红盘复杂度空前！专家揭秘天问二号十年闯关“路线图”

　　通过一次发射，同时实现对近地小行星的近距离探测及采样返回、主带彗星探测——带着这个跨度10年的任务，天问二号于5月29日踏上了太空征途红盘，如今已距离地球超300万千米。

　　从人类探索宇宙的历程来看，天问二号任务是一次具有开创性的探索。虽然已有一些国家开展过小天体探测，但像天问二号这种多目标、综合性的探测任务，在国际小行星研究领域尚属首次。

　　为此，天问二号要突破弱引力天体表面采样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道等多项核心技术。而它最终将为小行星起源及演化等前沿科学研究提供大量科学数据和宝贵的真实样品。

十年征程，三阶段探测两天体

　　从2025年启程到2035年任务完成，天问二号长达10年的任务共分为小行星探测、采样返回、探测主带彗星三个阶段。

　　第一阶段的小行星探测是天问二号任务的首要目标，将实现对小行星2016HO3的伴飞、测绘、遥感、采样，并将样品带回地球，往返共耗时两年半到三年。

　　发射升空后，天问二号先是飞向小行星2016HO3，约一年后抵达其附近。由于这颗小行星质量较小，其引力十分微弱，探测器无法像在行星周围那样，依靠天体的引力稳定环绕，只能通过精确轨道计算和自主控制，保持与小行星相对稳定的位置关系，与其伴飞。

　　伴飞过程中，天问二号将利用携带的设备，为2016HO3拍摄下高分辨率图像，以记录该小行星的表面特征，包括地形起伏、撞击坑分布等。它还将用成像光谱仪分析其反射和发射的光谱，来获取其物质成分信息，帮助科学家了解该小行星的元素和化合物组成，追溯其形成的历史。同时，根据所获信息，它将反演2016HO3地形地貌、星壤、热惯量等方面的特性，据此确定候选采样区。

　　完成约1年的伴飞探测后红盘，天问二号将开始第二阶段任务——对小行星进行采样。与日本“隼鸟二号”和美国“奥西里斯-雷克斯”小行星探测器采用“接触即离”的短时触碰采样方式不同，为了较好地适应2016HO3小行星地形、表面星壤力学特性等不确定性，针对可能的“碎石堆”或“独石”特性，以及表面不同大小的碎石粒径分布特性，天问二号除了触碰采样方式外，还设计了悬停采样和附着采样等多种模式和手段，确保能可靠采集到样品。天问二号预计获取至少100克具有代表性的小行星样品。样品将被妥善封装在返回舱内，随主探测器返回地球。

　　当预定的返回窗口开启，主探测器随即进入返回转移飞行。预计2027年左右，天问二号将再次来到地球附近，此时返回舱将被释放，在地面预定回收场着陆。与此同时，主探测器拉起，继续飞向运行在火星与木星轨道之间的主带彗星311P——先利用地球引力弹弓效应进行一次加速，朝着火星的方向飞去；到达火星附近时，再借助火星的引力弹弓效应，改变自身速度和轨道方向，飞向彗星。

　　预计经过7年左右的飞行，天问二号主探测器将在2034年前后抵达主带彗星311P。到达后，它将对该彗星进行至少一年的遥感探测，全面研究这颗彗星的物理和化学性质，并尝试对其进行原位测量，以深入了解小天体的物质组成、结构以及演化机制。

复杂度空前，探索宇宙全新路径

　　我国小天体探测任务的采样区域、采样策略、采样参数等关键要素无法在地面确定，只能采用“边飞行、边探测、边制定”的策略。

　　要实现“一次发射、两类探测目标（近地小行星和主带彗星）、三种探测模式（伴飞、采样、返回）”，天问二号的任务复杂度远超以往深空探测，可以说为人类探索宇宙开辟了全新路径。

　　天问二号由主探测器与返回舱两大部分组成。其中，主探测器携带了多种类型的科学探测仪器，并配备了双翼结构的圆形柔性太阳翼；返回舱则采用“球锥大底+单锥后体”气动外形，辅以降落伞完成减速并着陆于地球。

　　在飞往主带彗星311P的过程中，主探测器需要在浩瀚宇宙中保持精确导航和稳定的姿态控制，同时还需要不断优化能源管理，确保太阳翼始终能为各个系统提供充足电力。它配备了一对圆形太阳翼，单翼面积达17平方米，而直径仅约4.7米，这种设计能有效缩短太阳翼展开尺寸，降低传统长尺寸太阳翼在软着陆过程中的触地风险，极大提高了探测器在小行星着陆任务中的可靠性。同时，其光电转换效率高达34%，可在太阳能稀薄的远日点维持供电。

6月6日红盘，国家航天局发布天问二号探测器传回的圆形太阳翼展开的图片。（图：新华社/发）

　　返回舱的最大直径约0.75米，比嫦娥五号返回舱更小，用于将采集到的小行星样品安全带回地球。在漫长的星际旅行中，返回舱要面临极端的温度变化、高能粒子辐射及复杂的空间环境等诸多挑战。为确保样品的完整性和安全性，返回舱外壳采用高强度、耐高温的复合材料，其内部配备了高精度的温控系统和减震装置，以确保样品在稳定的环境中被护送回地球。

　　值得一提的是，返回舱再入大气的速度将从月球采样返回时的10.9千米/秒提高到12千米/秒，这将是我国首次尝试超第二宇宙速度地球再入。返回舱再入地球大气过程中需承受最高约12兆瓦/平方米的热流，面临高热流、高焓、高剪切力等恶劣条件，并要保证在超高速条件下开伞，这就需要设计新的轻质功能梯度防热材料、轻质承力结构及分区域防热结构等。为此，研发人员研制了“球锥大底+单锥后体”的构型，并采用新型隔热材料以确保其安全。

一系列创新，为天问三号探路

　　由于整体任务设计创新性强、技术难度大，探测器必须要具备全自主导航与精确控制等能力。为此，天问二号采用了高精度自主控制和混合能源系统等一系列创新技术，这也将为后续天问三号的火星采样返回任务提供关键技术验证。

　　小行星2016HO3距离地球超4000万公里，而其直径只有40—100米，这给测控通信带来巨大挑战。由于探测小天体信号时延达28分钟，比探测火星通信单程时延还长，所以天问二号探测器配备的设备大多具备高度自主性，能根据预设的程序和自身的感知系统，在没有实时地面指令的情况下，自主完成各种复杂操作。

　　为提升空间探测器测控通信的精度和可靠性，我国这些年不断升级深空测控网络。例如，中国科学院上海天文台首次使用新建的长白山（长白站）和日喀则（珠峰站）两台40米望远镜，与现有的上海天马、新疆乌鲁木齐观测站联合观测，并与经过升级后的上海VLBI（甚长基线干涉）中心共同构成了新的“四站一中心”VLBI测轨网络。这是将VLBI技术首次应用于我国小行星探测高精度测定轨。

　　同时，天问二号搭载的先进测控设备具备强大的自主导航和控制能力，确保在复杂空间环境中空间探测器与地球保持稳定通信。小行星无重力的特性使得探测器无法像在月球和火星那样，依靠小行星的引力作用进入环绕轨道，只能先通过伴飞探测来选择可能着陆的地点，再到小行星上进行采样。

宇宙“化石”，探秘太阳系起源

　　研制、发射天问二号，对探索太阳系起源与演化有着极为重要的价值。选择小行星2016HO3和主带彗星311P作为探测对象，则开启了人类对这两类特殊天体深入研究的先河。

　　目前，人类对太阳系的起源和演变仍一知半解，作为太阳系形成初期产物的小行星，保留了大量原始信息。小行星2016HO3独特的轨道特征，使它成为研究地球轨道附近天体环境及太阳系早期演化的绝佳样本。科学家们推测，它可能携带着地球和太阳系起源的关键线索。

　　通过对小行星2016HO3的研究，科学家有望深入了解太阳系早期物质的组成成分，以及行星形成的初始条件和演化过程。这将对构建准确的太阳系演化模型，解答太阳系如何从一片混沌的星云逐渐形成如今的有序结构等关键问题，提供直接且关键线索。就像考古学家通过挖掘古代遗迹中的文物还原历史一样，分析这颗小行星的物质成分，或许能揭示太阳系早期元素的分布规律，以及不同物质在行星形成过程中的作用。

　　同时，研究也将为建立更完善的近地小天体监测和预警系统提供数据支持，增强人类应对小天体撞击威胁的能力，守护地球家园的安全。

　　传统理论认为彗星来自太阳系边缘，而主带彗星311P运行在火星与木星轨道之间的小行星带中，这打破了学界对小行星和彗星的认知界限。天问二号对主带彗星的探测，将为小天体研究开辟新路，帮助科学家深入了解小天体的物质组成、结构及演化机制，填补人类在这一领域的知识空白。比如，研究其彗尾形成机制及其在小行星带特殊环境下的演化历程，有助于揭示太阳系小天体在不同区域的演化差异，为全面理解小天体的演化提供全新视角。

　　此外，天问二号还有望在多个科学领域取得重大发现，包括可能为解开生命起源和地球水的起源提供重要线索。

　　（作者为全国空间探测技术首席科学传播专家）红盘

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