解碼天問二號太空之旅——
一場充滿挑戰(zhàn)的“星際馬拉松”
■解放軍報記者 劉丹
天問二號探測器發(fā)射升空。新華社發(fā)
5月29日凌晨，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征三號乙運載火箭托舉著天問二號探測器，掙脫地球引力，向深邃的宇宙空間飛去。
5年前，我國的行星探測任務(wù)正式被命名為“天問”。同年7月23日，天問一號奔向火星。作為我國行星探測工程的首次任務(wù)，天問一號實現(xiàn)了通過一次發(fā)射完成對火星環(huán)繞、著陸和巡視3項任務(wù)，這在世界火星探測史上絕無僅有。
此次，天問二號的主要任務(wù)目標(biāo)是對小行星2016HO3進行探測、采樣，然后探測器與返回艙分離，返回艙將其所采樣品送回地球。隨后，探測器繼續(xù)前往主帶彗星311P開展科學(xué)探測。
那么，此次任務(wù)為什么把這兩顆星球作為主要探測目標(biāo)？其背后的科學(xué)價值有哪些？探測過程中需要攻克哪些難關(guān)？對未來的行星探測具有哪些重要意義？請看本期關(guān)注。
研究太陽系和地球起源的“活化石”
進入科學(xué)時代以來，人類對小行星的關(guān)注，曾長久彌漫著憂懼之情。
小行星如同宇宙中沉默的游蕩者，軌道難以捉摸，被科學(xué)家形象地稱為“近地天體”。
1994年，“蘇梅克-列維9號”彗星撞擊木星。這一駭人景象讓世人驚覺，于是全球天文學(xué)家們建立起“哨兵網(wǎng)絡(luò)”，持續(xù)監(jiān)測、計算著成千上萬顆近地小天體的軌道數(shù)據(jù)，預(yù)測它們與地球未來的“親密程度”。
正是這種不懈的觀測，讓2016HO3這顆獨特的小行星進入了人類的視野。
這顆直徑僅相當(dāng)于足球場大小的天體，因其距離地球較近，與地球共享公轉(zhuǎn)軌道，被科學(xué)家稱為“準(zhǔn)衛(wèi)星”。
這種若即若離的引力羈絆，使其成為人類探索近地小天體的絕佳目標(biāo)。更重要的是，探測小行星2016HO3有可能為科學(xué)家研究太陽系和地球的起源提供重要的信息。
科學(xué)家推測，小行星2016HO3表面可能保存著太陽系形成初期的原始物質(zhì)，其形成原因甚至可能追溯到月球形成早期的撞擊碎片。
天問二號任務(wù)副總工程師、中國科學(xué)院國家天文臺研究員劉建軍介紹，當(dāng)天問二號返回艙帶著“宇宙快遞”返回地球，這些來自小行星2016HO3的塵埃與碎石，或?qū)⒔沂咎栂敌纬沙跗诘奈镔|(zhì)分布規(guī)律，甚至為月球起源的“大碰撞假說”提供直接證據(jù)，成為科學(xué)家研究太陽系和地球起源的“活化石”。
到那時，科學(xué)家們的疑問或?qū)⒈灰灰黄平猓哼@些小行星由何種原始物質(zhì)構(gòu)成？小行星上是否含有水冰或有機分子等生命起源的關(guān)鍵“原料”？探測結(jié)果是否有助于揭示早期太陽星云的凝聚與碰撞歷史？作為一顆在獨特軌道上長期受地球引力影響的小行星，小行星2016HO3上是否存在標(biāo)記與地球特殊空間環(huán)境作用的物質(zhì)？
每一次分析，都將聆聽來自46億年前的“宇宙低語”。
據(jù)介紹，當(dāng)天問二號完成對小行星2016HO3的采樣后，它的探測器還將轉(zhuǎn)向火星與木星之間的小行星帶，繼續(xù)探訪主帶彗星311P。
這顆編號為311P/PANSTARRS的天體，是人類發(fā)現(xiàn)的第七顆主帶彗星，顛覆了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知：它位于距離太陽更近的小行星帶，卻能像彗星般噴發(fā)出六條螺旋狀彗尾。
傳統(tǒng)理論認(rèn)為，小行星帶因靠近太陽難以保留水冰，但主帶彗星311P的塵埃尾中可能含有水分子。這暗示小行星帶上可能存在冰質(zhì)天體。
屆時，天問二號將首次近距離觀測主帶彗星311P的噴發(fā)機制，探索其塵埃尾中是否存在有機分子。這對于理解地球起源、理解彗星與小行星的演化關(guān)系和太陽系揮發(fā)性物質(zhì)分布等，將具有重要意義。
攜帶多種科學(xué)設(shè)備應(yīng)對挑戰(zhàn)
對于天問二號探測器來說，從地球出發(fā)，抵達小行星2016HO3和主帶彗星311P所在的軌道，將是一場充滿挑戰(zhàn)的“星際馬拉松”。
首先要精確計算出發(fā)時間。
以小行星2016HO3為例。目標(biāo)星體與地球的相對位置一直在變化，這對天問二號任務(wù)的發(fā)射窗口要求極高。據(jù)悉，從5月29日到31日連續(xù)3天，每天只有4分鐘的發(fā)射窗口。
這種“精確”，好比一個始自上海的籃球，被精準(zhǔn)地“投”進北京籃球場的籃筐內(nèi)。
其次，從地球到小行星2016HO3的距離長達數(shù)億公里，耗時可能一年以上。
為何需要這么久？
小行星2016HO3表面不規(guī)則，自轉(zhuǎn)速度快至28分鐘/圈，表面引力僅為地球百萬分之一。
基于此，天問二號探測器無法依靠引力吸附小行星，只能主動“擁抱”這顆高速旋轉(zhuǎn)的星體。此外，地球與小行星2016HO3雖然都繞太陽公轉(zhuǎn)，但二者相位差異巨大，探測器需要突破數(shù)億公里航程，精準(zhǔn)鎖定一個僅足球場大小的天體。
與此同時，天問二號還必須獨自應(yīng)對深空中的極端溫度變化、強烈的宇宙射線轟擊以及微流星體等的潛在威脅。
為了應(yīng)對這些威脅以及獲取寶貴的科研數(shù)據(jù)，探測器上配備了多種先進科學(xué)設(shè)備。
據(jù)了解，天問二號探測器上配置了中視場彩色相機、多光譜相機、可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀、窄視場導(dǎo)航敏感器、激光一體化導(dǎo)航敏感器、旋轉(zhuǎn)衍射高光譜相機等多臺科學(xué)設(shè)備。
其中，各種不同的相機宛如天問二號明察秋毫的“眼睛”，能夠從遙遠(yuǎn)距離捕捉小行星2016HO3的清晰影像，細(xì)致描繪其地形地貌；紅外成像光譜儀等則如同探測器的“鼻子”，能“嗅到”并分析小行星表面物質(zhì)的成分，揭示其組成物質(zhì)的奧秘。
此外，為了應(yīng)對漫長旅程和復(fù)雜任務(wù)，天問二號探測器上還裝備了強大的能源系統(tǒng)——巨大的圓形太陽能帆板，確保探測器在遠(yuǎn)離太陽時也能獲得充足能量；配備了高效推進系統(tǒng)，提供精確的軌道修正和姿態(tài)控制能力，使探測器能在茫茫宇宙中精準(zhǔn)航行。
當(dāng)天問二號探測器飛至主帶彗星311P時，遠(yuǎn)離太陽使探測器需要更多的能源支持。巨大的圓形太陽能帆板應(yīng)用了特別的能源控制技術(shù)，即便與太陽越來越遠(yuǎn)，探測器依舊具有飛往深空的能力。
此次天問二號的探測任務(wù)雖然周期長、目標(biāo)遠(yuǎn)，給航天科研人員帶來了不小的挑戰(zhàn)和壓力，但同時也提供了一個得天獨厚的技術(shù)試驗場——空間推進技術(shù)、空間能源技術(shù)、表面附著技術(shù)、微重力條件下采樣技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，都可以通過這次任務(wù)一試身手。
遙望太空，多種精密科學(xué)設(shè)備協(xié)同工作，幫助天問二號完成這場漫長的“星際馬拉松”，揭開太陽系小天體的神秘面紗，也為未來火星取樣的返回任務(wù)、小行星防御在軌驗證任務(wù)等鋪就基石。
也正因此，此次天問二號任務(wù)工程目標(biāo)被明確為兩點：一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)；二是為小行星起源及演化等前沿科學(xué)研究提供探測數(shù)據(jù)和珍貴樣品。
茫茫太空，探索永不止步
此次任務(wù)中，有一個數(shù)字引發(fā)人們的熱議與感嘆：天問二號探測器此次任務(wù)的設(shè)計周期，長達“10年左右”。
其中，小行星2016HO3探測和采樣返回包括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)約一年，期間需要實施深空機動、中途修正等操作，直到行至距離小行星約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，天問二號對小行星開展懸停、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)。
這將是怎樣的10年！凝望天問二號遠(yuǎn)去的航跡，人們看到的不僅是一個探測器10年不間斷的孤獨遠(yuǎn)征，更是人類對探索太空中未知的孜孜不倦的永恒渴望。
星辰并非遙不可及。天問二號探測器重約2.1噸，整個探測器翼展長達15米。茫茫宇宙中，天問二號探測器會不斷調(diào)整姿態(tài)，伸出機械臂，用小小的身軀拓展人類探索未知的邊界。
人類對未知的探索永不止步。
在天問二號探測器發(fā)射之前，我們已經(jīng)發(fā)射了天問一號火星探測器，實現(xiàn)了在火星表面的軟著陸；祝融號火星車實現(xiàn)了對火星表面巡視探測……
茫茫太空，中國航天探索的腳步越走越遠(yuǎn)。
伴隨著中國航天行星探測工程研制能力不斷迭代、不斷進步，中國航天器一次次踏上穿越星際之旅，為人類揭開一個又一個關(guān)于宇宙的奧秘。