天問(wèn)二號(hào)任務(wù)示意圖。圖片來(lái)源：國(guó)家航天局探月與航天工程中心
5月29日，中國(guó)行星探測(cè)工程天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器順利升空，小行星探測(cè)與采樣返回之旅由此開(kāi)啟。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)周期10年左右，主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、取樣并返回地球，此后再對(duì)主帶彗星311P開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。繼嫦娥奔月、祝融探火之后，這是中國(guó)人在浩瀚星宇的又一次重要探索之旅。
探索雙星，為何選中它們？
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)工程目標(biāo)是突破弱引力天體表面取樣、高精度相對(duì)自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為小行星起源及演化等前沿科學(xué)研究提供探測(cè)數(shù)據(jù)和珍貴樣品。
天問(wèn)二號(hào)科學(xué)目標(biāo)則聚焦于測(cè)定小行星和主帶彗星的多項(xiàng)物理參數(shù)。包括測(cè)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(kāi)展軌道動(dòng)力學(xué)研究；開(kāi)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；開(kāi)展樣品的實(shí)驗(yàn)室分析研究，測(cè)定樣品物理性質(zhì)、化學(xué)與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，開(kāi)展小行星和太陽(yáng)系早期的形成與演化研究。
星辰萬(wàn)象，為何天問(wèn)二號(hào)要“追逐”這兩顆微小天體？國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任韓思遠(yuǎn)說(shuō)，2016HO3是地球的一顆“準(zhǔn)衛(wèi)星”，其穩(wěn)定運(yùn)行于地球軌道附近，公轉(zhuǎn)周期與地球公轉(zhuǎn)周期接近。該小行星軌道相對(duì)穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)前期的軌道設(shè)計(jì)，探測(cè)器需相對(duì)較低的能量即可抵達(dá)，并為接續(xù)開(kāi)展311P主帶彗星探測(cè)提供可行方案。
此外，根據(jù)前期科學(xué)研究，2016HO3很有可能保留著太陽(yáng)系誕生之初的原始信息，對(duì)研究太陽(yáng)系早期物質(zhì)組成、形成過(guò)程和演化歷史具有極高科研價(jià)值。
311P主帶彗星是運(yùn)行于火星與木星軌道之間小行星帶中的小天體，同時(shí)具有傳統(tǒng)彗星的物質(zhì)構(gòu)成特征和小行星的軌道特征。對(duì)該主帶彗星進(jìn)行探測(cè)，能夠促進(jìn)我們對(duì)小天體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及演化機(jī)制等的探索。
13個(gè)階段接力，完成精準(zhǔn)探測(cè)
發(fā)射成功，僅僅是天問(wèn)二號(hào)深空之旅的起點(diǎn)。接下來(lái)，它將踏上艱巨而漫長(zhǎng)的探測(cè)之路。
據(jù)航天科技集團(tuán)曾福明介紹，天問(wèn)二號(hào)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(huì)段、小行星近距探測(cè)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(huì)段、主帶彗星近距探測(cè)段等13個(gè)飛行階段，技術(shù)難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高。
其中，小行星2016HO3探測(cè)包括9個(gè)階段，發(fā)射段順利完成后，探測(cè)器進(jìn)入小行星轉(zhuǎn)移段。這一階段將持續(xù)約1年，其間需實(shí)施深空機(jī)動(dòng)、中途修正等操作，直至距離小行星約3萬(wàn)公里處。隨后依次進(jìn)入小行星接近段、交會(huì)段、近距探測(cè)段，在近距探測(cè)段按照“邊飛邊探、逐步逼近”原則，對(duì)小行星開(kāi)展懸停、主動(dòng)繞飛等探測(cè)，確定采樣區(qū)后進(jìn)入采樣段。
完成采樣任務(wù)后，探測(cè)器將經(jīng)歷返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段，在返回轉(zhuǎn)移段接近地球，返回艙與主探測(cè)器分離，之后獨(dú)自進(jìn)入再入回收段，預(yù)計(jì)于2027年底著陸地球并完成回收。此后，主探測(cè)器則繼續(xù)飛行，前往主帶彗星311P，開(kāi)展后續(xù)探測(cè)任務(wù)。
配備精良裝備，才能精準(zhǔn)“問(wèn)天”。中國(guó)航天科技集團(tuán)專家陳春亮介紹，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器上配置了中視場(chǎng)彩色相機(jī)、多光譜相機(jī)等11臺(tái)科學(xué)設(shè)備，助力探測(cè)器在飛行過(guò)程中對(duì)小行星和主帶彗星進(jìn)行探測(cè)，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。
由于小天體引力非常弱小，堅(jiān)硬表面易造成探測(cè)器反彈，而松散表面又難以阻止探測(cè)器下陷，探測(cè)器的控制必須精準(zhǔn)。據(jù)介紹，探測(cè)器將采用“邊飛邊探邊決策”的策略，從距離目標(biāo)天體約2000千米開(kāi)始，基本自主開(kāi)展目標(biāo)天體精準(zhǔn)捕獲、逐步接近、科學(xué)探測(cè)和樣品采集。
在取得小行星樣品后，科研人員將對(duì)樣品物理特性、化學(xué)與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面開(kāi)展研究測(cè)定。“通過(guò)天問(wèn)二號(hào)任務(wù)實(shí)施，我們有望在這兩類小天體的認(rèn)知、起源、演化等方面取得科學(xué)研究突破?！表n思遠(yuǎn)說(shuō)。
從探火到探星，“天問(wèn)”不斷升級(jí)
天問(wèn)一號(hào)成功探火后，天問(wèn)二號(hào)又面臨哪些全新的難題？韓思遠(yuǎn)介紹，天問(wèn)一號(hào)是中國(guó)首次實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)，通過(guò)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星“繞、著、巡”探測(cè)。天問(wèn)二號(hào)與天問(wèn)一號(hào)的探測(cè)目標(biāo)不同，涉及的技術(shù)難點(diǎn)也不相同。
首先，天問(wèn)二號(hào)要實(shí)現(xiàn)弱引力條件下的采樣。根據(jù)目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷，2016HO3小行星的平均直徑約41米，幾乎處于零重力環(huán)境，加之小行星處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，探測(cè)器需在這種復(fù)雜條件下，在有限時(shí)間內(nèi)完成穩(wěn)定附著及采樣，任務(wù)難度巨大。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)距離跨度大也對(duì)工程提出了挑戰(zhàn)。2016HO3小行星距離地球約1800萬(wàn)至4600萬(wàn)公里，311P主帶彗星距離地球約1.5億至5億公里，因此通信存在較長(zhǎng)延遲。距離地球遠(yuǎn)、多目標(biāo)探測(cè)、任務(wù)周期長(zhǎng)，對(duì)軌道設(shè)計(jì)、能源管理、智能控制以及工作狀態(tài)的長(zhǎng)壽命、高可靠等方面都提出了較高要求。
此外，探測(cè)目標(biāo)天體特性存在不確定性。韓思遠(yuǎn)說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)探測(cè)目標(biāo)天體特性進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)于小行星2016HO3的自轉(zhuǎn)速度、表面狀態(tài)等具體情況仍存在一定的不確定性。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)采用邊飛邊探邊決策的實(shí)施策略，提高了探測(cè)器智能化自主化程度。為有效應(yīng)對(duì)2016HO3小行星特性的不確定性，同時(shí)盡最大可能獲取小行星樣品，天問(wèn)二號(hào)共設(shè)計(jì)了觸碰、懸停、附著3種采樣模式。
深空探測(cè)是全球科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。2021年，天問(wèn)一號(hào)成功落火，中國(guó)通過(guò)一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)三大任務(wù)。陸續(xù)取得的科學(xué)成果，豐富了人類對(duì)火星演化歷史、環(huán)境變化規(guī)律、火星表面典型地形地貌成因等的認(rèn)知。從月球到行星及小行星探測(cè)，中國(guó)深空探測(cè)正在走向更遠(yuǎn)、更深的新階段，不斷推動(dòng)著人類對(duì)太陽(yáng)系和宇宙的理解和探索。
根據(jù)計(jì)劃，中國(guó)還將在2028年前后及2030年前后陸續(xù)發(fā)射天問(wèn)三號(hào)和天問(wèn)四號(hào)。其中天問(wèn)三號(hào)作為中國(guó)第二次火星探測(cè)任務(wù)，確立生命痕跡探尋為第一科學(xué)目標(biāo)，將突破火面采樣、火面起飛上升、環(huán)火交會(huì)和行星保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球。天問(wèn)四號(hào)則將對(duì)木星和木星的衛(wèi)星進(jìn)行研究，對(duì)木星空間和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。
與此同時(shí)，天問(wèn)三號(hào)任務(wù)將開(kāi)展國(guó)際載荷合作、樣品和數(shù)據(jù)共享、未來(lái)規(guī)劃共同研究等三方面國(guó)際合作。隨著深空探測(cè)的時(shí)間表日漸清晰，中國(guó)人探索太空的腳步正邁得更大、更遠(yuǎn)。（喻思南、李儀、張未、劉峣）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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