5月29日,天问二号任务发射圆满成功。这是中国首次实施小行星采样返回任务,也是继首次火星探测任务天问一号之后,中国再次实施行星际探测任务。
与天问一号“探火”不同,天问二号将探测小行星2016HO3和主带彗星311P。这次星际旅行为何选择探访它们?对人类意味几何?探测器如何飞往小行星?与探月、探火相比,此次任务有何新难点?
探什么
将探测小行星2016HO3
和主带彗星311P
根据规划,天问二号任务将通过一次发射,完成多项任务。任务实施周期长,风险难度大,后续还将经历十余个飞行阶段。
在完成小行星采样任务后,天问二号返回舱预计于2027年底着陆地球并完成回收；此后,主探测器将按计划继续飞行,前往主带彗星311P开展后续探测。为什么选定这两个星体作为探测目标?它们有何特殊之处?
天问二号要“探访”的第一个“朋友”是一颗名为2016HO3的近地小行星。2016年,美国夏威夷的泛星计划巡天望远镜首次在浩瀚星空中捕捉到了2016HO3的踪迹,这颗小行星也由此得名——2016代表发现的年份,HO3则表示小行星在4月下旬被发现的顺序编号。后来,这颗小行星还被赋予了一个浪漫的夏威夷语名字:Kamo'oalewa,意为“振荡的天体碎片”。
上海天文馆副研究馆员、上海市天文学会副理事长施韡介绍,2016HO3小行星是人类发现的第一颗地球准卫星,但它并不是地球的天然卫星,而是一颗参数与地球比较接近的小行星,从地球看它仿佛在绕着地球转圈。“科学家怀疑它是从月球上撞出来的碎片,如果能顺利获取2016HO3的样品,那么和月球样品作一下比较,就有望解开它的身世之谜,看看它是不是月球的‘亲戚’。”施韡解释,“如果说它跟月球样品差异很大,那就要怀疑其他起源的可能性了。所以2016HO3身上或许藏着月球形成之谜以及轨道演化历史等科学问题。”
小行星是太阳系中的小型天体,它们与水星、金星、地球等“大朋友”一样,环绕着太阳运动,但其体积和质量却比行星小得多。“小行星是太阳系里非常特殊的一种天体,是宇宙的‘活化石’,保留着太阳系诞生之初的原始信息。因此,研究小行星对研究太阳系早期物质组成、形成过程和演化历史具有极高科研价值,也对认识地球、研究地球演化具有重要意义。”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说。
天问二号任务工程副总师、中国科学院国家天文台研究员刘建军介绍,小行星2016HO3稳定运行于地球轨道附近,是地球的“小跟班”,公转周期与地球公转周期接近。“小行星2016HO3是地球准卫星之一,非常稀缺,选择它可谓是‘万里挑一’。”刘建军说。
天问二号“探访”的第二站是主带彗星311P。311在2013年被发现,是人类确认的第七颗主带彗星,位于火星和木星之间的小行星带,这里通常被认为是小行星的“领地”。然而观测显示,311P在一段时间内会喷发出多条尾迹,具有彗星的特征。
刘建军介绍,主带彗星311P位于小行星带位置,本应呈现岩性,但却表现出了彗星的特征,也就是说它同时具有传统彗星的物质构成特征和小行星的轨道特征,有极高科学研究价值。“311P是太阳系中的特殊小天体,其特征非常罕见。它究竟是在小行星带这个区域原生的,还是从外太阳系被捕获形成的,目前仍然未知。”刘建军说,“对主带彗星311P进行探测,能够大幅促进我们对小天体的物质组成、结构以及演化机制等探索。”
国家航天局探月与航天工程中心副主任韩思远表示,天问二号探测器搭载了11台科学载荷,将对目标天体的地貌、物质组分、内部结构、可能存在的喷发物以及轨道力学等方面开展研究。“在取得小行星样品后,我们还将对样品物理特性、化学与矿物成分、同位素组成和结构构造等方面开展研究测定。”韩思远说,他们希望通过天问二号任务实施,能够在这两类小天体的认知、起源、演化等方面取得科学研究突破。
怎么去
长三乙火箭
实现“零窗口”发射
此次,天问二号从西昌卫星发射中心踏上“问天”之旅,选择的火箭是长征三号乙运载火箭。据介绍,长征三号乙运载火箭是一款“金牌火箭”——它是我国唯一一款执行过超百次发射任务的火箭,不仅发射过北斗、嫦娥,还发射过像风云、天链等卫星。
长三乙是长征三号系列火箭三兄弟里面力气最大的。它的地球同步转移轨道运载能力达到5.55吨,这个运载能力和天问二号探测器(重2.6吨)的质量要求更为贴合,所以性价比高也就让它成为这次任务的不二之选。
2016HO3的体积小、质量小、引力弱,捕获难度大,天问二号探测器要顺利抵达“目的地”,难关重重。对于火箭来说,发射窗口窄、轨道高度和入轨精度要求高、分离速度误差控制严,要闯过的关卡同样不少。
与以往发射地球轨道范围内的载荷相比,此次任务在分离阶段进一步提速,由每秒7.9千米的第一宇宙速度,提升至超过每秒11.2千米的第二宇宙速度,从而使探测器挣脱地球引力。过程中,火箭要为探测器提供极高的速度和能量,综合考量火箭运载能力、履约能力和可靠性等因素,我国宇航发射次数最多的火箭——长三乙火箭成为此次小行星探测之旅的“专属座驾”。
何时启程,也有讲究。连续3天,火箭每天只有4分钟的发射窗口期,加之目标小行星与地球的相对位置一直在变化,“零窗口”发射能为探测器节省更多燃料,以更好地完成后续任务。要完成地球逃逸轨道发射任务,技术团队历时两年,完成多轮设计迭代,拿出了一套最简化的设计方案,实现火箭与探测器完美“交班”。
有何难
目标天体特性不确定
采用“边干边规划”策略
月球是地球的卫星,距离地球大约38万公里,小行星2016HO3即便是距离地球最近的时候,也相当于地月距离的30—40倍。而主带彗星311P的位置则更加遥远。对如此遥远的星体进行伴飞,还要对小行星进行取样返回,天问二号会面临怎样的困难?
一方面,科学家目前对于小行星2016HO3的自转速度、表面状态等具体情况的认知尚存一定不确定性,这为天问二号任务带来艰巨又复杂的挑战。韩思远表示,对此,工程将采用“边飞边探边决策”的策略,以应对目标天体特性不确定等难题。
另一方面,不同于月球采样和火星着陆,小行星附着与采样是在弱引力条件下进行。韩思远指出,根据目前的观测数据判断,小行星2016HO3的平均直径约41米,几乎处于零重力环境,加之小行星处于高速自转状态,探测器需在这种复杂条件下,在有限时间内完成稳定附着及采样,任务难度巨大。
此外,天问二号任务距离跨度大也为其增添挑战。完成小行星采样任务后,天问二号主探测器还将与返回舱分离,花数年时间飞往主带彗星311P。小行星2016HO3距离地球约1800万至4600万公里,主带彗星311P距离地球1.5亿至5亿公里。韩思远称,距离地球远、多目标探测、任务周期长,对轨道设计、能源管理、智能控制以及探测器工作状态的长寿命、高可靠等方面都提出了较高要求。
在天问二号之前,日本“隼鸟号”“隼鸟2号”,美国“奥西里斯王号”都曾执行过小行星采样任务,那天问二号会有何不同呢?据了解,日美探测器采用的“触碰即走”模式,本质是“擦边球式采样”。天问二号将开创性地采用三种不同的采样方式:除常用的秒级触碰采样方式外,天问二号还将在距离小行星表面近处伸出机械臂实施悬停采样,以及在小行星表面微重力环境下开展分钟级的附着采样。后两者都是国际上没有先例的。这样“走钢丝”般的新技术能提高采样成功的可能性,三种采样方式“总有一款适合”,也有望采集到不同类型的样品,如星壤、砾石、石块等。“采样难度非常大。”施韡表示,“小行星质量很小,引力非常微弱,着陆(附着)时稍有不慎就会弹飞；此外,小行星布满碎石,能落脚的地方不多；加之人类对2016HO3的情况知之甚少,需要等探测器抵近观察后制定具体方案。”
中国国家航天局局长单忠德表示,国家航天局牵头实施天问二号任务,推动星际探测征程接续前进,迈出了深空探测的新一步。任务实施周期长,风险难度大,工程全线攻坚克难,协同攻关,确保了发射任务圆满成功。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。
综合新华社、央视、中新社等
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