天问二号任务示意图。图片来源：国家航天局探月与航天工程中心
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5月29日，中国行星探测工程天问二号探测器顺利升空，小行星探测与采样返回之旅由此开启。
天问二号任务设计周期10年左右，主要任务目标是对小行星2016HO3进行探测、取样并返回地球，此后再对主带彗星311P开展科学探测。继嫦娥奔月、祝融探火之后，这是中国人在浩瀚星宇的又一次重要探索之旅。
探索双星，为何选中它们？
天问二号任务工程目标是突破弱引力天体表面取样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道设计等一系列关键技术，同时为小行星起源及演化等前沿科学研究提供探测数据和珍贵样品。
天问二号科学目标则聚焦于测定小行星和主带彗星的多项物理参数。包括测定小行星和主带彗星的轨道参数、自转参数、形状大小、热辐射特性等物理参数，开展轨道动力学研究；开展小行星和主带彗星的形貌、物质组分、内部结构以及可能的喷发物等研究；开展样品的实验室分析研究，测定样品物理性质、化学与矿物成分、同位素组成和结构构造，开展小行星和太阳系早期的形成与演化研究。
星辰万象，为何天问二号要“追逐”这两颗微小天体？国家航天局探月与航天工程中心副主任韩思远说，2016HO3是地球的一颗“准卫星”，其稳定运行于地球轨道附近，公转周期与地球公转周期接近。该小行星轨道相对稳定，经过前期的轨道设计，探测器需相对较低的能量即可抵达，并为接续开展311P主带彗星探测提供可行方案。
此外，根据前期科学研究，2016HO3很有可能保留着太阳系诞生之初的原始信息，对研究太阳系早期物质组成、形成过程和演化历史具有极高科研价值。
311P主带彗星是运行于火星与木星轨道之间小行星带中的小天体，同时具有传统彗星的物质构成特征和小行星的轨道特征。对该主带彗星进行探测，能够促进我们对小天体物质组成、结构以及演化机制等的探索。
13个阶段接力，完成精准探测
发射成功，仅仅是天问二号深空之旅的起点。接下来，它将踏上艰巨而漫长的探测之路。
据航天科技集团曾福明介绍，天问二号任务共包含发射段、小行星转移段、小行星接近段、小行星交会段、小行星近距探测段、小行星采样段、返回等待段、返回转移段、再入回收段、主带彗星转移段、主带彗星接近段、主带彗星交会段、主带彗星近距探测段等13个飞行阶段，技术难度大，工程风险高。
其中，小行星2016HO3探测包括9个阶段，发射段顺利完成后，探测器进入小行星转移段。这一阶段将持续约1年，其间需实施深空机动、中途修正等操作，直至距离小行星约3万公里处。随后依次进入小行星接近段、交会段、近距探测段，在近距探测段按照“边飞边探、逐步逼近”原则，对小行星开展悬停、主动绕飞等探测，确定采样区后进入采样段。
完成采样任务后，探测器将经历返回等待段、返回转移段，在返回转移段接近地球，返回舱与主探测器分离，之后独自进入再入回收段，预计于2027年底着陆地球并完成回收。此后，主探测器则继续飞行，前往主带彗星311P，开展后续探测任务。
配备精良装备，才能精准“问天”。中国航天科技集团专家陈春亮介绍，天问二号探测器上配置了中视场彩色相机、多光谱相机等11台科学设备，助力探测器在飞行过程中对小行星和主带彗星进行探测，获取科学数据。
由于小天体引力非常弱小，坚硬表面易造成探测器反弹，而松散表面又难以阻止探测器下陷，探测器的控制必须精准。据介绍，探测器将采用“边飞边探边决策”的策略，从距离目标天体约2000千米开始，基本自主开展目标天体精准捕获、逐步接近、科学探测和样品采集。
在取得小行星样品后，科研人员将对样品物理特性、化学与矿物成分、同位素组成和结构构造等方面开展研究测定。“通过天问二号任务实施，我们有望在这两类小天体的认知、起源、演化等方面取得科学研究突破。”韩思远说。
从探火到探星，“天问”不断升级
天问一号成功探火后，天问二号又面临哪些全新的难题？韩思远介绍，天问一号是中国首次实施的火星探测任务，通过一次任务实现了火星“绕、着、巡”探测。天问二号与天问一号的探测目标不同，涉及的技术难点也不相同。
首先，天问二号要实现弱引力条件下的采样。根据目前的观测数据判断，2016HO3小行星的平均直径约41米，几乎处于零重力环境，加之小行星处于高速自转状态，探测器需在这种复杂条件下，在有限时间内完成稳定附着及采样，任务难度巨大。
天问二号任务距离跨度大也对工程提出了挑战。2016HO3小行星距离地球约1800万至4600万公里，311P主带彗星距离地球约1.5亿至5亿公里，因此通信存在较长延迟。距离地球远、多目标探测、任务周期长，对轨道设计、能源管理、智能控制以及工作状态的长寿命、高可靠等方面都提出了较高要求。
此外，探测目标天体特性存在不确定性。韩思远说，根据现有观测数据，对探测目标天体特性进行了计算，对于小行星2016HO3的自转速度、表面状态等具体情况仍存在一定的不确定性。
天问二号任务采用边飞边探边决策的实施策略，提高了探测器智能化自主化程度。为有效应对2016HO3小行星特性的不确定性，同时尽最大可能获取小行星样品，天问二号共设计了触碰、悬停、附着3种采样模式。
深空探测是全球科技竞争的制高点。2021年，天问一号成功落火，中国通过一次发射，实现火星环绕、着陆、巡视探测三大任务。陆续取得的科学成果，丰富了人类对火星演化历史、环境变化规律、火星表面典型地形地貌成因等的认知。从月球到行星及小行星探测，中国深空探测正在走向更远、更深的新阶段，不断推动着人类对太阳系和宇宙的理解和探索。
根据计划，中国还将在2028年前后及2030年前后陆续发射天问三号和天问四号。其中天问三号作为中国第二次火星探测任务，确立生命痕迹探寻为第一科学目标，将突破火面采样、火面起飞上升、环火交会和行星保护等关键技术，实现火星样品返回地球。天问四号则将对木星和木星的卫星进行研究，对木星空间和内部结构进行探测。
与此同时，天问三号任务将开展国际载荷合作、样品和数据共享、未来规划共同研究等三方面国际合作。随着深空探测的时间表日渐清晰，中国人探索太空的脚步正迈得更大、更远。
(本报电 喻思南、李仪、张未、刘峣)
