天問二號任務(wù)示意圖。圖片來源：國家航天局探月與航天工程中心
5月29日，中國行星探測工程天問二號探測器順利升空，小行星探測與采樣返回之旅由此開啟。
天問二號任務(wù)設(shè)計周期10年左右，主要任務(wù)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。繼嫦娥奔月、祝融探火之后，這是中國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？
天問二號任務(wù)工程目標是突破弱引力天體表面取樣、高精度相對自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計等一系列關(guān)鍵技術(shù)，同時為小行星起源及演化等前沿科學研究提供探測數(shù)據(jù)和珍貴樣品。
天問二號科學目標則聚焦于測定小行星和主帶彗星的多項物理參數(shù)。包括測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)，開展軌道動力學研究；開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；開展樣品的實驗室分析研究，測定樣品物理性質(zhì)、化學與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。
星辰萬象，為何天問二號要“追逐”這兩顆微小天體？國家航天局探月與航天工程中心副主任韓思遠說，2016HO3是地球的一顆“準衛(wèi)星”，其穩(wěn)定運行于地球軌道附近，公轉(zhuǎn)周期與地球公轉(zhuǎn)周期接近。該小行星軌道相對穩(wěn)定，經(jīng)過前期的軌道設(shè)計，探測器需相對較低的能量即可抵達，并為接續(xù)開展311P主帶彗星探測提供可行方案。
此外，根據(jù)前期科學研究，2016HO3很有可能保留著太陽系誕生之初的原始信息，對研究太陽系早期物質(zhì)組成、形成過程和演化歷史具有極高科研價值。
311P主帶彗星是運行于火星與木星軌道之間小行星帶中的小天體，同時具有傳統(tǒng)彗星的物質(zhì)構(gòu)成特征和小行星的軌道特征。對該主帶彗星進行探測，能夠促進我們對小天體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及演化機制等的探索。
13個階段接力，完成精準探測
發(fā)射成功，僅僅是天問二號深空之旅的起點。接下來，它將踏上艱巨而漫長的探測之路。
據(jù)航天科技集團曾福明介紹，天問二號任務(wù)共包含發(fā)射段、小行星轉(zhuǎn)移段、小行星接近段、小行星交會段、小行星近距探測段、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、主帶彗星交會段、主帶彗星近距探測段等13個飛行階段，技術(shù)難度大，工程風險高。
其中，小行星2016HO3探測包括9個階段，發(fā)射段順利完成后，探測器進入小行星轉(zhuǎn)移段。這一階段將持續(xù)約1年，其間需實施深空機動、中途修正等操作，直至距離小行星約3萬公里處。隨后依次進入小行星接近段、交會段、近距探測段，在近距探測段按照“邊飛邊探、逐步逼近”原則，對小行星開展懸停、主動繞飛等探測，確定采樣區(qū)后進入采樣段。
完成采樣任務(wù)后，探測器將經(jīng)歷返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段，在返回轉(zhuǎn)移段接近地球，返回艙與主探測器分離，之后獨自進入再入回收段，預(yù)計于2027年底著陸地球并完成回收。此后，主探測器則繼續(xù)飛行，前往主帶彗星311P，開展后續(xù)探測任務(wù)。
配備精良裝備，才能精準“問天”。中國航天科技集團專家陳春亮介紹，天問二號探測器上配置了中視場彩色相機、多光譜相機等11臺科學設(shè)備，助力探測器在飛行過程中對小行星和主帶彗星進行探測，獲取科學數(shù)據(jù)。
由于小天體引力非常弱小，堅硬表面易造成探測器反彈，而松散表面又難以阻止探測器下陷，探測器的控制必須精準。據(jù)介紹，探測器將采用“邊飛邊探邊決策”的策略，從距離目標天體約2000千米開始，基本自主開展目標天體精準捕獲、逐步接近、科學探測和樣品采集。
在取得小行星樣品后，科研人員將對樣品物理特性、化學與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面開展研究測定。“通過天問二號任務(wù)實施，我們有望在這兩類小天體的認知、起源、演化等方面取得科學研究突破?！表n思遠說。
從探火到探星，“天問”不斷升級
天問一號成功探火后，天問二號又面臨哪些全新的難題？韓思遠介紹，天問一號是中國首次實施的火星探測任務(wù)，通過一次任務(wù)實現(xiàn)了火星“繞、著、巡”探測。天問二號與天問一號的探測目標不同，涉及的技術(shù)難點也不相同。
首先，天問二號要實現(xiàn)弱引力條件下的采樣。根據(jù)目前的觀測數(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)，探測器需在這種復(fù)雜條件下，在有限時間內(nèi)完成穩(wěn)定附著及采樣，任務(wù)難度巨大。
天問二號任務(wù)距離跨度大也對工程提出了挑戰(zhàn)。2016HO3小行星距離地球約1800萬至4600萬公里，311P主帶彗星距離地球約1.5億至5億公里，因此通信存在較長延遲。距離地球遠、多目標探測、任務(wù)周期長，對軌道設(shè)計、能源管理、智能控制以及工作狀態(tài)的長壽命、高可靠等方面都提出了較高要求。
此外，探測目標天體特性存在不確定性。韓思遠說，根據(jù)現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)，對探測目標天體特性進行了計算，對于小行星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。
天問二號任務(wù)采用邊飛邊探邊決策的實施策略，提高了探測器智能化自主化程度。為有效應(yīng)對2016HO3小行星特性的不確定性，同時盡最大可能獲取小行星樣品，天問二號共設(shè)計了觸碰、懸停、附著3種采樣模式。
深空探測是全球科技競爭的制高點。2021年，天問一號成功落火，中國通過一次發(fā)射，實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測三大任務(wù)。陸續(xù)取得的科學成果，豐富了人類對火星演化歷史、環(huán)境變化規(guī)律、火星表面典型地形地貌成因等的認知。從月球到行星及小行星探測，中國深空探測正在走向更遠、更深的新階段，不斷推動著人類對太陽系和宇宙的理解和探索。
根據(jù)計劃，中國還將在2028年前后及2030年前后陸續(xù)發(fā)射天問三號和天問四號。其中天問三號作為中國第二次火星探測任務(wù)，確立生命痕跡探尋為第一科學目標，將突破火面采樣、火面起飛上升、環(huán)火交會和行星保護等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)火星樣品返回地球。天問四號則將對木星和木星的衛(wèi)星進行研究，對木星空間和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探測。
與此同時，天問三號任務(wù)將開展國際載荷合作、樣品和數(shù)據(jù)共享、未來規(guī)劃共同研究等三方面國際合作。隨著深空探測的時間表日漸清晰，中國人探索太空的腳步正邁得更大、更遠。（喻思南、李儀、張未、劉峣）
（責任編輯：蔡文斌）
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