和天問二號來一場“十年之約”
我國開啟小行星探測與采樣返回之旅
當人類將目光投向浩瀚深空，或許沒有什么比星際探索更令人心馳神往，但這也需要傾注超乎想象的耐心與堅持——眼下的天問二號任務(wù)，正是這樣一場探索之旅。
5月29日1時31分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，隨著撼天動地的轟鳴劃破長空，天問二號探測器搭乘長征三號乙運載火箭刺破云霄，踏上深空探測征程。
這是我國首次小行星采樣返回任務(wù)，也是繼天問一號火星探測之后，又一次行星際探測任務(wù)。在端午佳節(jié)到來之際，中國人再次向浩瀚蒼穹發(fā)出“天問”。如果說月球探測仍未擺脫地球引力，那么行星際探測在某種意義上才真正稱得上是走出地球“搖籃”。
這一“走”要持續(xù)約10年，跨越億萬公里：天問二號探測器將先與近地小行星2016HO3“共舞”，完成探測、取樣及返回地球的“星際快遞”使命；“分身”奔赴主帶彗星311P的軌道，開展對太陽系早期物質(zhì)的“時空溯源”。
這場漫長的、需要極致耐心與堅韌毅力的星際遠征，有望在太陽系演化圖譜上鐫刻下中國印記。
為何是2016HO3這顆小行星
天問二號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學院國家天文臺研究員蘇彥介紹，小行星2016HO3是人類目前發(fā)現(xiàn)的地球準衛(wèi)星之一。其保留著太陽系誕生之初的原始信息，是研究太陽系早期物質(zhì)組成、形成過程和演化歷史的“活化石”，具有極高科研價值。
她告訴記者，天問二號的科學目標聚焦于測定小行星和主帶彗星的多項物理參數(shù)，一是測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)，開展軌道動力學研究；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；三是開展樣品的實驗室分析研究，測定樣品物理性質(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。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、天問二號任務(wù)新聞發(fā)言人韓思遠表示，任務(wù)工程目標一是突破弱引力天體表面取樣、高精度相對自主導航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計等一系列關(guān)鍵技術(shù)，二是為小行星起源及演化等前沿科學研究提供探測數(shù)據(jù)和珍貴樣品。
作為“地球的鄰居”，這顆小行星位于距離地球約1800萬至4600萬公里的深空中，其軌道參數(shù)與地球幾乎相同，與地球同步繞太陽公轉(zhuǎn)。距離地球最近的時候，也有地月距離的40多倍。
探測難度不言而喻。與火星探測不同，小行星幾乎不存在重力場，這導致航天器無法像環(huán)繞行星那樣繞其飛行，只能在廣袤宇宙中精準追蹤并追上目標天體，實現(xiàn)與小行星的同軌探測，進而完成相關(guān)操作、擇機實施采樣。
國家航天局探月與航天工程中心有關(guān)專家介紹，天問二號任務(wù)共包含發(fā)射段、小行星轉(zhuǎn)移段、小行星接近段、小行星交會段、小行星近距探測段、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、主帶彗星交會段、主帶彗星近距探測段等13個飛行階段。
其中，小行星探測和采樣返回包括9個階段，發(fā)射段順利完成后，探測器進入小行星轉(zhuǎn)移段，這一階段將持續(xù)約1年，其間需實施深空機動、中途修正等操作，直至距離小行星約3萬公里處。
隨后依次進入小行星接近段、交會段、近距探測段，在近距探測段按照“邊飛邊探、逐步逼近”原則，對小行星開展懸停、主動繞飛等探測，確定采樣區(qū)后進入采樣段。完成采樣任務(wù)后，探測器將經(jīng)歷返回等待段、返回轉(zhuǎn)移段，在返回轉(zhuǎn)移段接近地球，返回艙與主探測器分離，之后獨自進入再入回收段，預計于2027年年底著陸地球并完成回收。
此后，主探測器繼續(xù)飛行，前往主帶彗星311P，開展后續(xù)探測任務(wù)。
這是一個運行于火星與木星軌道間小行星帶內(nèi)的小天體，距離地球約1.5億至5億公里。在蘇彥眼中，其兼具彗星的物質(zhì)構(gòu)成特征與小行星的軌道特征，開展探測有助于了解小天體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及演化機制，填補太陽系小天體研究領(lǐng)域的空白。
對于它的探測，仍需時光沉淀。當前，我們才邁出天問二號漫長探測過程的“第一步”。
小行星探測和采樣返回“第一步”
5月29日1時31分，長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火起飛，火箭飛行約18分鐘后，將探測器送入地球至小行星2016HO3轉(zhuǎn)移軌道。此后，探測器太陽翼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。
這是該系列運載火箭首次執(zhí)行地球逃逸軌道發(fā)射任務(wù)。
此前，發(fā)射地球軌道范圍內(nèi)的載荷，火箭分離速度為第一宇宙速度，即每秒7.9千米。但此次任務(wù)中，火箭分離時速度超過每秒11.2千米的第二宇宙速度，從而使探測器脫離地球引力，這需要極高的速度和能量。
中國航天科技集團專家魏遠明表示，長征三號乙運載火箭，是我國高軌發(fā)射的主力火箭，也是我國宇航發(fā)射次數(shù)最多的火箭，此前已完成108次發(fā)射，曾執(zhí)行過嫦娥三號、嫦娥四號等探月工程任務(wù)。在綜合考量火箭運載能力、履約能力和可靠性等因素后，最終該火箭成為此次小行星探測之旅的“專屬座駕”。
他同時表示，目標小行星本身體積小、質(zhì)量小、引力弱，捕獲難度大，對火箭入軌精度要求極高。
中國航天科技集團專家張亦樸告訴記者，地球逃逸軌道高度高，火箭要掙脫地心引力束縛所需的能量多、速度快，不到萬分之一速度差，都會造成探測器距離小行星百萬公里級誤差。
“火箭入軌時的速度超過每秒10公里，只有將誤差控制在每秒1米之內(nèi)才能將天問二號探測器精準送入軌道。”張亦樸說。
他打了個比方：這樣的入軌精度，就好比在上海投出一個籃球，要投中位于北京的籃筐，還要保證籃球入筐時的飛行角度和速度。
作為小行星探測的“天梯”，長征三號乙運載火箭要跑好小行星探測“第一棒”，還面臨一個挑戰(zhàn)：任務(wù)發(fā)射窗口要求極高，5月29日起連續(xù)3天，每天只有4分鐘。
“由于目標小行星與地球的相對位置一直在變化，只有‘零窗口’發(fā)射最節(jié)省燃料。”張亦樸說，研制團隊針對連續(xù)3天的發(fā)射窗口，將原本每天1套、共計3套的火箭飛行程序，簡化為一套程序，進一步提高火箭可靠性和任務(wù)適應(yīng)性。
他告訴記者，小行星探測任務(wù)相比常規(guī)發(fā)射受到更多約束，涉及火箭、載荷、測控、空間、時間等方面，相關(guān)設(shè)計工作量是以往的3倍，設(shè)計人員歷時兩年完成了多輪設(shè)計迭代，同時滿足了各方約束要求，實現(xiàn)火箭與探測器完美“交接班”。
“深空探測道阻且長，但我們終于邁出成功的第一步?！睆堃鄻阏f。
拓展深空探測邊界
在行星探測“旅途”中，天問二號探測器要脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間進行探測，其中一個目標所在軌道與太陽間距將達到約3.74億公里，較傳統(tǒng)繞地球衛(wèi)星與太陽之間的距離更遠。
“距離遠、信號弱、延時大、頻段高，這是深空探測任務(wù)的重要挑戰(zhàn)。”中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院專家高延生告訴記者，為給天問二號探測器提供通信支撐，我國研制的喀什4×35米深空天線組陣系統(tǒng)等深空探測設(shè)備，將參與發(fā)射、探測、取樣和返回等階段。
此次任務(wù)操作涵蓋探測、取樣、返回等環(huán)節(jié)，對地面通信系統(tǒng)要求更高。
中國電科10所專家盧歐欣補充道，佳木斯66米深空測控站作為主力測控站點，在其他陸海測控站的配合下，將發(fā)揮超強“聽診器”“遙控器”等作用，讓航天器完成調(diào)整姿態(tài)、軌道修正、點火制動等動作。
在跨越億萬公里的星際征途中，精準導航至關(guān)重要。去年12月27日，我國在上海松江、西藏日喀則、吉林長白山三地同步舉行日喀則和長白山40米射電望遠鏡落成啟用儀式，橫跨西南、東北的兩大深空探測“巨眼”正式啟用。
這兩臺望遠鏡的加入，同位于新疆烏魯木齊和上海天馬觀測臺站的望遠鏡一道“凝望”太空，加之上海數(shù)據(jù)處理中心，構(gòu)成我國甚長基線干涉測量網(wǎng)參加天問二號任務(wù)。
在中國科學院上海天文臺射電天文科學與技術(shù)研究室主任鄭為民看來，我國甚長基線干涉測量網(wǎng)將像一組精準感受風箏方位的“智能牽線”——即使風箏飛入云端看不見，也能通過多根“線”(望遠鏡)的協(xié)同感知，算出它的位置和軌跡，保障小行星探測任務(wù)。
“這種跨越時空的守望，可大幅提高探測器關(guān)鍵段軌道精度，描繪天問二號探測器的星際航線，以更少燃料飛向更遠目標，讓人類探索宇宙的每一步都走得更穩(wěn)、更遠。”鄭為民說。
“實施天問二號任務(wù)，推動星際探測征程接續(xù)前進，邁出了深空探測的新一步。”國家航天局局長單忠德說，任務(wù)實施周期長，風險難度大，后續(xù)還將經(jīng)歷10余個飛行階段。期待天問二號按計劃完成各項探測任務(wù)，取得更多原創(chuàng)科學成果，揭開更多宇宙奧秘，增進人類認知。
發(fā)射成功僅是序章。接下來，是一場十年之約。
本報四川西昌5月29日電
中青報·中青網(wǎng)記者 邱晨輝來源：中國青年報