和天問二號來一場“十年之約”
我國開啟小行星探測與采樣返回之旅
當人類將目光投向浩瀚深空，或許沒有什么比星際探索更令人心馳神往，但這也需要傾注超乎想象的耐心與堅持——眼下的天問二號任務，正是這樣一場探索之旅。
5月29日1時31分，西昌衛星發射中心，隨著撼天動地的轟鳴劃破長空，天問二號探測器搭乘長征三號乙運載火箭刺破云霄，踏上深空探測征程。
這是我國首次小行星采樣返回任務，也是繼天問一號火星探測之后，又一次行星際探測任務。在端午佳節到來之際，中國人再次向浩瀚蒼穹發出“天問”。如果說月球探測仍未擺脫地球引力，那么行星際探測在某種意義上才真正稱得上是走出地球“搖籃”。
這一“走”要持續約10年，跨越億萬公里：天問二號探測器將先與近地小行星2016HO3“共舞”，完成探測、取樣及返回地球的“星際快遞”使命；“分身”奔赴主帶彗星311P的軌道，開展對太陽系早期物質的“時空溯源”。
這場漫長的、需要極致耐心與堅韌毅力的星際遠征，有望在太陽系演化圖譜上鐫刻下中國印記。
為何是2016HO3這顆小行星
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介紹，小行星2016HO3是人類目前發現的地球準衛星之一。其保留著太陽系誕生之初的原始信息，是研究太陽系早期物質組成、形成過程和演化歷史的“活化石”，具有極高科研價值。
她告訴記者，天問二號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、同位素組成和結構構造，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、天問二號任務新聞發言人韓思遠表示，任務工程目標一是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，二是為小行星起源及演化等前沿科學研究提供探測數據和珍貴樣品。
作為“地球的鄰居”，這顆小行星位于距離地球約1800萬至4600萬公里的深空中，其軌道參數與地球幾乎相同，與地球同步繞太陽公轉。距離地球最近的時候，也有地月距離的40多倍。
探測難度不言而喻。與火星探測不同，小行星幾乎不存在重力場，這導致航天器無法像環繞行星那樣繞其飛行，只能在廣袤宇宙中精準追蹤并追上目標天體，實現與小行星的同軌探測，進而完成相關操作、擇機實施采樣。
國家航天局探月與航天工程中心有關專家介紹，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。
其中，小行星探測和采樣返回包括9個階段，發射段順利完成后，探測器進入小行星轉移段，這一階段將持續約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，確定采樣區后進入采樣段。完成采樣任務后，探測器將經歷返回等待段、返回轉移段，在返回轉移段接近地球，返回艙與主探測器分離，之后獨自進入再入回收段，預計于2027年年底著陸地球并完成回收。
此后，主探測器繼續飛行，前往主帶彗星311P，開展后續探測任務。
這是一個運行于火星與木星軌道間小行星帶內的小天體，距離地球約1.5億至5億公里。在蘇彥眼中，其兼具彗星的物質構成特征與小行星的軌道特征，開展探測有助于了解小天體的物質組成、結構以及演化機制，填補太陽系小天體研究領域的空白。
對于它的探測，仍需時光沉淀。當前，我們才邁出天問二號漫長探測過程的“第一步”。
小行星探測和采樣返回“第一步”
5月29日1時31分，長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心點火起飛，火箭飛行約18分鐘后，將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。
這是該系列運載火箭首次執行地球逃逸軌道發射任務。
此前，發射地球軌道范圍內的載荷，火箭分離速度為第一宇宙速度，即每秒7.9千米。但此次任務中，火箭分離時速度超過每秒11.2千米的第二宇宙速度，從而使探測器脫離地球引力，這需要極高的速度和能量。
中國航天科技集團專家魏遠明表示，長征三號乙運載火箭，是我國高軌發射的主力火箭，也是我國宇航發射次數最多的火箭，此前已完成108次發射，曾執行過嫦娥三號、嫦娥四號等探月工程任務。在綜合考量火箭運載能力、履約能力和可靠性等因素后，最終該火箭成為此次小行星探測之旅的“專屬座駕”。
他同時表示，目標小行星本身體積小、質量小、引力弱，捕獲難度大，對火箭入軌精度要求極高。
中國航天科技集團專家張亦樸告訴記者，地球逃逸軌道高度高，火箭要掙脫地心引力束縛所需的能量多、速度快，不到萬分之一速度差，都會造成探測器距離小行星百萬公里級誤差。
“火箭入軌時的速度超過每秒10公里，只有將誤差控制在每秒1米之內才能將天問二號探測器精準送入軌道。”張亦樸說。
他打了個比方：這樣的入軌精度，就好比在上海投出一個籃球，要投中位于北京的籃筐，還要保證籃球入筐時的飛行角度和速度。
作為小行星探測的“天梯”，長征三號乙運載火箭要跑好小行星探測“第一棒”，還面臨一個挑戰：任務發射窗口要求極高，5月29日起連續3天，每天只有4分鐘。
“由于目標小行星與地球的相對位置一直在變化，只有‘零窗口’發射最節省燃料。”張亦樸說，研制團隊針對連續3天的發射窗口，將原本每天1套、共計3套的火箭飛行程序，簡化為一套程序，進一步提高火箭可靠性和任務適應性。
他告訴記者，小行星探測任務相比常規發射受到更多約束，涉及火箭、載荷、測控、空間、時間等方面，相關設計工作量是以往的3倍，設計人員歷時兩年完成了多輪設計迭代，同時滿足了各方約束要求，實現火箭與探測器完美“交接班”。
“深空探測道阻且長，但我們終于邁出成功的第一步。”張亦樸說。
拓展深空探測邊界
在行星探測“旅途”中，天問二號探測器要脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間進行探測，其中一個目標所在軌道與太陽間距將達到約3.74億公里，較傳統繞地球衛星與太陽之間的距離更遠。
“距離遠、信號弱、延時大、頻段高，這是深空探測任務的重要挑戰。”中國電科網絡通信研究院專家高延生告訴記者，為給天問二號探測器提供通信支撐，我國研制的喀什4×35米深空天線組陣系統等深空探測設備，將參與發射、探測、取樣和返回等階段。
此次任務操作涵蓋探測、取樣、返回等環節，對地面通信系統要求更高。
中國電科10所專家盧歐欣補充道，佳木斯66米深空測控站作為主力測控站點，在其他陸海測控站的配合下，將發揮超強“聽診器”“遙控器”等作用，讓航天器完成調整姿態、軌道修正、點火制動等動作。
在跨越億萬公里的星際征途中，精準導航至關重要。去年12月27日，我國在上海松江、西藏日喀則、吉林長白山三地同步舉行日喀則和長白山40米射電望遠鏡落成啟用儀式，橫跨西南、東北的兩大深空探測“巨眼”正式啟用。
這兩臺望遠鏡的加入，同位于新疆烏魯木齊和上海天馬觀測臺站的望遠鏡一道“凝望”太空，加之上海數據處理中心，構成我國甚長基線干涉測量網參加天問二號任務。
在中國科學院上海天文臺射電天文科學與技術研究室主任鄭為民看來，我國甚長基線干涉測量網將像一組精準感受風箏方位的“智能牽線”——即使風箏飛入云端看不見，也能通過多根“線”(望遠鏡)的協同感知，算出它的位置和軌跡，保障小行星探測任務。
“這種跨越時空的守望，可大幅提高探測器關鍵段軌道精度，描繪天問二號探測器的星際航線，以更少燃料飛向更遠目標，讓人類探索宇宙的每一步都走得更穩、更遠。”鄭為民說。
“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。”國家航天局局長單忠德說，任務實施周期長，風險難度大，后續還將經歷10余個飛行階段。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。
發射成功僅是序章。接下來，是一場十年之約。
本報四川西昌5月29日電
中青報·中青網記者 邱晨輝來源：中國青年報