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和天问二号来一场“十年之约”
我国开启小行星探测与采样返回之旅
当人类将目光投向浩瀚深空，或许没有什么比星际探索更令人心驰神往，但这也需要倾注超乎想象的耐心与坚持——眼下的天问二号任务，正是这样一场探索之旅。
5月29日1时31分，西昌卫星发射中心，随着撼天动地的轰鸣划破长空，天问二号探测器搭乘长征三号乙运载火箭刺破云霄，踏上深空探测征程。
这是我国首次小行星采样返回任务，也是继天问一号火星探测之后，又一次行星际探测任务。在端午佳节到来之际，中国人再次向浩瀚苍穹发出“天问”。如果说月球探测仍未摆脱地球引力，那么行星际探测在某种意义上才真正称得上是走出地球“摇篮”。
这一“走”要持续约10年，跨越亿万公里：天问二号探测器将先与近地小行星2016HO3“共舞”，完成探测、取样及返回地球的“星际快递”使命；“分身”奔赴主带彗星311P的轨道，开展对太阳系早期物质的“时空溯源”。
这场漫长的、需要极致耐心与坚韧毅力的星际远征，有望在太阳系演化图谱上镌刻下中国印记。
为何是2016HO3这颗小行星
天问二号任务地面应用系统总师、中国科学院国家天文台研究员苏彦介绍，小行星2016HO3是人类目前发现的地球准卫星之一。其保留着太阳系诞生之初的原始信息，是研究太阳系早期物质组成、形成过程和演化历史的“活化石”，具有极高科研价值。
她告诉记者，天问二号的科学目标聚焦于测定小行星和主带彗星的多项物理参数，一是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；二是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；三是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。
国家航天局探月与航天工程中心副主任、天问二号任务新闻发言人韩思远表示，任务工程目标一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，二是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。
作为“地球的邻居”，这颗小行星位于距离地球约1800万至4600万公里的深空中，其轨道参数与地球几乎相同，与地球同步绕太阳公转。距离地球最近的时候，也有地月距离的40多倍。
探测难度不言而喻。与火星探测不同，小行星几乎不存在重力场，这导致航天器无法像环绕行星那样绕其飞行，只能在广袤宇宙中精准追踪并追上目标天体，实现与小行星的同轨探测，进而完成相关操作、择机实施采样。
国家航天局探月与航天工程中心有关专家介绍，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。
其中，小行星探测和采样返回包括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年年底着陆地球并完成回收。
此后，主探测器继续飞行，前往主带彗星311P，开展后续探测任务。
这是一个运行于火星与木星轨道间小行星带内的小天体，距离地球约1.5亿至5亿公里。在苏彦眼中，其兼具彗星的物质构成特征与小行星的轨道特征，开展探测有助于了解小天体的物质组成、结构以及演化机制，填补太阳系小天体研究领域的空白。
对于它的探测，仍需时光沉淀。当前，我们才迈出天问二号漫长探测过程的“第一步”。
小行星探测和采样返回“第一步”
5月29日1时31分，长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心点火起飞，火箭飞行约18分钟后，将探测器送入地球至小行星2016HO3转移轨道。此后，探测器太阳翼正常展开，发射任务取得圆满成功。
这是该系列运载火箭首次执行地球逃逸轨道发射任务。
此前，发射地球轨道范围内的载荷，火箭分离速度为第一宇宙速度，即每秒7.9千米。但此次任务中，火箭分离时速度超过每秒11.2千米的第二宇宙速度，从而使探测器脱离地球引力，这需要极高的速度和能量。
中国航天科技集团专家魏远明表示，长征三号乙运载火箭，是我国高轨发射的主力火箭，也是我国宇航发射次数最多的火箭，此前已完成108次发射，曾执行过嫦娥三号、嫦娥四号等探月工程任务。在综合考量火箭运载能力、履约能力和可靠性等因素后，最终该火箭成为此次小行星探测之旅的“专属座驾”。
他同时表示，目标小行星本身体积小、质量小、引力弱，捕获难度大，对火箭入轨精度要求极高。
中国航天科技集团专家张亦朴告诉记者，地球逃逸轨道高度高，火箭要挣脱地心引力束缚所需的能量多、速度快，不到万分之一速度差，都会造成探测器距离小行星百万公里级误差。
“火箭入轨时的速度超过每秒10公里，只有将误差控制在每秒1米之内才能将天问二号探测器精准送入轨道。”张亦朴说。
他打了个比方：这样的入轨精度，就好比在上海投出一个篮球，要投中位于北京的篮筐，还要保证篮球入筐时的飞行角度和速度。
作为小行星探测的“天梯”，长征三号乙运载火箭要跑好小行星探测“第一棒”，还面临一个挑战：任务发射窗口要求极高，5月29日起连续3天，每天只有4分钟。
“由于目标小行星与地球的相对位置一直在变化，只有‘零窗口’发射最节省燃料。”张亦朴说，研制团队针对连续3天的发射窗口，将原本每天1套、共计3套的火箭飞行程序，简化为一套程序，进一步提高火箭可靠性和任务适应性。
他告诉记者，小行星探测任务相比常规发射受到更多约束，涉及火箭、载荷、测控、空间、时间等方面，相关设计工作量是以往的3倍，设计人员历时两年完成了多轮设计迭代，同时满足了各方约束要求，实现火箭与探测器完美“交接班”。
“深空探测道阻且长，但我们终于迈出成功的第一步。”张亦朴说。
拓展深空探测边界
在行星探测“旅途”中，天问二号探测器要脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间进行探测，其中一个目标所在轨道与太阳间距将达到约3.74亿公里，较传统绕地球卫星与太阳之间的距离更远。
“距离远、信号弱、延时大、频段高，这是深空探测任务的重要挑战。”中国电科网络通信研究院专家高延生告诉记者，为给天问二号探测器提供通信支撑，我国研制的喀什4×35米深空天线组阵系统等深空探测设备，将参与发射、探测、取样和返回等阶段。
此次任务操作涵盖探测、取样、返回等环节，对地面通信系统要求更高。
中国电科10所专家卢欧欣补充道，佳木斯66米深空测控站作为主力测控站点，在其他陆海测控站的配合下，将发挥超强“听诊器”“遥控器”等作用，让航天器完成调整姿态、轨道修正、点火制动等动作。
在跨越亿万公里的星际征途中，精准导航至关重要。去年12月27日，我国在上海松江、西藏日喀则、吉林长白山三地同步举行日喀则和长白山40米射电望远镜落成启用仪式，横跨西南、东北的两大深空探测“巨眼”正式启用。
这两台望远镜的加入，同位于新疆乌鲁木齐和上海天马观测台站的望远镜一道“凝望”太空，加之上海数据处理中心，构成我国甚长基线干涉测量网参加天问二号任务。
在中国科学院上海天文台射电天文科学与技术研究室主任郑为民看来，我国甚长基线干涉测量网将像一组精准感受风筝方位的“智能牵线”——即使风筝飞入云端看不见，也能通过多根“线”(望远镜)的协同感知，算出它的位置和轨迹，保障小行星探测任务。
“这种跨越时空的守望，可大幅提高探测器关键段轨道精度，描绘天问二号探测器的星际航线，以更少燃料飞向更远目标，让人类探索宇宙的每一步都走得更稳、更远。”郑为民说。
“实施天问二号任务，推动星际探测征程接续前进，迈出了深空探测的新一步。”国家航天局局长单忠德说，任务实施周期长，风险难度大，后续还将经历10余个飞行阶段。期待天问二号按计划完成各项探测任务，取得更多原创科学成果，揭开更多宇宙奥秘，增进人类认知。
发射成功仅是序章。接下来，是一场十年之约。
本报四川西昌5月29日电
中青报·中青网记者 邱晨辉来源：中国青年报
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