5月29日1時31分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙Y110運載火箭，成功將行星探測工程天問二號探測器發(fā)射升空。火箭飛行約18分鐘后，將探測器送入地球至小行星2016 HO3轉(zhuǎn)移軌道。版權(quán)／史悅

/引言

人類深空探測已經(jīng)取得長足發(fā)展，我國在月球探測、火星探測方面也已取得輝煌成績。隨著深空科學探測的不斷深入，數(shù)量大、分布廣、體積小的小天體已成為深空探測的新興熱點。

小行星是圍繞太陽運行的巖石或金屬天體，它們體積小，直徑一般小于1000千米。小行星主要由巖石、金屬和冰組成，是太陽系早期形成時殘留的物質(zhì)，大多分布在火星與木星軌道之間的主小行星帶。根據(jù)國際小行星中心公布的數(shù)據(jù)顯示，全世界范圍內(nèi)累計發(fā)現(xiàn)小行星145萬顆，已經(jīng)獲得國際天文學聯(lián)合會（IAU）永久編號的小行星超過80萬顆（截至2025年5月）。小行星的起源尚存在諸多爭議，國際上多數(shù)理論學者認為小行星是46億年前太陽系初期形成的行星體，還有部分學者認為小行星是由一個大行星在億萬年前被撞擊碎裂之后的遺留物。

小行星探測“小中見大”，關(guān)系到探尋宇宙的起源與演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源等重大基礎前沿科學問題，對于我國“開辟新疆域、揭示生命起源、推動技術(shù)進步、開發(fā)天然資源、保護地球安全”等方面具有顯著的意義，是推動我國從航天大國走向航天強國，落實創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展國家戰(zhàn)略的重大實踐活動之一。

/國外小行星探測現(xiàn)狀

人類最初用地基望遠鏡來觀測和研究小行星，只能獲得基本軌道參數(shù)和一些物理特性，對物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引力場等參數(shù)的測定幾乎是空白。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類于20世紀70年代用航天器對小天體進行近距離觀測。國外小天體探測已有30多年歷程，美、歐、日先后完成了各自獨特的標志性任務。截至目前，國外共實施了16次專門的小天體探測。下面選取三個典型任務進行介紹。

NEAR-舒梅克號探測器：

國際首個小行星探測任務（美國）

2000年2月14日，美國NASA的NEAR-舒梅克號探測器（NEAR Shoemaker probe）順利進入距離愛神（Eros）小行星表面35km的繞飛軌道，對Eros進行了全面觀測，獲得了該小行星的大小、形狀、質(zhì)量分布、重力場、自轉(zhuǎn)、成分和地質(zhì)學數(shù)據(jù)等。

探測器利用多光譜成像儀拍攝得到的數(shù)據(jù)，對小行星表面的撞擊坑進行了觀測，其表面大部分區(qū)域有多個直徑小于1km的撞擊坑，以及大量撞擊形成的分布不均勻的巨石。科學家根據(jù)觀測結(jié)果認為，Eros小行星是一體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有斷層。探測器對小行星的質(zhì)量和體積進行了測量與反演，Eros的平均密度為（2.67±0.03）g/cm3，結(jié)合小行星組成成分，這個密度表明星體內(nèi)部約有20%~30%的空隙，排除了其為碎石堆的結(jié)構(gòu)組成。

隼鳥號：

國際首個小行星取樣返回探測任務（日本）

日本JAXA的隼鳥號探測器于2003年5月9日發(fā)射，2005年9月12日飛抵距離絲川（Itokawa）小行星表面高度20km的位置，成功向地面發(fā)回近距離拍攝的小行星圖像。Itokawa小行星運行軌道位于地球和火星之間，長約500m，寬約300m。

2005年11月，隼鳥號依靠自主控制系統(tǒng)飛掠Itokawa小行星，并完成收集樣品任務，技術(shù)途徑為向小行星射入重為5g~10g的金屬球，并用專門裝置把濺起的粉塵吸入到航天器中。這是人類第一次從小行星上采集樣本。

樣品收集完成后，由于探測器發(fā)生故障，2007年4月25日，隼鳥號探測器才正式開始回歸地球的旅途。2009年9月，隼鳥號姿態(tài)控制裝置中2臺發(fā)生故障，化學推進因燃料泄漏不能使用，4臺離子推力器只有1臺能正常工作。但是隼鳥號仍在2010年6月13日成功返回地球，降落在澳大利亞南部伍默拉鎮(zhèn)附近的沙漠北帶，成為世界上首個實現(xiàn)小行星取樣返回任務的探測器。

羅塞塔-菲萊：

國際首個彗星著陸探測任務（歐空局）

羅塞塔號探測器是世界上首個完成彗星表面著陸就位探測的探測器，開展了目標彗星全球勘測和兩顆小行星的化學、礦物學和物理特性的研究；實現(xiàn)了低軌道繞彗核觀測和未知彗星表面的精確著陸，也是歐洲歷時最長、最具挑戰(zhàn)的深空探測任務。

羅塞塔探測器包括一個軌道器和一個著陸器。著陸器帶有一套著陸緩沖和一套錨定系統(tǒng)，軌道器選定著陸地點后，其上的菲萊號著陸器將以0.05m/s~0.52m/s的速度彈離軌道器，打開附著腿鎖定機構(gòu)，展開并鎖定。著陸器用光學照相機獲取精確著陸點圖像，最終以小于1m/s的速度觸地。推進系統(tǒng)施加向下的保持力，進一步防止著陸器反彈和漂走。在著陸時，著陸器彈射出一個魚叉式的錨定裝置，將著陸器固定在彗星表面上，防止著陸后儀器設備操作和環(huán)境擾動使著陸器翻倒或飄走。

著陸前，ESA確認菲萊號著陸器的冷氣推力器發(fā)生故障，無法完成反推下壓動作。2014年11月12日，菲萊號著陸器與羅塞塔成功分離，由于固定菲萊號的魚叉裝置未能成功發(fā)射，菲萊號著陸器在彗星表面著陸過程中，發(fā)生了兩次彈跳，進行了三次著陸。在2016年9月5日，通過羅塞塔發(fā)回的圖片，確認菲萊號著陸器被卡在彗星表面的一條黑暗裂縫中。

/我國天問二號任務

【任務目標】

天問二號任務目標是實現(xiàn)近地小行星2016 HO3的科學探測和采樣返回，之后開展主帶彗星311P的轉(zhuǎn)移飛行和科學探測。具體科學目標和工程目標如下。

【科學目標】

1. 測定近地小行星和主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小、熱輻射等物理參數(shù)，開展軌道動力學研究。

小行星物理參數(shù)確定

2. 開展近地小行星和主帶彗星的形貌、物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能的噴發(fā)物等研究。

地形測繪與數(shù)據(jù)庫建設

3. 開展返回樣品的實驗室分析研究，測定樣品的物理性質(zhì)、化學與礦物成分、同位素組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。

采樣區(qū)選取與勘測

【工程目標】

1. 突破弱力天體表面采樣、高精度相對自主導航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命高可靠電推進等關(guān)鍵技術(shù)。

2. 實現(xiàn)近地小行星伴飛、采樣（觸碰、懸停、附著）和返回，及對主帶彗星伴飛，為小行星起源及演化等前沿科學研究提供探測數(shù)據(jù)和樣品。

【探測對象】

1. 近地小行星

近地小行星中，有一些小行星在環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的同時，受地球引力的影響，也在近似穩(wěn)定地圍繞著地球轉(zhuǎn)動，這類小行星被稱為地球的準衛(wèi)星。由于這類共振天體的軌道在近地天體中較為穩(wěn)定，記錄了地球附近的近百萬年或更長時間的動力學環(huán)境歷史，從而為研究近地天體的動力學演化提供了重要線索。

迄今為止，通過地面觀測，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了7顆地球準衛(wèi)星，其中小行星2016 HO3發(fā)現(xiàn)于2016年4月26日，屬于阿波羅型小行星，絕對星等H為24.2，直徑約40m~100m，體積、外形和光譜特性尚未確認，是迄今發(fā)現(xiàn)最穩(wěn)定的地球準衛(wèi)星，被稱為“地球的第二個月亮”，選擇其開展近距探測和采樣返回，具有重要的科學意義。

2016 HO3可能的模型。版權(quán)／doi:10.1016/j.icarus.2020.114249

2. 主帶彗星

主帶彗星是2005年首次被發(fā)現(xiàn)并定義的一類天體，在近日點重復發(fā)生彗星活動，可以確認其含有易揮發(fā)的物質(zhì)，主要組成成分為水冰。

因地球在形成過程中經(jīng)歷了高溫期，無原生水，有一種假說認為，地球在形成之初一直被近地小行星（有些含有大量的水）撞擊，從而帶來生命之源的水和有機物。而主帶彗星的活動，是因其內(nèi)部的水的揮發(fā)所引起的，所以，探測主帶彗星是研究小行星內(nèi)部的水、有機物成分的捷徑之一。

迄今為止，最有可能的主帶彗星有十余顆。其中，主帶彗星311P的全稱為311P/PANSTARRS，2013年8月由哈勃望遠鏡發(fā)現(xiàn)，其特點是活動時擁有多條彗尾，目前也有研究認為其可能是雙小行星系統(tǒng)，具有很高的科學探測價值。

天問二號工作示意圖（視頻截圖）

【探測器概述】

天問二號探測器由主探測器和返回艙兩部分組成，發(fā)射重量2115kg，攜帶科學載荷88.4kg。探測器配置兩幅圓形柔性太陽翼，面積共36m2，以滿足主帶彗星探測時，遠離太陽弱光照條件下的能源供給。

探測器攜帶一套化學推進系統(tǒng)和一套電推進系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大推力脈沖變軌和小推力連續(xù)轉(zhuǎn)移；配置一副1.5m直徑的高增益天線，可以實現(xiàn)近地小行星探測和主帶彗星探測時的高速數(shù)據(jù)下傳能力；配置一條機械臂和一臺激勵采樣器，具備懸停、觸碰、附著三種采樣模式，以實現(xiàn)不同目標特性條件下的可靠采樣；探測器配置了多臺圖像和激光體制的導航敏感器，支撐近距探測和采樣全過程的自主相對導航。

【飛行過程】

天問二號任務分為近地小行星2016 HO3探測和主帶彗星311P探測兩個階段。整個任務飛行過程包括13個階段。

天問二號探測器于北京時間2025年5月29日凌晨1時31分發(fā)射，進入地球至小行星轉(zhuǎn)移軌道。轉(zhuǎn)移過程包含深空機動、數(shù)次中途修正及小推力連續(xù)變軌，轉(zhuǎn)移時間約1年，到達近地小行星后采用化學推進系統(tǒng)實施制動捕獲。

之后結(jié)合地面導引和器上自主導航，逐步接近小行星，隨后開展小行星近距探測和采樣，用時約1年。近距探測和采樣包括在不同距離懸停探測、主動繞飛探測，下降、附著、采樣及上升等過程。根據(jù)到達目標小行星后的探測結(jié)果，針對小行星的具體特性，確定采樣時機和使用的采樣模式。

小行星采樣方式示意。版權(quán)／doi:10.3969/ j.issn.1009-2366.2021.09.002

完成近地小行星探測和采樣后，探測器實施返回地球轉(zhuǎn)移入射，返回地球的轉(zhuǎn)移過程包括數(shù)次中途修正和小推力連續(xù)變軌，轉(zhuǎn)移時間約7個月。到達地球附近后，返回器與主探測器分離；返回器再入大氣層并完成著陸回收，主探測器拉起并實現(xiàn)地球借力。

地球借力后，任務進入第二階段，主探測器利用小推力連續(xù)轉(zhuǎn)移，最后到達主帶彗星311P，開展繞飛探測。

/任務特點和難點

任務目標和形式多樣、

功能設計復雜

同國外小天體探測任務相比，我國小天體探測任務最大特點在于任務目標多樣，可概括為“一次發(fā)射，兩個目標，三種任務形式（伴飛、采樣、返回）”。天問二號探測器通過一次發(fā)射任務實現(xiàn)近地小行星和主帶彗星兩個不同目標的“多目標、多任務、多模式”探測。

針對多種任務形式，探測器設計上需要滿足轉(zhuǎn)移飛行、小天體交會、小天體伴飛、小行星采樣、地球再入返回等多種功能需求，并制定相應的技術(shù)途徑；同時，器日距離和器地距離變化范圍大，器日距離范圍為0.89AU~2.5AU，近地小行星探測階段器地距離最遠為0.31AU，主帶彗星探測階段器地距離最遠為3.4AU，測控通信、供配電、熱控等平臺系統(tǒng)設計需滿足不同距離、溫度、光照等條件下探測器工作的需求。

此外，近地小行星和主帶彗星二者的軌道特性差別較大，為盡可能采用有限發(fā)射重量獲得最大速度增量，涉及不同類型軌道、不同推進方式的綜合應用：小行星采樣返回任務需要采用“霍曼轉(zhuǎn)移軌道+微引力伴飛+小推力連續(xù)轉(zhuǎn)移+地球再入”的軌道設計，主帶彗星探測任務需采用“地球借力+小推力連續(xù)轉(zhuǎn)移+微引力伴飛”的軌道設計。

目標天體環(huán)境條件

復雜且不確知

依靠目前地面設施的能力，對兩個探測目標的特性認識極其有限，先驗知識匱乏（如自轉(zhuǎn)特性、表面形態(tài)、表面力學特性、熱特性）；且兩個目標在物理、化學等特性方面差異很大。目標天體探測過程中將面臨小天體表面高低溫交變、表面特性不確定等復雜環(huán)境，對任務控制、采樣、載荷、熱控等環(huán)節(jié)設計提出極大挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)方案設計上，要求具有更大的裕度和更高的魯棒性，以適應目標不確定環(huán)境帶來的影響。

小天體的懸停、繞飛、探測、采樣等策略的制定高度依賴目標特性，而在抵達小天體前無法預先通過地面觀測獲得較為準確的目標特性，因此只能根據(jù)在軌探測結(jié)果，進行近距探測軌道和探測方案選擇，以及采樣區(qū)和采樣方式的選擇，必須采用“邊飛邊探邊決策”的探測模式。

微重力落塔設施下壓試驗設備

長壽命、高自主、

高集成要求高

完成近地小行星采樣返回任務需2.5年，完成主帶彗星探測任務需約7.5年，在我國深空領域尚屬首次，且在軌不同飛行階段面臨多變、惡劣的復雜環(huán)境，對探測器產(chǎn)品、部件的長壽命和可靠性設計提出了很高的要求。

小天體星歷存在偏差，隨著器地距離增加，僅依賴地面測定軌的結(jié)果難以滿足探測器與小天體近距探測等任務需求；對于采樣、電推軌控等復雜過程，時序要求嚴格，對全自主操控要求高，要求探測器需具有極高的自主導航以及自主管理能力；主帶彗星距離遠，通信單程時延最長約30分鐘，要求探測器具備自主任務執(zhí)行能力，提高任務執(zhí)行效率。

天問二號探測器資源有限，重量、功耗設計約束強，需實施科學載荷與工程設備、主探測器與返回艙的高度集成設計。

天問二號監(jiān)視相機拍攝的太陽翼完全 展開后姿態(tài)。版權(quán)／CNSA

再入返回速度高、

氣動力熱環(huán)境嚴酷

天問二號的再入返回任務與以往地球軌道返回任務存在顯著差異，主要體現(xiàn)在高速再入條件下的極端環(huán)境。其返回艙再入速度超過12千米/秒，遠高于地球軌道返回任務和月球返回任務，這一速度直接導致氣動加熱強度顯著提升，對防熱系統(tǒng)的耐高溫性能和結(jié)構(gòu)強度提出了更高要求。同時，高速再入產(chǎn)生的氣動力可能引發(fā)劇烈的干擾，需通過精確的氣動外形設計和材料選擇來確保返回艙在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。

天問二號返回艙的重量約束是其設計中的核心難點。作為我國目前航天任務中規(guī)模最小的返回艙，需要嚴格控制重量，以滿足探測器整體重量分配需求。這一限制對減重設計提出了嚴苛要求：一方面，返回艙需保證結(jié)構(gòu)強度和熱防護能力；另一方面，其內(nèi)部需容納樣品及通信系統(tǒng)等關(guān)鍵組件，需在有限空間內(nèi)實現(xiàn)功能集成。

天問二號采用無控彈道再入模式，即返回艙在再入過程中不依賴主動控制系統(tǒng)進行姿態(tài)調(diào)整，完全依賴氣動特性維持飛行穩(wěn)定性。這一模式對分離精度、質(zhì)量分布和氣動特性提出了極高要求：首先，返回艙與探測器需在精確的時間窗口內(nèi)以精確的速度完成分離，以確保其進入預定再入軌跡；其次，返回艙的質(zhì)量特性需與氣動特性嚴格匹配，避免因偏心導致翻滾或失穩(wěn)；最后，無控彈道的不確定性要求返回艙具備更強的氣動適應能力，需通過高精度風洞試驗和彈道仿真驗證其在復雜氣動環(huán)境下的穩(wěn)定性。這一技術(shù)路徑不僅考驗航天器設計的精細化水平，也將為未來深空探測任務的返回技術(shù)積累重要經(jīng)驗。

地面試驗驗證難度大

天問二號作為我國首次執(zhí)行小行星采樣返回任務的探測器，其設計與實施需綜合考慮多重復雜因素的耦合影響。首先，小行星表面的物理狀態(tài)具有高度不確定性，可能包含松散的星壤、碎石堆積層或堅硬的巖石結(jié)構(gòu)，這直接影響探測器的著陸穩(wěn)定性與采樣效率。其次，小行星的微引力環(huán)境對探測器的運動控制提出極高要求，探測器需在極低重力下實現(xiàn)精準著陸、采樣機械臂的操作、以及采樣樣本的穩(wěn)定傳輸和封裝。

小行星星壤的物理特性（如密度、孔隙率、摩擦系數(shù)）未知，難以針對性開展采樣機構(gòu)的能力驗證，地面試驗必須覆蓋多種采樣工況及多種目標特性，以確保在軌采樣能力。其次，微重力模擬是另一大難點，傳統(tǒng)吊掛等重力卸載方式難以模擬微重力條件下星壤特性，即使通過落塔、拋物線飛行等試驗手段，也僅能得到數(shù)以秒記的微重力環(huán)境，需要在極為嚴苛的約束條件下完成探測器微重力采樣及轉(zhuǎn)樣性能測試。

/結(jié)束語

天問二號任務體現(xiàn)了“任務獨特性、系統(tǒng)創(chuàng)新性、科學原創(chuàng)性、技術(shù)先進性”。工程上，高起點實施，一次發(fā)射完成多個天體環(huán)繞、附著、取樣等“多任務、多功能”探測；科學上，聚焦國際科學熱點，科學探測和研究內(nèi)容特色鮮明，預期可獲得一大批原創(chuàng)性科學成果。

天問二號任務作為中國行星探測的重要一環(huán)，不僅承載著科學家對小行星深層次探索的夢想，更是我國航天技術(shù)實力和發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。面對深空探測中前所未有的挑戰(zhàn)與困難，從軌道設計、采樣技術(shù)到探測器自主導航，每一步都凝聚著無數(shù)科研人員智慧與汗水的結(jié)晶。正是這些難度和挑戰(zhàn)，推動了我國在行星科學、空間物理等多個領域的創(chuàng)新發(fā)展，為人類認識宇宙提供新的視角和數(shù)據(jù)支持。我們有理由相信，隨著天問二號任務的順利實施，不僅將極大促進我國航天事業(yè)的進步，還將為全人類和平利用太空資源、深化對外太空的認識做出積極貢獻。在此，預祝天問二號任務能夠克服一切困難，圓滿完成各項科學探測目標，書寫中國航天新的輝煌篇章！

作者簡介 /

繆遠明，中國空間技術(shù)研究院深空探測領域設計師。

張熇，中國空間技術(shù)研究院型號研制人員，多年從事月球與深空探測器設計與驗證工作。

來源：中國國家天文

編輯：姬子隰

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