天问二号十年之旅将带回什么

　雷淼

　　2025年5月29日1时31分，长征三号乙遥一一〇运载火箭托举天问二号探测器，从西昌卫星发射中心直上苍穹。探测器精准进入预定轨道，开启了为期十年的科学探索征程。天问二号的十年太空之旅会带回什么？探索太阳系小天体又将为我国的深空探测打下哪些科学基础？今天我们就来说一说。

　　天问二号探测器（动画模拟图）国家航天局

　　天问二号探测彗星（动画模拟图）国家航天局

　　2025年5月29日1时31分，行星探测工程天问二号探测器发射升空。

　　十年科考两颗太阳系小天体

　　天问二号任务并不是继天问一号之后的第二次火星探测任务，而是中国行星探测工程的重要组成部分。该任务计划通过单次发射，实现对近地小行星2016 HO3、主带彗星311P/PanSTARRS（以下简称311P）这两颗太阳系小天体的科学探测。概括来说，这次行程是“一次往返加一次单程”。

　　天问二号发射入轨后，先用一年时间飞往第一个目标：近地小行星2016 HO3。这颗小行星围绕太阳的公转周期是365.77天，与地球的365.25天很接近。在高速公路上很难甩掉开得一样快的车，在太阳系里也是如此。所以，近地小行星2016 HO3在今后300年内，都会一直和地球保持着38到100个地月距离，不即不离地跟着地球转。与地球距离较近，意味着这颗小行星比其他太阳系天体更易到达，也意味着它与地球的起源演变有着深厚的渊源。打个比方，它可能是地球的“发小”，也可能是地月系形成时的副产品。

　　天问二号到达近地小行星2016 HO3后，会以大约20公里的距离伴飞一年。在此期间，按照“边飞边探，逐步逼近”的原则，它一边执行近距离探测任务，一边选取合适的着陆取样点。之后，探测器会从3公里远的停泊点逐渐落到小行星表面，采集100克以上的小行星样品。接下来，探测器回到停泊点，再用半年多时间返回地球。

　　不过，这次返回是“过家门而不入”：天问二号会放下一位“乘客”——小行星样品返回舱，由地面科研人员接手，而探测器主体则利用地球的引力加速，并在离子电推进系统的驱动下，迅速赶往下一个目的地，即主带彗星311P。这段旅程十分漫长，探测器大约需要飞行7年才能到达，随后在距离目标20公里处伴飞并开展近距离科学探测，直至任务结束。

　　主带彗星311P距离太阳约3.3亿公里，处于火星与木星轨道之间的小行星密集区域（即“主带”）里。2013年，科学家发现这颗小天体有着6条彗星一样的尾巴，引发了许多有趣的问题。比如，这颗小天体是主带的原住民还是外来户？如果它“生于斯，长于斯”，那么可挥发物质是如何在离太阳这么近的地方幸存至今的？这一保存机制是否普遍？彗星在“蛰伏”期间的状态是怎样的？形成地球原始海洋的水有没有主带小行星的一份功劳？

　　可以说，科学家对主带彗星311P的探测结果寄予厚望。地球上的进一步观测已表明，主带彗星311P可能还有一颗卫星，这一发现为天问二号的探测任务提供了额外的研究价值，也带来了更多技术挑战。

　　小天体研究方向喜忧参半

　　天问二号的两个探测目标都是太阳系小天体，而小天体的探测研究可以归为两个主要方面：一是太阳系的起源和演化，二是小天体对地球的影响。

　　在太阳系起源和演化领域，小天体一直是重要研究对象。

　　小天体是太阳系中最早形成的天体之一，它们各自围绕太阳“索然无趣”地运行了几十亿年，和大行星相比，这些原始天体在形成后的物理、化学性质改变最少，保留了太阳系形成早期的大量证据。

　　在航天科技发展以前，人类近距离研究小天体的渠道只有陨石。大约80%的陨石是原始球粒陨石，形成于45亿年前的太阳系早期，较完整地保留了太阳系原行星盘凝聚分馏和演化的历史。还有少数陨石是铁陨石、石铁陨石或非球粒陨石，为熔融分异的产物，经历过各个成分熔融后逐次结晶的过程。它们的形成时代同样也是45亿年前的太阳系早期，但熔融结构讲述的是另一个故事：这类陨石曾经处于某些小行星的内部，是高温的核或幔的一部分。那么，为什么有些小行星在太阳系早期发生了熔融分异，有些却没有经历过这种地质过程？熔融分异背后的物理机制是怎样的？在太阳系内的时间和空间上有什么分布规律？小行星主带上的众多小天体是由大行星原星子破裂而成，还是由于诸多原因无法凝聚成大行星而保留了小天体形态？诸多问题的背后，或许埋藏着太阳系起源与演化过程的线索。

　　在小天体对地球的影响方面，又有一喜一忧两个研究方向。

　　喜乐方向的研究是：地球形成之初是个炽热干燥的岩质星球，原始海洋的水很可能是由大量含水小天体撞击带来的，为地球上的生命化育提供了关键条件。国际上现有对陨石和小行星样品的研究也发现了多种多样的有机物，包括芳烃、羧酸、磺酸、富勒烯、脂肪烃、嘌呤、嘧啶以及几十种氨基酸等，为地球生命起源提供了新思路。

　　而忧患方向的研究是：小行星撞击事件给地球生命带来的灾祸。著名的恐龙灭绝事件自不待言，上世纪初的通古斯大爆炸是科学昌明时代的第一声警钟，就连今年年初的小行星2024 YR4撞击地球概率事件也把大家吓了一大跳。小天体的运行轨道很容易受到各种因素影响，除了其他天体施加的引力扰动之外，自身的形状、密度、物质分布、自转速率、转轴朝向、表面温度变化等都是改变其运行轨道的因素。认识这些因素对小天体轨道演化的影响，是预测、应对小天体撞击风险的基础。

　　此次，天问二号配置了10台科学载荷与1台搭载载荷，由表及里地对两个小天体进行全方位的考察。这些载荷主要有以下考察内容和科学目的。

　　1.小天体的“长相” 中视场彩色相机、窄视场导航敏感器与激光一体化导航敏感器开展小天体形貌研究和轨道动力学研究，包括测量小天体与探测器之间的相对轨道、构建精细三维立体模型和取样区的局部地形数据、测量小天体的形状大小和自转参数等基本物理特性。

　　2.小天体的“体格” 热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪与多光谱相机从多个波段建立小天体的表面温度分布图和热惯量分布图，采集表面光谱数据，用于研究小天体的物质成分，参与这方面研究的还有一台旋转衍射高光谱相机（搭载载荷）。此外，探测雷达用来摸清小天体表层和次表层的分层结构，开展小天体内部结构研究。

　　3.小天体的“生活”条件 这一任务兵分多路：磁强计采集剩磁、磁化强度和带电特性等信息；带电粒子与中性粒子分析仪测量太阳风通量分布、温度、密度、速度等参数，以及主带彗星附近的中性气体成分与密度分布；喷发物分析仪测量尘埃粒子的物理特性、成分、含量和空间分布特征，用于研究小天体的空间环境和可能存在的喷发物质。

　　创新取样技术应对未知着陆情况

　　天问二号太空探索第一站近地小行星2016 HO3的取样工作，是整个探测任务的重中之重，也是难度最大的一关。

　　小天体表面存在弱引力、不规则、物质特性未知等难点，这使得探测器着陆时存在反弹、倾倒、介质适应差而不能取样的风险，并增加了返回难度。科学家目前对这颗小行星所知甚少，只能从亮度大致判断它的尺寸在40米到100米，跟一栋普通的写字楼差不多大。这么小的天体，表面重力只有地球的百万分之一，与其说探测器“落”下去，还不如说是“贴”上去。此外，还要防备小天体对探测器的主动撞击。因为这颗小行星自转相当快，28分钟就能转一圈，假如它是个直径60米的球体，那么其赤道转速是每秒11厘米，可能超过小行星的表面逃逸速度。此时，若探测器不管不顾地登陆，很容易被它崎岖的表面横扫过来，撞回太空。

　　因此，天问二号在技术上做了很多创新。针对可能发生的不同情况，天问二号设计了悬停、触碰、附着3种取样模式。以附着模式为例，附着取样机器人的核心组成包括多关节机械臂和附着取样器。4条机械臂均分布于探测器外围，每条机械臂有4个关节，平时折叠，着陆前展开。机械臂末端安装有附着取样器，兼具附着固定和取样功能。也就是说，每条机械臂都是“手心里头有张嘴”。探测器顶部设有压力发动机，在着陆时可以提供一个按压的力量，防止探测器反弹，并在着陆后提供附着取样器“叮”进去的钻压力。同时，每条机械臂都能实时感知附着取样器与小行星表面的接触力，并通过关节反驱，对着陆冲击进行耗散，就像我们从高处往下跳时弯腿缓冲一样，实现主动软着陆。

　　天问二号的横向着陆速度设计为小于每秒5厘米，对于前面假设的“直径60米球体”，预计会选择高纬度着陆（此处的星表速度较低），并努力匹配小行星自转，以规避横向撞击风险。附着取样机器人还可以通过机械臂之间的步态协调及附着取样器的多次附着，在小行星表面爬行，实现多点探测。

　　附着成功后，取样就好办些了。附着取样器内部设计有超声波钻进机构和磨削清扫机构。前者可在小行星表面打孔，形成机械固连，后者可对打孔产生的样品进行收集。磨削清扫机构也可以通过砂轮和毛刷，对整块的硬质附着部位进行磨削取样。

　　总之，天问二号的确面临着一些特有的困难，如迄今最小的取样天体、最弱的引力、最快的自转速度等。科技工作者的奇思妙想，最终将靠探测器的实际表现来验证。

　　构建太阳系探测的基本工程能力

　　天问二号是我国开展的首次小行星探测任务，并且目标一上来就是两个知之甚少的天体，这在国际上能够借鉴的经验很有限，存在着诸多挑战。

　　两个天体不但未知因素很多，而且距离较远，存在较大的通信延迟。从地球发往近地小行星2016 HO3的信号至少要走50秒，而发往主带彗星311P的信号至少要走8分钟。所以，探测器必须灵活健壮，具有迅速的自主决策能力和对各种处境的强大适应能力，能够应对突发的各种未知情况。为了抵达主带彗星311P，天问二号需在太阳风和宇宙线肆虐的行星际空间长期飞行，这对探测器的可靠性也是个巨大的考验。

　　天问二号探测任务越过了火星轨道，目标遥远并且尺度极小，对测控和导航精度提出了前所未有的要求。为了服务天问二号，我国升级了在探月工程和天问一号任务中屡建奇功的甚长基线干涉测量（VLBI）网络，在日喀则和长白山启动了两座新的40米射电望远镜，使我国的VLBI网络从“四站一中心”升级到“六站一中心”，等效口径从3200公里扩至3800公里，在X波段的分辨率提高了18%，测角能力优于2毫角秒（好比在北京察觉到广州的一只猫动了动耳朵），为我国深空探测提供了更强的助力。

　　天问二号的小行星样品返回舱也暗藏玄机。它与主探测器分离后，将以每秒12公里的速度弹道式再入大气层，这是我国首次超第二宇宙速度地球再入，届时返回舱将承受每平方米12兆瓦的最大热流，并在约2倍音速下开伞，这对返回舱的防热隔热、结构强度以及气动过程稳定性等方面的要求均远超以往任务。

　　我国行星探测工程的总体目标是要在2030年前后构建起太阳系探测的基本工程能力，带动行星科学的发展进步。作为我国行星探测工程的重要组成部分，天问二号任务是对太阳系的又一次勇敢探索，必将系统促进行星科学基础研究，推动深空探测技术的突破。

　　我国的天问二号一出马就要探测两个目标，这是有底气的。早在2011年，已完成月球探测既定任务的嫦娥二号就开始了多个目标的航天实践，它先到达150万公里外的地月拉格朗日L2点，成为世界上首个从月球直接去L2点的航天器；2012年，它又从3.2公里远的地方飞掠了小行星托塔蒂斯。所以，我国构建太阳系探测的基本工程能力一直在积攒，每次成功的航天任务、惊险的设备救援，都是不断积累、创新突破的良机。接下来的天问三号火星取样返回、天问四号木星探测等任务，都将继续踩实来时的道路，为后来者踏出新的方向。

　　（作者为中国科普作家协会会员）

　　本版供图：视觉中国

责任编辑：雷淼

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