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引言

北京時(shí)間2025年05月29日1時(shí)31分，天問2號(hào)成功發(fā)射。該探測(cè)器搭載由中國(guó)空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)總研制，由長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，這是我國(guó)的首次小行星探測(cè)任務(wù)。

天問2號(hào)的主要任務(wù)是什么？該探測(cè)任務(wù)和美國(guó)宇航局NASA、歐洲宇航局ESA以及日本宇航局發(fā)射的小行星探測(cè)任務(wù)有何不同？未來我國(guó)在深空探測(cè)方面的規(guī)劃是怎么樣的？

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天問2號(hào)的主要任務(wù)是什么？

該深空探測(cè)任務(wù)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)分為兩個(gè)階段。第一階段歷時(shí)2.5年，專門針對(duì)近地小行星(469219) 2016 HO3進(jìn)行探測(cè)采樣，包括長(zhǎng)期伴飛觀測(cè)、表面取樣和樣本返回三大核心任務(wù)，這將使中國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回的國(guó)家。第二階段預(yù)計(jì)耗時(shí)7年，探測(cè)器將繼續(xù)飛向更遙遠(yuǎn)的主帶彗星311P，通過飛掠方式揭示主帶彗星(活躍小行星)的形成演化奧秘。具體來說，該任務(wù)又細(xì)分為13個(gè)小階段，其詳細(xì)過程如下圖所示：

▲圖1 天問2號(hào)的13個(gè)探測(cè)過程詳述。圖源：中國(guó)空間技術(shù)研究院。

為了探測(cè)(469219) 2016 HO3和311P，天問2號(hào)共攜帶了11個(gè)有效載荷，分別是：可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機(jī)、中視場(chǎng)彩色相機(jī)、探測(cè)雷達(dá)、磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀、窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器、激光一體化導(dǎo)航敏感器和旋轉(zhuǎn)衍射高光譜相機(jī)。

這些有效載荷的主要科學(xué)目標(biāo)在近地小行星(469219) 2016 HO3探測(cè)方面分別為：(1)、測(cè)定 (469219) 2016 HO3 軌道、自轉(zhuǎn)、形狀、大小和熱輻射等物理參數(shù)；(2)、探測(cè) (469219) 2016 HO3 形貌特征、表面物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲取小行星樣品的背景信息；(3)、對(duì) (469219) 2016 HO3 返回樣品開展實(shí)驗(yàn)室分析研究，測(cè)定小行星樣品的物理性質(zhì)、 化學(xué)與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造；(4)、測(cè)定和研究小行星樣品的年齡； (5)、與隕石進(jìn)行比較研究，建立返回樣品與隕石、地面觀測(cè)與遙感就位分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。在主帶彗星探測(cè)方面分別為：(1)、測(cè)定主帶彗星 311P 的軌道、自轉(zhuǎn)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)；(2)、探測(cè)主帶彗星 311P 形貌、表面物質(zhì)組份、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、臨近空間環(huán)境，以及可能的水和有機(jī)物等信息。

▲圖2 天問2號(hào)的探測(cè)器示意圖以及載荷位置。圖源：中科院。

(1) (469219) 2016 HO3

其中，根據(jù)(469219) 2016 HO3的絕對(duì)星等和反照率等參數(shù)信息，估計(jì)其直徑范圍為40~100 m，其不僅非常小，而且自轉(zhuǎn)速度也非常快，其自轉(zhuǎn)周期約為28 分鐘。因?yàn)槠浞浅０等酰瑹o法通過地基望遠(yuǎn)鏡獲取其更多準(zhǔn)確的物理信息，這也給探測(cè)任務(wù)帶來了困難。

▲圖3 墨子巡天望遠(yuǎn)鏡(WFST)在2024年3月29日拍到的(469219) 2016 HO3，十字圖標(biāo)中央所示。

圖源：紫金山天文臺(tái)。

鑒于其體積小，自轉(zhuǎn)快，導(dǎo)致其表面可能難以保留分化層，更像一塊裸露的巖石，類似于日本宇航局的深空探測(cè)任務(wù)隼鳥2號(hào)的探測(cè)目標(biāo)——(162173) Ryugu。這種形貌特征對(duì)于采樣具有較大的挑戰(zhàn)。未來，天問2號(hào)的最佳采樣區(qū)可能在小行星的兩級(jí)或者是凹坑中朝向自轉(zhuǎn)軸的坑壁上。

▲圖4 (162173) Ryugu的表面形貌。圖源：JAXA。

小行星(469219) 2016 HO3長(zhǎng)期在地球附近擺動(dòng)，宛如圍繞地球的"小精靈"，這類天體處于與地球"共軌"的特殊狀態(tài)，被稱為地球的準(zhǔn)衛(wèi)星，迄今已確認(rèn)地球擁有7顆準(zhǔn)衛(wèi)星。研究表明，(469219) 2016 HO3的光譜特征與月球巖石高度一致，推測(cè)其可能起源于月球背面隕石撞擊坑"布魯諾"形成時(shí)濺射出的碎片。天問2號(hào)對(duì)(469219) 2016 HO3的深入探測(cè)將為揭示地月系統(tǒng)的起源和演化歷程提供關(guān)鍵的科學(xué)信息，有助于我們更好地理解地球-月球這一獨(dú)特天體系統(tǒng)的形成機(jī)制。

▲圖5 黃色為(469219) 2016 HO3的軌道，藍(lán)色為地球的軌道。圖源：維基百科。

(2) 311P

311P是已知的第7顆主帶彗星，由于其具有典型的小行星軌道，同時(shí)偶爾會(huì)爆發(fā)出現(xiàn)彗星尾等特征，所以也將其歸類為活躍小行星(迄今為止，發(fā)現(xiàn)了約50多顆)。 311P的直徑約為480 m，其可能還擁有一顆衛(wèi)星或伴星，是一個(gè)雙星系統(tǒng)。

▲圖6 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在2013年9月10日拍攝的311P。圖源：ESA/HUBBLE。

一般來說，彗星大多誕生于太陽(yáng)系邊緣極其寒冷的奧爾特云，那里的低溫環(huán)境為水冰等揮發(fā)性物質(zhì)提供了天然的"冷凍庫(kù)"，當(dāng)彗星軌道靠近太陽(yáng)時(shí)，這些冰凍物質(zhì)受熱升華，形成我們熟悉的壯觀彗尾。然而，主帶彗星311P卻是一個(gè)令人困惑的"異類"——它位于火星與木星之間相對(duì)溫暖的小行星帶中。按常理，這里的高溫環(huán)境早就應(yīng)該將揮發(fā)性物質(zhì)"烤干"，但311P卻擁有至少6條明顯的彗尾，這一現(xiàn)象顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。

科學(xué)家推測(cè)其可能受到撞擊或YORP效應(yīng)影響，導(dǎo)致表面巖石破裂，內(nèi)部的冰水塵埃混合物受熱噴發(fā)形成彗尾。天問2號(hào)對(duì)311P的探測(cè)將有助于解釋這類兼具彗星和小行星特征的天體如何長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，不僅能描繪小行星與彗星間的演化圖景，還可能為地球海洋起源研究提供新的科學(xué)認(rèn)知。

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天問2號(hào)有何不同？

在了解天問2號(hào)有何不同之前，我們來回顧一下人類在小行星探測(cè)方面取得的成績(jī)。下表綜述了迄今為止所有成功發(fā)射的和小行星相關(guān)的深空探測(cè)任務(wù)。

在上述多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)中，具有里程碑意義的分別為：2003年日本的 “隼鳥號(hào)”系列任務(wù)對(duì)（25143）Itokawa小行星實(shí)施采樣并成功返回地球，實(shí)現(xiàn)首次采樣返回任務(wù)；2020年，美國(guó)NASA的“冥王號(hào)”（OSIRIS-REx）任務(wù)對(duì)（101955）Bennu小行星成功采樣，并于2023年將樣本帶回地球，標(biāo)志著采樣返回技術(shù)的成熟；2021年，美國(guó)NASA的“Lucy”號(hào)成功發(fā)射，執(zhí)行首個(gè)穿越特洛伊小行星群的探測(cè)任務(wù)，也是首個(gè)多目標(biāo)探測(cè)任務(wù)；2022年，美國(guó)NASA的“DART”任務(wù)成功撞擊（65803）Didymos的伴星Dimorphos小行星，首次驗(yàn)證了人類主動(dòng)改變地外天體軌道的能力。

▲圖7 左圖為隼鳥2號(hào)探測(cè)器和其探測(cè)目標(biāo)（162173）Ryugu，右圖則為隼鳥2號(hào)在（162173）Ryugu上的采樣過程。圖源：JAXA。

▲圖8 “冥王號(hào)”探測(cè)器采樣策略示意圖。來源：NASA。

▲圖8 露西號(hào)探測(cè)任務(wù)的探測(cè)路線示意圖。圖源：NASA。

▲圖9 DART任務(wù)撞擊器撞擊Dimorphos的過程。圖源：EAS。

日本宇航局的隼鳥2號(hào)探測(cè)器采用了獨(dú)特的"撞擊采樣法"——通過發(fā)射撞擊器轟擊小行星表面，利用撞擊產(chǎn)生的飛濺碎片進(jìn)行樣本收集；而美國(guó)宇航局的冥王號(hào)則選擇了更為直接的"機(jī)械臂接觸采樣法"，通過精密的機(jī)械臂直接觸碰小行星表面獲取樣本。

與NASA和JAXA的任務(wù)相比，天問2號(hào)的挑戰(zhàn)在于：1.目標(biāo)信息極度匱乏。整個(gè)采樣過程需要面對(duì)在極其微弱的引力環(huán)境中探測(cè)器“側(cè)翻”的風(fēng)險(xiǎn)；在不確定小行星物理信情況下開展大量探測(cè)并做出最優(yōu)策略的考驗(yàn)；在高時(shí)延無法通過地面遙控操作時(shí)自主采樣的挑戰(zhàn)。天問2號(hào)面臨的挑戰(zhàn)是遠(yuǎn)超之前的采樣返回任務(wù)。2.采樣策略高度靈活。正是由于目標(biāo)信息匱乏，天問2號(hào)采樣策略并未提前確定，而是預(yù)備了懸停采樣、接觸采樣和附著采樣三種方式。3. 多目標(biāo)協(xié)同。天問2號(hào)采取多目標(biāo)、多任務(wù)和多模式的探測(cè)方式，具有“一次發(fā)射，兩個(gè)目標(biāo)，三種任務(wù)形式（伴飛、采樣、返回）”的鮮明特點(diǎn)。

▲圖10 天問2號(hào)的三種采樣方式示意圖。圖源：中國(guó)空間技術(shù)研究院。

天問2號(hào)將驗(yàn)證突破弱引力天體表面取樣、高精度相對(duì)自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

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我國(guó)在深空探測(cè)方面的規(guī)劃是什么？

天問2號(hào)的成功發(fā)射是中國(guó)航天史上具有里程碑意義的重大突破。我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的規(guī)劃體現(xiàn)了系統(tǒng)化、分階段推進(jìn)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略布局：以"天問"系列任務(wù)為核心，承擔(dān)著從近地天體到外太陽(yáng)系的宏偉探索使命，逐步拓展人類對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界；以"嫦娥"系列任務(wù)為核心，專注于月球探測(cè)和開發(fā)，為未來的月球科研站建設(shè)和資源利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這種"雙軌并進(jìn)"的探測(cè)架構(gòu)不僅展現(xiàn)了中國(guó)航天的雄心壯志，更體現(xiàn)了科學(xué)規(guī)劃、穩(wěn)步推進(jìn)的發(fā)展理念，標(biāo)志著中國(guó)正從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

▲圖11 我國(guó)天問系列探測(cè)任務(wù)規(guī)劃。圖源：CNSA。

▲圖12 我國(guó)以“嫦娥”系列和“天問”系列的探測(cè)任務(wù)規(guī)劃。圖源：CNSA。

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結(jié)語(yǔ)

此時(shí)此刻，天問2號(hào)正在穿越星空，飛向宇宙深處。它帶著中國(guó)夢(mèng)，承載著十四億人民的期望與祝福，在無垠的太空中劃出一道璀璨的軌跡。這艘承載著中華民族航天夢(mèng)想的探測(cè)器，如同一顆閃亮的星辰，穿越時(shí)空的隧道，向著未知的星域勇敢前行，為人類探索宇宙奧秘貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。

參考資料：

1. 李春來,劉建軍,任鑫,等."天問二號(hào)"任務(wù)科學(xué)目標(biāo)和有效載荷配置[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)-北理工, 2024, 000(3):7.DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230185.

2. Hubble views extraordinary multi-tailed asteroid P/2013 P5. (2013-11-07),

3. 余后滿,張熇,黃曉峰,等.我國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)設(shè)想[J].國(guó)際太空,2021,(09):4-9.

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本文轉(zhuǎn)載自《墨子沙龍》微信公眾號(hào)

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