天問(wèn)二號(hào)主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、取樣并返回地球，此后再對(duì)主帶彗星311P開展科學(xué)探測(cè)。這是我國(guó)首次實(shí)施小行星采樣返回任務(wù)，邁出了深空探測(cè)的新一步
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)技術(shù)難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，設(shè)計(jì)任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對(duì)于這場(chǎng)漫長(zhǎng)征程來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)持續(xù)考驗(yàn)
文 |《瞭望》新聞周刊記者 賈雯靜
5月29日1時(shí)31分，輝光照亮夜空。由中國(guó)航天科技集團(tuán)所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長(zhǎng)征三號(hào)乙Y110運(yùn)載火箭（下稱長(zhǎng)三乙火箭），在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心烈焰中起飛。
火箭飛行約18分鐘后，將中國(guó)航天科技集團(tuán)所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院抓總研制的天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器送入地球至小行星2016HO3轉(zhuǎn)移軌道。此后，探測(cè)器太陽(yáng)翼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)天問(wèn)二號(hào)探測(cè)任務(wù)順利啟程，為后續(xù)深空探索跑好關(guān)鍵“第一棒”。
自2020年中國(guó)航天日啟動(dòng)“天問(wèn)”系列以來(lái)，這一以屈原詩(shī)句命名的行星探測(cè)工程，賡續(xù)中華文明對(duì)宇宙奧秘的追問(wèn)。目前，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器已獲取珍貴火星原始科學(xué)數(shù)據(jù)。
如今，天問(wèn)二號(hào)再次踏上星際探測(cè)征程，主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、取樣并返回地球，此后再對(duì)主帶彗星311P開展科學(xué)探測(cè)。
國(guó)家航天局局長(zhǎng)單忠德表示，國(guó)家航天局牽頭實(shí)施天問(wèn)二號(hào)任務(wù)，推動(dòng)星際探測(cè)征程接續(xù)前進(jìn)，邁出了深空探測(cè)的新一步。任務(wù)實(shí)施周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)難度大，工程全線攻堅(jiān)克難，協(xié)同攻關(guān)，確保了發(fā)射任務(wù)圓滿成功。
發(fā)射階段面臨三重挑戰(zhàn)
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)的首道難關(guān)在于發(fā)射環(huán)節(jié)。
為順利完成發(fā)射，本次行星探測(cè)任務(wù)選用的運(yùn)載工具為長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭三兄弟中“力氣最大”的長(zhǎng)三乙火箭，該火箭于1993年獲批立項(xiàng)，自1996年首飛成功至今，承擔(dān)了多個(gè)國(guó)家重大工程任務(wù)，曾執(zhí)行過(guò)嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)等探月工程任務(wù)，此前已完成108次發(fā)射，是我國(guó)宇航發(fā)射次數(shù)最多的單一型號(hào)火箭。
中國(guó)航天科技集團(tuán)魏遠(yuǎn)明表示，雖然已經(jīng)執(zhí)行了百余次發(fā)射任務(wù)，但此次任務(wù)是長(zhǎng)三乙火箭首次執(zhí)行地球逃逸軌道發(fā)射，面臨新情況新挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)一：速度要求更快。
魏遠(yuǎn)明介紹，以往發(fā)射地球軌道范圍內(nèi)的載荷時(shí)，火箭分離速度達(dá)第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物體在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的最小速度。
此次任務(wù)發(fā)射目標(biāo)并非繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，航天器必須完全脫離地球引力控制進(jìn)入逃逸軌道，火箭分離時(shí)速度須達(dá)到第二宇宙速度，最低要求為每秒11.2千米。
“這對(duì)火箭的運(yùn)載能力、履約能力等都提出了更高要求。”魏遠(yuǎn)明說(shuō)。
挑戰(zhàn)二：精度要求更高。
“小行星體積小、質(zhì)量小、引力弱，捕獲難度大，對(duì)火箭入軌精度要求高。”中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院張亦樸說(shuō)，此次火箭入軌速度達(dá)到每秒11.2千米的同時(shí)，速度偏差不能超過(guò)1米，才能將天問(wèn)二號(hào)精準(zhǔn)送入軌道，否則可能會(huì)造成百萬(wàn)公里的級(jí)差。
難點(diǎn)三：發(fā)射窗口更窄。
小行星2016HO3運(yùn)行軌道較為特殊，一方面既像其他小行星一樣環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，且公轉(zhuǎn)周期與地球相近；另一方面，其軌道又圍繞地球運(yùn)行。
這種特殊運(yùn)行軌跡使它與地球的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，只有在特定時(shí)間段內(nèi)，地球、探測(cè)器和小行星才能處于相對(duì)合適的位置關(guān)系，從而確保探測(cè)器能夠以更快的速度抵近小行星并實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)。
經(jīng)過(guò)專家團(tuán)隊(duì)測(cè)算，此次發(fā)射任務(wù)的窗口期僅為5月29日到31日連續(xù)3天，每天只有4分鐘。加之目標(biāo)小行星與地球的相對(duì)位置處于變化之中，只有零窗口發(fā)射最節(jié)省燃料，給型號(hào)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。
多方協(xié)同、技術(shù)迭代 確保發(fā)射“萬(wàn)無(wú)一失”
早在2018年，天問(wèn)二號(hào)的發(fā)射任務(wù)就“花落”長(zhǎng)三乙火箭。為確保其可靠、精準(zhǔn)、準(zhǔn)時(shí)跑好天問(wèn)二號(hào)任務(wù)“第一棒”，工程全線攻堅(jiān)克難，協(xié)同攻關(guān)，確?；鸺l(fā)射“萬(wàn)無(wú)一失”。
提高運(yùn)載能力方面，針對(duì)長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭，型號(hào)團(tuán)隊(duì)于2020年實(shí)施運(yùn)載能力與可靠性“雙提升”工程，完成了多條技術(shù)狀態(tài)變化的驗(yàn)證工作，確認(rèn)了箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送、總裝總測(cè)三大系統(tǒng)數(shù)十個(gè)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，并對(duì)總裝全過(guò)程狀態(tài)從嚴(yán)要求，針對(duì)性梳理了裝配風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并予以排除，確保產(chǎn)品順利完成總裝測(cè)試。該工程后，長(zhǎng)三乙火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提升至5.55噸，與天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器質(zhì)量要求更貼合。
確保精確入軌方面，研制團(tuán)隊(duì)在采用迭代制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)上，還運(yùn)用了末速修正技術(shù)，在分離前實(shí)時(shí)調(diào)整火箭的速度、姿態(tài)等，確保滿足入軌精度要求。
不僅如此，研制人員經(jīng)過(guò)多輪協(xié)調(diào)，將連續(xù)3個(gè)發(fā)射日每天一套發(fā)射軌道程序簡(jiǎn)化為3天共用一套程序，大大精簡(jiǎn)了發(fā)射流程，提高火箭可靠性和任務(wù)適應(yīng)性。
火箭測(cè)控系統(tǒng)方面，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心馬忠權(quán)介紹，為滿足零窗口發(fā)射需求，團(tuán)隊(duì)對(duì)測(cè)控設(shè)備精度不斷進(jìn)行調(diào)校，通過(guò)測(cè)控火箭外側(cè)的飛行彈道、飛行姿態(tài)以及火箭內(nèi)側(cè)的氣壓、燃料使用情況、溫度等指標(biāo)，了解火箭整體飛行狀態(tài)。
本次測(cè)控系統(tǒng)還進(jìn)行了全自動(dòng)跟蹤改造，借助AI算法讓測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行跟蹤捕獲，減輕操作手壓力，提高跟蹤性能和應(yīng)急情況處理能力。
火箭整體設(shè)計(jì)方面，馬忠權(quán)說(shuō)：“多年來(lái)火箭外形延續(xù)經(jīng)典，實(shí)際上，其內(nèi)部的電氣、動(dòng)力、火工等系統(tǒng)和裝置已歷經(jīng)三年的迭代升級(jí)。”與此同時(shí)，型號(hào)團(tuán)隊(duì)對(duì)箭上關(guān)鍵產(chǎn)品優(yōu)中選優(yōu)、加嚴(yán)驗(yàn)收、增加測(cè)試項(xiàng)目，嚴(yán)格控制火箭技術(shù)狀態(tài)變化。
此外，“長(zhǎng)三乙火箭還采用了通用化、系列化、組合化的設(shè)計(jì)思路，為全流程研制生產(chǎn)效率提速。”中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院覃藝說(shuō)。
例如施行“去任務(wù)化”的設(shè)計(jì)研制模式，即火箭助推器、芯一級(jí)、芯二級(jí)、芯三級(jí)等產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)通用化和組批投產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，縮短履約周期。
再如施行批量生產(chǎn)管理模式，通過(guò)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、火箭總裝和出廠測(cè)試并行開展，實(shí)施滾動(dòng)出廠發(fā)射，實(shí)現(xiàn)流水線式柔性作業(yè)的運(yùn)載火箭批生產(chǎn)，達(dá)到年生產(chǎn)發(fā)射15發(fā)火箭的能力水平，更好應(yīng)對(duì)任務(wù)需求。
后續(xù)探測(cè)、采樣階段仍存不確定性
發(fā)射任務(wù)圓滿成功僅僅是“第一步”。“天問(wèn)二號(hào)任務(wù)技術(shù)難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，設(shè)計(jì)任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對(duì)于這場(chǎng)漫長(zhǎng)征程來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)持續(xù)考驗(yàn)。”多位受訪專家提到。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)共包含發(fā)射段、小行星轉(zhuǎn)移段、小行星接近段、小行星交會(huì)段、小行星近距探測(cè)段、小行星采樣段、返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段、再入回收段、主帶彗星轉(zhuǎn)移段、主帶彗星接近段、主帶彗星交會(huì)段、主帶彗星近距探測(cè)段等13個(gè)飛行階段。
在探測(cè)階段，任務(wù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在時(shí)間周期長(zhǎng)，能源需求量大。中國(guó)航天科技集團(tuán)曾福明說(shuō)，小行星2016HO3距離地球1800萬(wàn)至4600萬(wàn)公里，主帶彗星311P距離地球1.5億至5億公里，距離地球遠(yuǎn)，通信存在較長(zhǎng)延遲。這對(duì)能源管理、智能控制以及產(chǎn)品的壽命、可靠性等方面都提出了較高要求。
為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，曾福明說(shuō)：“本次任務(wù)創(chuàng)新性采用大面積圓形柔性太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能源供給與輕量化的效果。”
同時(shí)，探測(cè)器共配置11臺(tái)科學(xué)設(shè)備，將助力探測(cè)器在飛行過(guò)程中對(duì)小行星和主帶彗星進(jìn)行光譜測(cè)量、光學(xué)成像、空間環(huán)境探測(cè)等，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，為后續(xù)采樣環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。
在采樣階段，難點(diǎn)一方面體現(xiàn)在目標(biāo)天體的未知特性?；诋?dāng)前有限觀測(cè)數(shù)據(jù)，人類對(duì)小行星2016HO3的形態(tài)特征，如形狀、具體尺寸，表面物理狀態(tài)，如物質(zhì)組成等關(guān)鍵信息認(rèn)知不足。這種不確定性對(duì)探測(cè)器自主化程度、多類型采樣能力要求更高，以應(yīng)對(duì)潛在的樣本獲取風(fēng)險(xiǎn)。
另一方面，還需要突破弱引力條件下的附著與采樣難題。據(jù)了解，小行星2016HO3質(zhì)量較小，幾乎處于零重力環(huán)境，堅(jiān)硬表面易造成探測(cè)器反彈，松散表面又難以阻止探測(cè)器下陷，加之其處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，探測(cè)器的控制必須足夠精確。因此，于有限時(shí)間內(nèi)完成采樣任務(wù)并將樣品裝進(jìn)容器難度較大。“針對(duì)此，我們?cè)谇捌谝呀?jīng)進(jìn)行了多次地面驗(yàn)證，但仍然可能面臨未知情況。”中國(guó)航天科技集團(tuán)陳春亮說(shuō)。
在考驗(yàn)中積累寶貴經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)財(cái)富
曾福明表示，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)面臨多重考驗(yàn)，是我國(guó)深空探索不斷深入的重要實(shí)踐，從中可以積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，不斷對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和創(chuàng)新。
這也是此次任務(wù)的工程目標(biāo)之一——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)。錨定這一工程目標(biāo)，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)在技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)產(chǎn)出上具有顯著特點(diǎn)。
一方面創(chuàng)新小天體采樣方式，除觸碰采樣方式外，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)還將根據(jù)探測(cè)具體情況實(shí)施懸停采樣以及附著采樣。
另一方面推動(dòng)智能化航天器發(fā)展，針對(duì)目標(biāo)天體特性未知等難題，探測(cè)器將采用“邊飛邊探邊決策”的策略，獲取目標(biāo)天體特性信息后，在地面策略指導(dǎo)下基本自主開展目標(biāo)天體的精準(zhǔn)捕獲、逐步接近、科學(xué)探測(cè)和樣品采集。
鎖定工程目標(biāo)的同時(shí)，科學(xué)目標(biāo)亦是此次任務(wù)的核心關(guān)鍵。天問(wèn)二號(hào)任務(wù)工程副總師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉建軍介紹，小行星是太陽(yáng)系中一種非常獨(dú)特的天體，形成于太陽(yáng)系早期約45億年前，沒(méi)有經(jīng)過(guò)類似于地球一樣的演化過(guò)程，基本保持原有狀態(tài)，對(duì)地球和太陽(yáng)系的研究均具有重要意義。
而目標(biāo)小行星2016HO3是在2016年發(fā)現(xiàn)的地球第5顆（共7顆）準(zhǔn)衛(wèi)星，非常稀缺，在上百萬(wàn)個(gè)小天體中萬(wàn)里挑一，科學(xué)家對(duì)其起源也眾說(shuō)紛紜，加上對(duì)其形狀、構(gòu)成等情況了解甚少，具有很大的研究?jī)r(jià)值。
“主帶彗星311P同樣特殊，又稱活躍小行星，其軌道位于主帶小行星上，同時(shí)具備彗星噴發(fā)的特征，也承載著重要的科學(xué)探索意義。”天問(wèn)二號(hào)任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員蘇彥說(shuō)。
因此，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)聚焦于測(cè)定小行星和主帶彗星的多項(xiàng)物理參數(shù)。一是測(cè)定小行星和主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小、熱輻射特性等物理參數(shù)，開展軌道動(dòng)力學(xué)研究；二是開展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；三是開展樣品的實(shí)驗(yàn)室分析研究，測(cè)定樣品物理性質(zhì)、化學(xué)與礦物成分，開展小行星和太陽(yáng)系早期的形成與演化研究。
深空探測(cè)道阻且長(zhǎng)，航天事業(yè)發(fā)展任重道遠(yuǎn)，單忠德表示，期待天問(wèn)二號(hào)按計(jì)劃完成各項(xiàng)探測(cè)任務(wù)，取得更多原創(chuàng)科學(xué)成果，揭開更多宇宙奧秘，增進(jìn)人類認(rèn)知。
天問(wèn)二號(hào)主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、取樣并返回地球，此后再對(duì)主帶彗星311P開展科學(xué)探測(cè)。這是我國(guó)首次實(shí)施小行星采樣返回任務(wù)，邁出了深空探測(cè)的新一步
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)技術(shù)難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，設(shè)計(jì)任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對(duì)于這場(chǎng)漫長(zhǎng)征程來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)持續(xù)考驗(yàn)
文 |《瞭望》新聞周刊記者 賈雯靜
5月29日1時(shí)31分，輝光照亮夜空。由中國(guó)航天科技集團(tuán)所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長(zhǎng)征三號(hào)乙Y110運(yùn)載火箭（下稱長(zhǎng)三乙火箭），在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心烈焰中起飛。
火箭飛行約18分鐘后，將中國(guó)航天科技集團(tuán)所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院抓總研制的天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器送入地球至小行星2016HO3轉(zhuǎn)移軌道。此后，探測(cè)器太陽(yáng)翼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)天問(wèn)二號(hào)探測(cè)任務(wù)順利啟程，為后續(xù)深空探索跑好關(guān)鍵“第一棒”。
自2020年中國(guó)航天日啟動(dòng)“天問(wèn)”系列以來(lái)，這一以屈原詩(shī)句命名的行星探測(cè)工程，賡續(xù)中華文明對(duì)宇宙奧秘的追問(wèn)。目前，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器已獲取珍貴火星原始科學(xué)數(shù)據(jù)。
如今，天問(wèn)二號(hào)再次踏上星際探測(cè)征程，主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、取樣并返回地球，此后再對(duì)主帶彗星311P開展科學(xué)探測(cè)。
國(guó)家航天局局長(zhǎng)單忠德表示，國(guó)家航天局牽頭實(shí)施天問(wèn)二號(hào)任務(wù)，推動(dòng)星際探測(cè)征程接續(xù)前進(jìn)，邁出了深空探測(cè)的新一步。任務(wù)實(shí)施周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)難度大，工程全線攻堅(jiān)克難，協(xié)同攻關(guān)，確保了發(fā)射任務(wù)圓滿成功。
發(fā)射階段面臨三重挑戰(zhàn)
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)的首道難關(guān)在于發(fā)射環(huán)節(jié)。
為順利完成發(fā)射，本次行星探測(cè)任務(wù)選用的運(yùn)載工具為長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭三兄弟中“力氣最大”的長(zhǎng)三乙火箭，該火箭于1993年獲批立項(xiàng)，自1996年首飛成功至今，承擔(dān)了多個(gè)國(guó)家重大工程任務(wù)，曾執(zhí)行過(guò)嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)等探月工程任務(wù)，此前已完成108次發(fā)射，是我國(guó)宇航發(fā)射次數(shù)最多的單一型號(hào)火箭。
中國(guó)航天科技集團(tuán)魏遠(yuǎn)明表示，雖然已經(jīng)執(zhí)行了百余次發(fā)射任務(wù)，但此次任務(wù)是長(zhǎng)三乙火箭首次執(zhí)行地球逃逸軌道發(fā)射，面臨新情況新挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)一：速度要求更快。
魏遠(yuǎn)明介紹，以往發(fā)射地球軌道范圍內(nèi)的載荷時(shí)，火箭分離速度達(dá)第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物體在地球表面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的最小速度。
此次任務(wù)發(fā)射目標(biāo)并非繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，航天器必須完全脫離地球引力控制進(jìn)入逃逸軌道，火箭分離時(shí)速度須達(dá)到第二宇宙速度，最低要求為每秒11.2千米。
“這對(duì)火箭的運(yùn)載能力、履約能力等都提出了更高要求。”魏遠(yuǎn)明說(shuō)。
挑戰(zhàn)二：精度要求更高。
“小行星體積小、質(zhì)量小、引力弱，捕獲難度大，對(duì)火箭入軌精度要求高。”中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院張亦樸說(shuō)，此次火箭入軌速度達(dá)到每秒11.2千米的同時(shí)，速度偏差不能超過(guò)1米，才能將天問(wèn)二號(hào)精準(zhǔn)送入軌道，否則可能會(huì)造成百萬(wàn)公里的級(jí)差。
難點(diǎn)三：發(fā)射窗口更窄。
小行星2016HO3運(yùn)行軌道較為特殊，一方面既像其他小行星一樣環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，且公轉(zhuǎn)周期與地球相近；另一方面，其軌道又圍繞地球運(yùn)行。
這種特殊運(yùn)行軌跡使它與地球的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，只有在特定時(shí)間段內(nèi)，地球、探測(cè)器和小行星才能處于相對(duì)合適的位置關(guān)系，從而確保探測(cè)器能夠以更快的速度抵近小行星并實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)。
經(jīng)過(guò)專家團(tuán)隊(duì)測(cè)算，此次發(fā)射任務(wù)的窗口期僅為5月29日到31日連續(xù)3天，每天只有4分鐘。加之目標(biāo)小行星與地球的相對(duì)位置處于變化之中，只有零窗口發(fā)射最節(jié)省燃料，給型號(hào)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。
多方協(xié)同、技術(shù)迭代 確保發(fā)射“萬(wàn)無(wú)一失”
早在2018年，天問(wèn)二號(hào)的發(fā)射任務(wù)就“花落”長(zhǎng)三乙火箭。為確保其可靠、精準(zhǔn)、準(zhǔn)時(shí)跑好天問(wèn)二號(hào)任務(wù)“第一棒”，工程全線攻堅(jiān)克難，協(xié)同攻關(guān)，確?；鸺l(fā)射“萬(wàn)無(wú)一失”。
提高運(yùn)載能力方面，針對(duì)長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭，型號(hào)團(tuán)隊(duì)于2020年實(shí)施運(yùn)載能力與可靠性“雙提升”工程，完成了多條技術(shù)狀態(tài)變化的驗(yàn)證工作，確認(rèn)了箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送、總裝總測(cè)三大系統(tǒng)數(shù)十個(gè)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，并對(duì)總裝全過(guò)程狀態(tài)從嚴(yán)要求，針對(duì)性梳理了裝配風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并予以排除，確保產(chǎn)品順利完成總裝測(cè)試。該工程后，長(zhǎng)三乙火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提升至5.55噸，與天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器質(zhì)量要求更貼合。
確保精確入軌方面，研制團(tuán)隊(duì)在采用迭代制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)上，還運(yùn)用了末速修正技術(shù)，在分離前實(shí)時(shí)調(diào)整火箭的速度、姿態(tài)等，確保滿足入軌精度要求。
不僅如此，研制人員經(jīng)過(guò)多輪協(xié)調(diào)，將連續(xù)3個(gè)發(fā)射日每天一套發(fā)射軌道程序簡(jiǎn)化為3天共用一套程序，大大精簡(jiǎn)了發(fā)射流程，提高火箭可靠性和任務(wù)適應(yīng)性。
火箭測(cè)控系統(tǒng)方面，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心馬忠權(quán)介紹，為滿足零窗口發(fā)射需求，團(tuán)隊(duì)對(duì)測(cè)控設(shè)備精度不斷進(jìn)行調(diào)校，通過(guò)測(cè)控火箭外側(cè)的飛行彈道、飛行姿態(tài)以及火箭內(nèi)側(cè)的氣壓、燃料使用情況、溫度等指標(biāo)，了解火箭整體飛行狀態(tài)。
本次測(cè)控系統(tǒng)還進(jìn)行了全自動(dòng)跟蹤改造，借助AI算法讓測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行跟蹤捕獲，減輕操作手壓力，提高跟蹤性能和應(yīng)急情況處理能力。
火箭整體設(shè)計(jì)方面，馬忠權(quán)說(shuō)：“多年來(lái)火箭外形延續(xù)經(jīng)典，實(shí)際上，其內(nèi)部的電氣、動(dòng)力、火工等系統(tǒng)和裝置已歷經(jīng)三年的迭代升級(jí)。”與此同時(shí)，型號(hào)團(tuán)隊(duì)對(duì)箭上關(guān)鍵產(chǎn)品優(yōu)中選優(yōu)、加嚴(yán)驗(yàn)收、增加測(cè)試項(xiàng)目，嚴(yán)格控制火箭技術(shù)狀態(tài)變化。
此外，“長(zhǎng)三乙火箭還采用了通用化、系列化、組合化的設(shè)計(jì)思路，為全流程研制生產(chǎn)效率提速。”中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院覃藝說(shuō)。
例如施行“去任務(wù)化”的設(shè)計(jì)研制模式，即火箭助推器、芯一級(jí)、芯二級(jí)、芯三級(jí)等產(chǎn)品都實(shí)現(xiàn)通用化和組批投產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，縮短履約周期。
再如施行批量生產(chǎn)管理模式，通過(guò)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、火箭總裝和出廠測(cè)試并行開展，實(shí)施滾動(dòng)出廠發(fā)射，實(shí)現(xiàn)流水線式柔性作業(yè)的運(yùn)載火箭批生產(chǎn)，達(dá)到年生產(chǎn)發(fā)射15發(fā)火箭的能力水平，更好應(yīng)對(duì)任務(wù)需求。
后續(xù)探測(cè)、采樣階段仍存不確定性
發(fā)射任務(wù)圓滿成功僅僅是“第一步”。“天問(wèn)二號(hào)任務(wù)技術(shù)難度大，工程風(fēng)險(xiǎn)高，設(shè)計(jì)任務(wù)周期10年左右，后續(xù)環(huán)節(jié)的不確定因素對(duì)于這場(chǎng)漫長(zhǎng)征程來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)持續(xù)考驗(yàn)。”多位受訪專家提到。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)共包含發(fā)射段、小行星轉(zhuǎn)移段、小行星接近段、小行星交會(huì)段、小行星近距探測(cè)段、小行星采樣段、返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段、再入回收段、主帶彗星轉(zhuǎn)移段、主帶彗星接近段、主帶彗星交會(huì)段、主帶彗星近距探測(cè)段等13個(gè)飛行階段。
在探測(cè)階段，任務(wù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在時(shí)間周期長(zhǎng)，能源需求量大。中國(guó)航天科技集團(tuán)曾福明說(shuō)，小行星2016HO3距離地球1800萬(wàn)至4600萬(wàn)公里，主帶彗星311P距離地球1.5億至5億公里，距離地球遠(yuǎn)，通信存在較長(zhǎng)延遲。這對(duì)能源管理、智能控制以及產(chǎn)品的壽命、可靠性等方面都提出了較高要求。
為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，曾福明說(shuō)：“本次任務(wù)創(chuàng)新性采用大面積圓形柔性太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能源供給與輕量化的效果。”
同時(shí)，探測(cè)器共配置11臺(tái)科學(xué)設(shè)備，將助力探測(cè)器在飛行過(guò)程中對(duì)小行星和主帶彗星進(jìn)行光譜測(cè)量、光學(xué)成像、空間環(huán)境探測(cè)等，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，為后續(xù)采樣環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。
在采樣階段，難點(diǎn)一方面體現(xiàn)在目標(biāo)天體的未知特性?；诋?dāng)前有限觀測(cè)數(shù)據(jù)，人類對(duì)小行星2016HO3的形態(tài)特征，如形狀、具體尺寸，表面物理狀態(tài)，如物質(zhì)組成等關(guān)鍵信息認(rèn)知不足。這種不確定性對(duì)探測(cè)器自主化程度、多類型采樣能力要求更高，以應(yīng)對(duì)潛在的樣本獲取風(fēng)險(xiǎn)。
另一方面，還需要突破弱引力條件下的附著與采樣難題。據(jù)了解，小行星2016HO3質(zhì)量較小，幾乎處于零重力環(huán)境，堅(jiān)硬表面易造成探測(cè)器反彈，松散表面又難以阻止探測(cè)器下陷，加之其處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，探測(cè)器的控制必須足夠精確。因此，于有限時(shí)間內(nèi)完成采樣任務(wù)并將樣品裝進(jìn)容器難度較大。“針對(duì)此，我們?cè)谇捌谝呀?jīng)進(jìn)行了多次地面驗(yàn)證，但仍然可能面臨未知情況。”中國(guó)航天科技集團(tuán)陳春亮說(shuō)。
在考驗(yàn)中積累寶貴經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)財(cái)富
曾福明表示，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)面臨多重考驗(yàn)，是我國(guó)深空探索不斷深入的重要實(shí)踐，從中可以積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，不斷對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和創(chuàng)新。
這也是此次任務(wù)的工程目標(biāo)之一——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)。錨定這一工程目標(biāo)，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)在技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)產(chǎn)出上具有顯著特點(diǎn)。
一方面創(chuàng)新小天體采樣方式，除觸碰采樣方式外，天問(wèn)二號(hào)任務(wù)還將根據(jù)探測(cè)具體情況實(shí)施懸停采樣以及附著采樣。
另一方面推動(dòng)智能化航天器發(fā)展，針對(duì)目標(biāo)天體特性未知等難題，探測(cè)器將采用“邊飛邊探邊決策”的策略，獲取目標(biāo)天體特性信息后，在地面策略指導(dǎo)下基本自主開展目標(biāo)天體的精準(zhǔn)捕獲、逐步接近、科學(xué)探測(cè)和樣品采集。
鎖定工程目標(biāo)的同時(shí)，科學(xué)目標(biāo)亦是此次任務(wù)的核心關(guān)鍵。天問(wèn)二號(hào)任務(wù)工程副總師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉建軍介紹，小行星是太陽(yáng)系中一種非常獨(dú)特的天體，形成于太陽(yáng)系早期約45億年前，沒(méi)有經(jīng)過(guò)類似于地球一樣的演化過(guò)程，基本保持原有狀態(tài)，對(duì)地球和太陽(yáng)系的研究均具有重要意義。
而目標(biāo)小行星2016HO3是在2016年發(fā)現(xiàn)的地球第5顆（共7顆）準(zhǔn)衛(wèi)星，非常稀缺，在上百萬(wàn)個(gè)小天體中萬(wàn)里挑一，科學(xué)家對(duì)其起源也眾說(shuō)紛紜，加上對(duì)其形狀、構(gòu)成等情況了解甚少，具有很大的研究?jī)r(jià)值。
“主帶彗星311P同樣特殊，又稱活躍小行星，其軌道位于主帶小行星上，同時(shí)具備彗星噴發(fā)的特征，也承載著重要的科學(xué)探索意義。”天問(wèn)二號(hào)任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員蘇彥說(shuō)。
因此，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)聚焦于測(cè)定小行星和主帶彗星的多項(xiàng)物理參數(shù)。一是測(cè)定小行星和主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小、熱輻射特性等物理參數(shù)，開展軌道動(dòng)力學(xué)研究；二是開展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；三是開展樣品的實(shí)驗(yàn)室分析研究，測(cè)定樣品物理性質(zhì)、化學(xué)與礦物成分，開展小行星和太陽(yáng)系早期的形成與演化研究。
深空探測(cè)道阻且長(zhǎng)，航天事業(yè)發(fā)展任重道遠(yuǎn)，單忠德表示，期待天問(wèn)二號(hào)按計(jì)劃完成各項(xiàng)探測(cè)任務(wù)，取得更多原創(chuàng)科學(xué)成果，揭開更多宇宙奧秘，增進(jìn)人類認(rèn)知。
本文鏈接：http://www.bizone66.com/v-146-1661.html天問(wèn)二號(hào)叩響中國(guó)小行星探測(cè)之門
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