天問二號叩響中國小行星探測之門

2025-06-11 10:01:52 來源：新華網

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天問二號主要任務目標是對小行星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，邁出了深空探測的新一步

天問二號任務技術難度大，工程風險高，設計任務周期10年左右，后續環節的不確定因素對于這場漫長征程來說是一場持續考驗

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），在西昌衛星發射中心烈焰中起飛。

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轉移軌道。此后，探測器太陽翼正常展開，發射任務取得圓滿成功，標志著我國天問二號探測任務順利啟程，為后續深空探索跑好關鍵“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據。

如今，天問二號再次踏上星際探測征程，主要任務目標是對小行星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，推動星際探測征程接續前進，邁出了深空探測的新一步。任務實施周期長，風險難度大，工程全線攻堅克難，協同攻關，確保了發射任務圓滿成功。

發射階段面臨三重挑戰

天問二號任務的首道難關在于發射環節。

為順利完成發射，本次行星探測任務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，曾執行過嫦娥三號、嫦娥四號等探月工程任務，此前已完成108次發射，是我國宇航發射次數最多的單一型號火箭。

中國航天科技集團魏遠明表示，雖然已經執行了百余次發射任務，但此次任務是長三乙火箭首次執行地球逃逸軌道發射，面臨新情況新挑戰。

挑戰一：速度要求更快。

魏遠明介紹，以往發射地球軌道范圍內的載荷時，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繞地球做勻速圓周運動所需的最小速度。

此次任務發射目標并非繞地球旋轉的衛星，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。

挑戰二：精度要求更高。

“小行星體積小、質量小、引力弱，捕獲難度大，對火箭入軌精度要求高。”中國運載火箭技術研究院張亦樸說，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繞太陽運行，且公轉周期與地球相近；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較為復雜，只有在特定時間段內，地球、探測器和小行星才能處于相對合適的位置關系，從而確保探測器能夠以更快的速度抵近小行星并實現有效探測。

經過專家團隊測算，此次發射任務的窗口期僅為5月29日到31日連續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，只有零窗口發射最節省燃料，給型號團隊帶來了更大的挑戰。

多方協同、技術迭代　確保發射“萬無一失”

早在2018年，天問二號的發射任務就“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“第一棒”，工程全線攻堅克難，協同攻關，確保火箭發射“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，完成了多條技術狀態變化的驗證工作，確認了箭體結構、增壓輸送、總裝總測三大系統數十個重點關注項目，并對總裝全過程狀態從嚴要求，針對性梳理了裝配風險點并予以排除，確保產品順利完成總裝測試。該工程后，長三乙火箭地球同步轉移軌道運載能力提升至5.55噸，與天問二號探測器質量要求更貼合。

確保精確入軌方面，研制團隊在采用迭代制導技術的基礎上，還運用了末速修正技術，在分離前實時調整火箭的速度、姿態等，確保滿足入軌精度要求。

不僅如此，研制人員經過多輪協調，將連續3個發射日每天一套發射軌道程序簡化為3天共用一套程序，大大精簡了發射流程，提高火箭可靠性和任務適應性。

火箭測控系統方面，西昌衛星發射中心馬忠權介紹，為滿足零窗口發射需求，團隊對測控設備精度不斷進行調校，通過測控火箭外側的飛行彈道、飛行姿態以及火箭內側的氣壓、燃料使用情況、溫度等指標，了解火箭整體飛行狀態。

本次測控系統還進行了全自動跟蹤改造，借助AI算法讓測控系統自動進行跟蹤捕獲，減輕操作手壓力，提高跟蹤性能和應急情況處理能力。

火箭整體設計方面，馬忠權說：“多年來火箭外形延續經典，實際上，其內部的電氣、動力、火工等系統和裝置已歷經三年的迭代升級。”與此同時，型號團隊對箭上關鍵產品優中選優、加嚴驗收、增加測試項目，嚴格控制火箭技術狀態變化。

此外，“長三乙火箭還采用了通用化、系列化、組合化的設計思路，為全流程研制生產效率提速。”中國運載火箭技術研究院覃藝說。

例如施行“去任務化”的設計研制模式，即火箭助推器、芯一級、芯二級、芯三級等產品都實現通用化和組批投產，提高生產效率，縮短履約周期。

再如施行批量生產管理模式，通過系統綜合試驗、火箭總裝和出廠測試并行開展，實施滾動出廠發射，實現流水線式柔性作業的運載火箭批生產，達到年生產發射15發火箭的能力水平，更好應對任務需求。

后續探測、采樣階段仍存不確定性

發射任務圓滿成功僅僅是“第一步”。“天問二號任務技術難度大，工程風險高，設計任務周期10年左右，后續環節的不確定因素對于這場漫長征程來說是一場持續考驗。”多位受訪專家提到。

天問二號任務共包含發射段、小行星轉移段、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、返回轉移段、再入回收段、主帶彗星轉移段、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，任務難點主要體現在時間周期長，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、智能控制以及產品的壽命、可靠性等方面都提出了較高要求。

為應對此挑戰，曾福明說：“本次任務創新性采用大面積圓形柔性太陽翼設計，實現能源供給與輕量化的效果。”

同時，探測器共配置11臺科學設備，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、空間環境探測等，獲取科學數據，為后續采樣環節奠定基礎。

在采樣階段，難點一方面體現在目標天體的未知特性。基于當前有限觀測數據，人類對小行星2016HO3的形態特征，如形狀、具體尺寸，表面物理狀態，如物質組成等關鍵信息認知不足。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。據了解，小行星2016HO3質量較小，幾乎處于零重力環境，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狀態，探測器的控制必須足夠精確。因此，于有限時間內完成采樣任務并將樣品裝進容器難度較大。“針對此，我們在前期已經進行了多次地面驗證，但仍然可能面臨未知情況。”中國航天科技集團陳春亮說。

在考驗中積累寶貴經驗和科學財富

曾福明表示，天問二號任務面臨多重考驗，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驗，不斷對關鍵技術進行驗證和創新。

這也是此次任務的工程目標之一——突破弱引力天體表面取樣、高精度相對自主導航與控制、小推力轉移軌道設計等一系列關鍵技術。錨定這一工程目標，天問二號任務在技術創新和科學產出上具有顯著特點。

一方面創新小天體采樣方式，除觸碰采樣方式外，天問二號任務還將根據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的核心關鍵。天問二號任務工程副總師、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，沒有經過類似于地球一樣的演化過程，基本保持原有狀態，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年發現的地球第5顆（共7顆）準衛星，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，同時具備彗星噴發的特征，也承載著重要的科學探索意義。”天問二號任務地面應用系統總師、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。一是測定小行星和主帶彗星的軌道參數、自轉參數、形狀大小、熱輻射特性等物理參數，開展軌道動力學研究；二是開展小行星和主帶彗星的形貌、物質組分、內部結構以及可能的噴發物等研究；三是開展樣品的實驗室分析研究，測定樣品物理性質、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，航天事業發展任重道遠，單忠德表示，期待天問二號按計劃完成各項探測任務，取得更多原創科學成果，揭開更多宇宙奧秘，增進人類認知。