2025年5月29日1時31分，長征三號乙遙一一〇運載火箭托舉天問二號探測器，從西昌衛星發射中心直上蒼穹。探測器精準進入預定軌道，開啟了為期十年的科學探索征程。天問二號的十年太空之旅會帶回什么？探索太陽系小天體又將為我國的深空探測打下哪些科學基礎？今天我們就來說一說。
天問二號任務并不是繼天問一號之后的第二次火星探測任務，而是中國行星探測工程的重要組成部分。該任務計劃通過單次發射，實現對近地小行星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探測。概括來說，這次行程是“一次往返加一次單程”。
天問二號發射入軌后，先用一年時間飛往第一個目標：近地小行星2016 HO3。這顆小行星圍繞太陽的公轉周期是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，都會一直和地球保持著38到100個地月距離，不即不離地跟著地球轉。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，也意味著它與地球的起源演變有著深厚的淵源。打個比方，它可能是地球的“發小”，也可能是地月系形成時的副產品。
天問二號到達近地小行星2016 HO3后，會以大約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，它一邊執行近距離探測任務，一邊選取合適的著陸取樣點。之后，探測器會從3公里遠的停泊點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，再用半年多時間返回地球。
不過，這次返回是“過家門而不入”：天問二號會放下一位“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，并在離子電推進系統的驅動下，迅速趕往下一個目的地，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，隨后在距離目標20公里處伴飛并開展近距離科學探測，直至任務結束。
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域（即“主帶”）里。2013年，科學家發現這顆小天體有著6條彗星一樣的尾巴，引發了許多有趣的問題。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”，那么可揮發物質是如何在離太陽這么近的地方幸存至今的？這一保存機制是否普遍？彗星在“蟄伏”期間的狀態是怎樣的？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，科學家對主帶彗星311P的探測結果寄予厚望。地球上的進一步觀測已表明，主帶彗星311P可能還有一顆衛星，這一發現為天問二號的探測任務提供了額外的研究價值，也帶來了更多技術挑戰。
小天體研究方向喜憂參半
天問二號的兩個探測目標都是太陽系小天體，而小天體的探測研究可以歸為兩個主要方面：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、化學性質改變最少，保留了太陽系形成早期的大量證據。
在航天科技發展以前，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。還有少數隕石是鐵隕石、石鐵隕石或非球粒隕石，為熔融分異的產物，經歷過各個成分熔融后逐次結晶的過程。它們的形成時代同樣也是45億年前的太陽系早期，但熔融結構講述的是另一個故事：這類隕石曾經處于某些小行星的內部，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生了熔融分異，有些卻沒有經歷過這種地質過程？熔融分異背后的物理機制是怎樣的？在太陽系內的時間和空間上有什么分布規律？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？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，又有一喜一憂兩個研究方向。
喜樂方向的研究是：地球形成之初是個熾熱干燥的巖質星球，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鍵條件。國際上現有對隕石和小行星樣品的研究也發現了多種多樣的有機物，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禍。著名的恐龍滅絕事件自不待言，上世紀初的通古斯大爆炸是科學昌明時代的第一聲警鐘，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之外，自身的形狀、密度、物質分布、自轉速率、轉軸朝向、表面溫度變化等都是改變其運行軌道的因素。認識這些因素對小天體軌道演化的影響，是預測、應對小天體撞擊風險的基礎。
此次，天問二號配置了10臺科學載荷與1臺搭載載荷，由表及里地對兩個小天體進行全方位的考察。這些載荷主要有以下考察內容和科學目的。
1.小天體的“長相” 中視場彩色相機、窄視場導航敏感器與激光一體化導航敏感器開展小天體形貌研究和軌道動力學研究，包括測量小天體與探測器之間的相對軌道、構建精細三維立體模型和取樣區的局部地形數據、測量小天體的形狀大小和自轉參數等基本物理特性。
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從多個波段建立小天體的表面溫度分布圖和熱慣量分布圖，采集表面光譜數據，用于研究小天體的物質成分，參與這方面研究的還有一臺旋轉衍射高光譜相機（搭載載荷）。此外，探測雷達用來摸清小天體表層和次表層的分層結構，開展小天體內部結構研究。
3.小天體的“生活”條件 這一任務兵分多路：磁強計采集剩磁、磁化強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通量分布、溫度、密度、速度等參數，以及主帶彗星附近的中性氣體成分與密度分布；噴發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境和可能存在的噴發物質。
創新取樣技術應對未知著陸情況
天問二號太空探索第一站近地小行星2016 HO3的取樣工作，是整個探測任務的重中之重，也是難度最大的一關。
小天體表面存在弱引力、不規則、物質特性未知等難點，這使得探測器著陸時存在反彈、傾倒、介質適應差而不能取樣的風險，并增加了返回難度。科學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撞擊。因為這顆小行星自轉相當快，28分鐘就能轉一圈，假如它是個直徑60米的球體，那么其赤道轉速是每秒11厘米，可能超過小行星的表面逃逸速度。此時，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，天問二號在技術上做了很多創新。針對可能發生的不同情況，天問二號設計了懸停、觸碰、附著3種取樣模式。以附著模式為例，附著取樣機器人的核心組成包括多關節機械臂和附著取樣器。4條機械臂均分布于探測器外圍，每條機械臂有4個關節，平時折疊，著陸前展開。機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，每條機械臂都是“手心里頭有張嘴”。探測器頂部設有壓力發動機，在著陸時可以提供一個按壓的力量，防止探測器反彈，并在著陸后提供附著取樣器“叮”進去的鉆壓力。同時，每條機械臂都能實時感知附著取樣器與小行星表面的接觸力，并通過關節反驅，對著陸沖擊進行耗散，就像我們從高處往下跳時彎腿緩沖一樣，實現主動軟著陸。
天問二號的橫向著陸速度設計為小于每秒5厘米，對于前面假設的“直徑60米球體”，預計會選擇高緯度著陸（此處的星表速度較低），并努力匹配小行星自轉，以規避橫向撞擊風險。附著取樣機器人還可以通過機械臂之間的步態協調及附著取樣器的多次附著，在小行星表面爬行，實現多點探測。
附著成功后，取樣就好辦些了。附著取樣器內部設計有超聲波鉆進機構和磨削清掃機構。前者可在小行星表面打孔，形成機械固連，后者可對打孔產生的樣品進行收集。磨削清掃機構也可以通過砂輪和毛刷，對整塊的硬質附著部位進行磨削取樣。
總之，天問二號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、最快的自轉速度等。科技工作者的奇思妙想，最終將靠探測器的實際表現來驗證。
構建太陽系探測的基本工程能力
天問二號是我國開展的首次小行星探測任務，并且目標一上來就是兩個知之甚少的天體，這在國際上能夠借鑒的經驗很有限，存在著諸多挑戰。
兩個天體不但未知因素很多，而且距離較遠，存在較大的通信延遲。從地球發往近地小行星2016 HO3的信號至少要走50秒，而發往主帶彗星311P的信號至少要走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大適應能力，能夠應對突發的各種未知情況。為了抵達主帶彗星311P，天問二號需在太陽風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巨大的考驗。
天問二號探測任務越過了火星軌道，目標遙遠并且尺度極小，對測控和導航精度提出了前所未有的要求。為了服務天問二號，我國升級了在探月工程和天問一號任務中屢建奇功的甚長基線干涉測量（VLBI）網絡，在日喀則和長白山啟動了兩座新的40米射電望遠鏡，使我國的VLBI網絡從“四站一中心”升級到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴至3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，測角能力優于2毫角秒（好比在北京察覺到廣州的一只貓動了動耳朵），為我國深空探測提供了更強的助力。
天問二號的小行星樣品返回艙也暗藏玄機。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、結構強度以及氣動過程穩定性等方面的要求均遠超以往任務。
我國行星探測工程的總體目標是要在2030年前后構建起太陽系探測的基本工程能力，帶動行星科學的發展進步。作為我國行星探測工程的重要組成部分，天問二號任務是對太陽系的又一次勇敢探索，必將系統促進行星科學基礎研究，推動深空探測技術的突破。
我國的天問二號一出馬就要探測兩個目標，這是有底氣的。早在2011年，已完成月球探測既定任務的嫦娥二號就開始了多個目標的航天實踐，它先到達150萬公里外的地月拉格朗日L2點，成為世界上首個從月球直接去L2點的航天器；2012年，它又從3.2公里遠的地方飛掠了小行星托塔蒂斯。所以，我國構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、驚險的設備救援，都是不斷積累、創新突破的良機。接下來的天問三號火星取樣返回、天問四號木星探測等任務，都將繼續踩實來時的道路，為后來者踏出新的方向。
（作者雷淼為中國科普作家協會會員）
2025年5月29日1時31分，長征三號乙遙一一〇運載火箭托舉天問二號探測器，從西昌衛星發射中心直上蒼穹。探測器精準進入預定軌道，開啟了為期十年的科學探索征程。天問二號的十年太空之旅會帶回什么？探索太陽系小天體又將為我國的深空探測打下哪些科學基礎？今天我們就來說一說。
天問二號任務并不是繼天問一號之后的第二次火星探測任務，而是中國行星探測工程的重要組成部分。該任務計劃通過單次發射，實現對近地小行星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探測。概括來說，這次行程是“一次往返加一次單程”。
天問二號發射入軌后，先用一年時間飛往第一個目標：近地小行星2016 HO3。這顆小行星圍繞太陽的公轉周期是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，都會一直和地球保持著38到100個地月距離，不即不離地跟著地球轉。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，也意味著它與地球的起源演變有著深厚的淵源。打個比方，它可能是地球的“發小”，也可能是地月系形成時的副產品。
天問二號到達近地小行星2016 HO3后，會以大約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，它一邊執行近距離探測任務，一邊選取合適的著陸取樣點。之后，探測器會從3公里遠的停泊點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，再用半年多時間返回地球。
不過，這次返回是“過家門而不入”：天問二號會放下一位“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，并在離子電推進系統的驅動下，迅速趕往下一個目的地，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，隨后在距離目標20公里處伴飛并開展近距離科學探測，直至任務結束。
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域（即“主帶”）里。2013年，科學家發現這顆小天體有著6條彗星一樣的尾巴，引發了許多有趣的問題。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”，那么可揮發物質是如何在離太陽這么近的地方幸存至今的？這一保存機制是否普遍？彗星在“蟄伏”期間的狀態是怎樣的？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，科學家對主帶彗星311P的探測結果寄予厚望。地球上的進一步觀測已表明，主帶彗星311P可能還有一顆衛星，這一發現為天問二號的探測任務提供了額外的研究價值，也帶來了更多技術挑戰。
小天體研究方向喜憂參半
天問二號的兩個探測目標都是太陽系小天體，而小天體的探測研究可以歸為兩個主要方面：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、化學性質改變最少，保留了太陽系形成早期的大量證據。
在航天科技發展以前，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。還有少數隕石是鐵隕石、石鐵隕石或非球粒隕石，為熔融分異的產物，經歷過各個成分熔融后逐次結晶的過程。它們的形成時代同樣也是45億年前的太陽系早期，但熔融結構講述的是另一個故事：這類隕石曾經處于某些小行星的內部，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生了熔融分異，有些卻沒有經歷過這種地質過程？熔融分異背后的物理機制是怎樣的？在太陽系內的時間和空間上有什么分布規律？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？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，又有一喜一憂兩個研究方向。
喜樂方向的研究是：地球形成之初是個熾熱干燥的巖質星球，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鍵條件。國際上現有對隕石和小行星樣品的研究也發現了多種多樣的有機物，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禍。著名的恐龍滅絕事件自不待言，上世紀初的通古斯大爆炸是科學昌明時代的第一聲警鐘，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之外，自身的形狀、密度、物質分布、自轉速率、轉軸朝向、表面溫度變化等都是改變其運行軌道的因素。認識這些因素對小天體軌道演化的影響，是預測、應對小天體撞擊風險的基礎。
此次，天問二號配置了10臺科學載荷與1臺搭載載荷，由表及里地對兩個小天體進行全方位的考察。這些載荷主要有以下考察內容和科學目的。
1.小天體的“長相” 中視場彩色相機、窄視場導航敏感器與激光一體化導航敏感器開展小天體形貌研究和軌道動力學研究，包括測量小天體與探測器之間的相對軌道、構建精細三維立體模型和取樣區的局部地形數據、測量小天體的形狀大小和自轉參數等基本物理特性。
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從多個波段建立小天體的表面溫度分布圖和熱慣量分布圖，采集表面光譜數據，用于研究小天體的物質成分，參與這方面研究的還有一臺旋轉衍射高光譜相機（搭載載荷）。此外，探測雷達用來摸清小天體表層和次表層的分層結構，開展小天體內部結構研究。
3.小天體的“生活”條件 這一任務兵分多路：磁強計采集剩磁、磁化強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通量分布、溫度、密度、速度等參數，以及主帶彗星附近的中性氣體成分與密度分布；噴發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境和可能存在的噴發物質。
創新取樣技術應對未知著陸情況
天問二號太空探索第一站近地小行星2016 HO3的取樣工作，是整個探測任務的重中之重，也是難度最大的一關。
小天體表面存在弱引力、不規則、物質特性未知等難點，這使得探測器著陸時存在反彈、傾倒、介質適應差而不能取樣的風險，并增加了返回難度。科學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撞擊。因為這顆小行星自轉相當快，28分鐘就能轉一圈，假如它是個直徑60米的球體，那么其赤道轉速是每秒11厘米，可能超過小行星的表面逃逸速度。此時，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，天問二號在技術上做了很多創新。針對可能發生的不同情況，天問二號設計了懸停、觸碰、附著3種取樣模式。以附著模式為例，附著取樣機器人的核心組成包括多關節機械臂和附著取樣器。4條機械臂均分布于探測器外圍，每條機械臂有4個關節，平時折疊，著陸前展開。機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，每條機械臂都是“手心里頭有張嘴”。探測器頂部設有壓力發動機，在著陸時可以提供一個按壓的力量，防止探測器反彈，并在著陸后提供附著取樣器“叮”進去的鉆壓力。同時，每條機械臂都能實時感知附著取樣器與小行星表面的接觸力，并通過關節反驅，對著陸沖擊進行耗散，就像我們從高處往下跳時彎腿緩沖一樣，實現主動軟著陸。
天問二號的橫向著陸速度設計為小于每秒5厘米，對于前面假設的“直徑60米球體”，預計會選擇高緯度著陸（此處的星表速度較低），并努力匹配小行星自轉，以規避橫向撞擊風險。附著取樣機器人還可以通過機械臂之間的步態協調及附著取樣器的多次附著，在小行星表面爬行，實現多點探測。
附著成功后，取樣就好辦些了。附著取樣器內部設計有超聲波鉆進機構和磨削清掃機構。前者可在小行星表面打孔，形成機械固連，后者可對打孔產生的樣品進行收集。磨削清掃機構也可以通過砂輪和毛刷，對整塊的硬質附著部位進行磨削取樣。
總之，天問二號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、最快的自轉速度等。科技工作者的奇思妙想，最終將靠探測器的實際表現來驗證。
構建太陽系探測的基本工程能力
天問二號是我國開展的首次小行星探測任務，并且目標一上來就是兩個知之甚少的天體，這在國際上能夠借鑒的經驗很有限，存在著諸多挑戰。
兩個天體不但未知因素很多，而且距離較遠，存在較大的通信延遲。從地球發往近地小行星2016 HO3的信號至少要走50秒，而發往主帶彗星311P的信號至少要走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大適應能力，能夠應對突發的各種未知情況。為了抵達主帶彗星311P，天問二號需在太陽風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巨大的考驗。
天問二號探測任務越過了火星軌道，目標遙遠并且尺度極小，對測控和導航精度提出了前所未有的要求。為了服務天問二號，我國升級了在探月工程和天問一號任務中屢建奇功的甚長基線干涉測量（VLBI）網絡，在日喀則和長白山啟動了兩座新的40米射電望遠鏡，使我國的VLBI網絡從“四站一中心”升級到“六站一中心”，等效口徑從3200公里擴至3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，測角能力優于2毫角秒（好比在北京察覺到廣州的一只貓動了動耳朵），為我國深空探測提供了更強的助力。
天問二號的小行星樣品返回艙也暗藏玄機。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、結構強度以及氣動過程穩定性等方面的要求均遠超以往任務。
我國行星探測工程的總體目標是要在2030年前后構建起太陽系探測的基本工程能力，帶動行星科學的發展進步。作為我國行星探測工程的重要組成部分，天問二號任務是對太陽系的又一次勇敢探索，必將系統促進行星科學基礎研究，推動深空探測技術的突破。
我國的天問二號一出馬就要探測兩個目標，這是有底氣的。早在2011年，已完成月球探測既定任務的嫦娥二號就開始了多個目標的航天實踐，它先到達150萬公里外的地月拉格朗日L2點，成為世界上首個從月球直接去L2點的航天器；2012年，它又從3.2公里遠的地方飛掠了小行星托塔蒂斯。所以，我國構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、驚險的設備救援，都是不斷積累、創新突破的良機。接下來的天問三號火星取樣返回、天問四號木星探測等任務，都將繼續踩實來時的道路，為后來者踏出新的方向。
（作者雷淼為中國科普作家協會會員）
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