有的困難，如迄今最小的取樣天體、最弱的引力、最快的自轉(zhuǎn)速度等。科技工作者的奇思妙想，最終將靠探測器的實(shí)際表現(xiàn)來驗(yàn)證。
構(gòu)建太陽系探測的基本工程能力
天問二號(hào)是我國開展的首次小行星探測任務(wù)，并且目標(biāo)一上來就是兩個(gè)知之甚少的天體，這在國際上能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)很有限，存在著諸多挑戰(zhàn)。
兩個(gè)天體不但未知因素很多，而且距離較遠(yuǎn)，存在較大的通信延遲。從地球發(fā)往近地小行星2016 HO3的信號(hào)至少要走50秒，而發(fā)往主帶彗星311P的信號(hào)至少要走8分鐘。所以，探測器必須靈活健壯，具有迅速的自主決策能力和對各種處境的強(qiáng)大適應(yīng)能力，能夠應(yīng)對突發(fā)的各種未知情況。為了抵達(dá)主帶彗星311P，天問二號(hào)需在太陽風(fēng)和宇宙線肆虐的行星際空間長期飛行，這對探測器的可靠性也是個(gè)巨大的考驗(yàn)。
天問二號(hào)探測任務(wù)越過了火星軌道，目標(biāo)遙遠(yuǎn)并且尺度極小，對測控和導(dǎo)航精度提出了前所未有的要求。為了服務(wù)天問二號(hào)，我國升級(jí)了在探月工程和天問一號(hào)任務(wù)中屢建奇功的甚長基線干涉測量（VLBI）網(wǎng)絡(luò)，在日喀則和長白山啟動(dòng)了兩座新的40米射電望遠(yuǎn)鏡，使我國的VLBI網(wǎng)絡(luò)從“四站一中心”升級(jí)到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴(kuò)至3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，測角能力優(yōu)于2毫角秒（好比在北京察覺到廣州的一只貓動(dòng)了動(dòng)耳朵），為我國深空探測提供了更強(qiáng)的助力。
天問二號(hào)的小行星樣品返回艙也暗藏玄機(jī)。它與主探測器分離后，將以每秒12公里的速度彈道式再入大氣層，這是我國首次超第二宇宙速度地球再入，屆時(shí)返回艙將承受每平方米12兆瓦的最大熱流，并在約2倍音速下開傘，這對返回艙的防熱隔熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及氣動(dòng)過程穩(wěn)定性等方面的要求均遠(yuǎn)超以往任務(wù)。
我國行星探測工程的總體目標(biāo)是要在2030年前后構(gòu)建起太陽系探測的基本工程能力，帶動(dòng)行星科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步。作為我國行星探測工程的重要組成部分，天問二號(hào)任務(wù)是對太陽系的又一次勇敢探索，必將系統(tǒng)促進(jìn)行星科學(xué)基礎(chǔ)研究，推動(dòng)深空探測技術(shù)的突破。
我國的天問二號(hào)一出馬就要探測兩個(gè)目標(biāo)，這是有底氣的。早在2011年，已完成月球探測既定任務(wù)的嫦娥二號(hào)就開始了多個(gè)目標(biāo)的航天實(shí)踐，它先到達(dá)150萬公里外的地月拉格朗日L2點(diǎn)，成為世界上首個(gè)從月球直接去L2點(diǎn)的航天器；2012年，它又從3.2公里遠(yuǎn)的地方飛掠了小行星托塔蒂斯。所以，我國構(gòu)建太陽系探測的基本工程能力一直在積攢，每次成功的航天任務(wù)、驚險(xiǎn)的設(shè)備救援，都是不斷積累、創(chuàng)新突破的良機(jī)。接下來的天問三號(hào)火星取樣返回、天問四號(hào)木星探測等任務(wù)，都將繼續(xù)踩實(shí)來時(shí)的道路，為后來者踏出新的方向。
（作者雷淼為中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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