地球能顶住多少个小行星（天问二号小行星采样）

嫦娥四号代表人类首登月球背面、嫦娥五号月球采样返回圆满收官、天问一号一步实现火星绕落巡、天和核心舱在轨稳定运行一周年……，系列太空壮举的实现为我国夯实了航天强国的地基，放眼全球可以在上述领域全线开花的玩家，加上我们在内有且只有两家。

天问一号火星探测器深空自拍

总结人类深空探测活动可知，各航天大国主要聚焦这么几个领域：月球探测、空间天文观测、太阳遥感探测、太阳系行星探测、小天体探测、太阳系边际探测，其中小天体探测是多个航天大国涉足，而我们尚未深度涉足的领域。

今时今日的我们已经跨越了“能不能”的阶段，进入到了“要不要”的新阶段，有些事我们曾经没有做，并不代表不能做，小天体探测就是一个典型案例。

由“能不能”转进“要不要”

继天问一号之后，行星探测工程的下一发任务就是“小行星采样返回与主带彗星环绕探测”，此前该探测器曾被命名为“郑和号”，不过随着行星探测工程的正式立项，小行星采样返回任务也被囊括其中，因此也就被顺位命名为“天问二号”。

不过，还有一种命名可能，那就是“天问二号”是探测器的整体名称，而肩负有主带彗星环绕探测任务，作为探测器主要组成部分的“主探测器”则可以单独命名为“郑和号”，就如同“天问一号”与“祝融号”两个名称之间的关系。

早在两年前天问二号探测器就已经启动研制，并已于去年9月作为行星探测工程的组成部分正式立项，目前已经进入到了初样产品的研制阶段，电性产品也已经在进行综合测试。

行星探测工程图形标识

航天器研制通常有六个阶段，即任务需求分析阶段、可行性论证阶段、方案设计阶段、初样研制阶段、正样研制阶段、任务实施阶段，由此可见天问二号探测器已经进入到整个任务的中后期阶段，该探测器计划2025年实施发射。

从时间轴线来看，相较于其他领域的空间探测任务，小行星探测算是比较新兴的领域。人类直到上世纪九十年代初才通过伽利略号探测器实现对小行星的抵近飞越探测，上世纪九十年代中期实现了小行星绕飞探测，小行星探测任务发展至今也只有三十多年历史，与火星探测相比确实要短了不少。

隼鸟二号小行星采样返回探测器

不过，进入21世纪后小行星探测驶入了快车道，其中备受世人瞩目的是善于变道超车的日本航天，他们通过隼鸟一号任务实现了人类小行星采样返回任务零的突破，后来又成功实施了隼鸟二号小行星采样返回任务。NASA也发射了奥西里斯小行星采样返回探测器（OSIRIS-REx），目前该探测器已经完成贝努小行星的采样任务，正在返回途中，预计样本返回舱将于明年9月抵达地球。

NASA的奥西里斯小行星采样返回探测器

为什么各国对距离遥远的小行星有如此浓厚的兴趣？因为小行星探测的价值有着“现实”与“未来”相结合的双重属性。

现实就是，地球周围遍布着数万颗近地小行星，其中大部分小行星在可预见的未来都不会对地球产生威胁，但是并不能排除部分漏网之鱼会撞向地球。

比如，9年前车里雅宾斯克就遭遇了一颗直径仅有18米的小行星，这颗小行星在30公里高空解体，产生的能量相当于30颗广岛原子弹，对地面造成了较大损失。如果这颗小行星解体的高度再低一些，后果将更加不堪设想。

车里雅宾斯克上空坠落的小行星

就在今年航天日到来之际航天局负责人披露了“我国将建设小行星防御系统”的消息。而要想实现对小行星的防御，首先要掌握航天器与之交会乃至附着的工程能力，这是先决条件。

小行星探测的未来属性，指的是一系列科学与经济价值。小行星可以看作是太阳系的“活化石”，他们大多诞生于46亿年前的太阳系初期阶段，从解剖分析小行星自身的起源和形成逻辑，对研究地球生命起源以及其他行星、太阳的演化都有着重大价值。

小行星的经济价值也不容忽视，大约有10%的近地小行星富含铁、镍、金、银、铂等贵金属成分。以直径226公里的灵神星为例，其矿产价值就高达1000亿亿美元。

灵神星（左侧是艺术效果图，右侧是甚大望远镜直接成像。）

如果说灵神星太远又太大，那么选择距离较近质量更小的小行星作为捕获对象，对于人类而言在百年内是可以做到的。

总体来看，人类当前小行星探测仍然处于起步阶段，对于我们而言则是难得的发展机遇，站在新技术起点上的天问二号虽然不是人类首个小行星采样返回探测器，但却将是人类小行星探测的“集大成者”。因为我们向来是“不鸣则已，一鸣惊人。”，历史已经一再证明了这一点。

实际上早在九年前，我们就已经涉猎小行星探测。十年前我们实施了嫦娥二号月球环绕探测器发射任务，该探测器在完成既定绕月探测任务后开展了一系列拓展探测任务，其中就包括对距离地球约700万公里的图塔蒂斯小行星的飞越探测任务。

嫦娥二号

嫦娥二号结束绕月任务后，自月球轨道出发进入日地拉格朗日L2点环绕轨道，利用该点伴随地球绕太阳运动的特性，实现了对4179号图塔蒂斯小行星的近距离精准飞越（最近距离770米），利用星载CMOS相机获取了该小行星的高分辨率彩色影像。

嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星

通过获取的高分彩色影像数据估算，图塔蒂斯小行星形似一个不规则的马铃薯，由较小的端部和较大的躯干组成，整体长度不超过4.75公里，宽度不超过1.95公里，小行星表面遍布着大量的陨石坑，比如端部有一个直径约800米的撞击坑，研究发现该小行星可能是由两个天体逐步靠近形成。

图塔蒂斯小行星表面形貌特征

通过图塔蒂斯小行星飞越任务的实施，初步验证了基于深空非合作目标的深空测控技术、小行星探测轨道设计、暗弱天体识别等多项能力，为天问二号任务的实施奠定了基础（值得一提的是，嫦娥二号在执行此项任务时NASA关闭了原本开放共享的图塔蒂斯小行星轨道数据，我们是在全国协作观测下独立自主掌握了该天体轨道数据。）。

嫦娥二号的小行星飞越探测只能算是“兼职任务”，要想进一步掌握小行星探测的相关工程技术以及科学研究数据，还是需要发展专业的小行星探测器。

我国小行星探测器的发展其实也算是历史悠久了，该领域的研究工作早在上个世纪就已经开始，到本世纪第一个十年也有了多个比较成熟的探测方案，其中“三星探测方案”比较出彩，该方案与现阶段天问二号有着很大的不同。

落选的三星探测方案小行星探测器

该探测器发射质量1.75吨，采用化学推进与电推进组合的双模推进系统，携带多波段相机、红外光谱仪、有机组分分析仪等科学载荷，旨在开展小行星形成和演化、太阳系起源与演化、生命起源等科学探测。

该探测方案旨在一次发射连续探测三颗小行星，分别是对Tukimit小行星飞越探测、对阿波菲斯小行星进行伴飞、对1996FG3小行星进行附着探测，该方案计划2017年实施发射，并于2023年抵达附着目标天体。

落选的三颗小行星探测方案

三星探测器的探测手段是飞跃、伴飞、附着，其中价值最大的是附着探测，然而由于探测器自身规模有限，无法携带完备的原位研究分析设备，相较于取样返回探测仍有着较大的局限性。

虽然三星探测方案最终落选，但其进行的方案论证，以及以“小行星一体化采样装置”为代表的关键技术攻关为后来正式上马的小行星探测任务奠定了良好的基础。

原计划用于小行星原位探测的“小行星一体化采样装置”

空间科学探测需要“有所为，有所不为。”，过去一段时期我们的主要精力是载人航天工程、嫦娥探月工程，后来又新增了火星探测任务，加上那一时期服务小行星探测的各项支持装备尚没有到位。

经过一段时期沉淀之后，开展复杂度更高的小行星探测任务的条件也日益成熟，站在嫦娥探月工程、天问一号火星探测任务的肩膀上，大系统工程经验更加丰富、科研队伍应对未知领域挑战的经验与能力今非昔比，尤其是前述工程积累的装备条件也达到了一个前所未有的高度，比如建立了可以触达太阳系边际空间布局全球的深空测控网，以及相关大口径数据接收天线、航天器深空飞行技术经验、返回舱第二宇宙速度再入返回等瓶颈技术均已突破，天问二号小行星采样返回探测器因此应运而生。

现在我们就来看看，为什么说天问二号是人类小天体探测的“集大成者”：

天问二号探测器由“主探测器”与“返回舱”两部分结构组成，主探测器负责轨道转移与控制以及科学探测任务，是主控舱段，配置有高光电转换效率太阳翼、通信系统、采样装置、样品转移装置等设备，探测器出于节省燃料降低发射规模考虑配置了离子电推力器，与化学推进器组合为双模推进系统。

最大直径约0.75米的返回舱负责储存小行星采样样品，并返回地球。

天问二号小行星采样返回与主带彗星环绕探测器示意图

天问二号太阳翼是独特的“圆形柔性太阳翼”，之所以选用此构型是为了缩短太阳翼展开尺寸，这样一来可以提高探测器在小行星着陆（附着）任务中的可靠性，以降低传统长尺寸太阳翼在软着陆过程中的触地风险。圆形设计还可以增大太阳翼面积，提高电池布片规模，柔性太阳翼这一属性也能够降低设备重量。

类似降低触地风险的设计是小天体着陆探测器必须要考虑的事项，比如日本计划2024年发射的MMX火卫一采样返回探测器的太阳翼也是经历了由传统构型向降低触地风险构型的转变。

MMX火卫一采样返回探测器太阳翼构型演变

天问二号太阳翼直径约4.7米，如此硕大的太阳翼应该是考虑到后续主带彗星探测任务能源获取效率降低的问题，因为届时探测器与太阳的距离将更加遥远。

天问二号配置的“圆形柔性太阳翼”装配现场

小天体探测为了争取任务价值最大化，通常是多目标探测，天问二号亦是如此，它选择了两个地外小天体目标，分别是2016HO3近地小行星与主带彗星311P，前者是采样返回任务的主要目标天体，后者可视为拓展任务。

2016HO3小行星是一颗在未来100年内都会对地球不离不弃的阿波罗型近地小行星，由于它独特的绕太阳运转轨道看起来像是也在绕地球飞行，因此被视为地球的准卫星，与地球之间的平均距离约为2000万公里。

2016HO3小行星运行轨道示意图（黄线）

选择2016HO3作为采样返回目标进一步证明了天问二号的高技术起点，这将是人类迄今为止抵近探测的最小目标天体，据估测最大直径仅有约100米，而实际直径可能仅有约30米，天体尺寸越小，意味着更为复杂的任务状态：

2016HO3小行星自转速度会更快，进而导致光变更快，可供选择的采样区面积更小，要求探测器具备米级精度到达能力。

俗话说柿子专挑软的捏，为什么我们要挑一个硬的？因为通过对2016HO3小行星的探测可以进一步增强复杂天体的到达能力，未来再进行其它小天体探测任务时可以更加游刃有余。对于小行星探测的未来而言，我们需要实现对小行星的捕获与转移，超小型小行星更利于实现此目标，这也是一种技术衔接考虑。

捕获小行星示意图

按照计划天问二号将搭乘长征三号乙运载火箭发射，该型火箭具有出色的深空轨道任务适应力，同时也是一款久经战阵的成熟火箭，该型火箭曾成功实施以嫦娥三号、嫦娥四号为代表的重大空间探测任务。

长征三号乙运载火箭

天问二号整个任务周期可以划分为13个阶段，依次是，1.发射段；2.小行星转移段；3.小行星接近段；4.小行星交会段；5.小行星近距离探测段；6.小行星采样段；7.返回等待段；8.返回转移段；9.再入回收段；10.主带彗星转移段；11.主带彗星接近段；12.主带彗星交会段；13.主带彗星近距离探测段。

这将是一个为期十年的太空流浪之旅。

按照计划2025年天问二号将在西昌卫星发射中心由一枚长征三号乙运载火箭发射升空，之后经过约1年的转移飞行抵达2016HO3小行星附近，由于小行星引力微弱无法支撑探测器的环绕飞行，因此需要调整探测器相较于太阳的远日点、近日点、半长轴等轨道参数，从而成为小行星的一颗准卫星，以实现对小行星环绕飞行。

微弱引力目标绕飞技术在载人航天工程中已经突破。图为伴飞一号小卫星拍摄的神舟七号载人飞船。

天问二号将在环绕2016HO3小行星的准卫星轨道运行约1年时间，在此期间利用搭载的科学载荷进行近距离探测（最近距离可达到百米量级），基于小行星规模小、星等弱等限制因素，探测器在发射前无法选定着陆采样区域，因此必须通过近距离探测段工作在轨选定采样区。

根据《小行星任务科学载荷的技术指标要求》披露，天问二号将搭载中视场彩色相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、多光谱相机、探测雷达、磁强计、带电粒子与中性粒子分析仪、尘埃分析仪，总计8台科学载荷，可以获取小行星全球高分辨率影像、形状、表面形貌、表面热辐射光谱图像、可见光至红外谱段光谱图像、小行星表层次表层雷达回波、小行星磁场等多类型科学数据。

探测器通过获取的小行星探测数据可以反演地形地貌、星体土壤结构、热惯量等详细数据，并据此选择采样区。

小行星任务科学载荷的技术指标要求

完成小行星环绕探测及采样区选定工作后，天问二号将择机进行着陆与采样作业。隼鸟号、隼鸟二号、奥西里斯三个小行星采样返回探测器均采用短时触碰采样方案，但正如前文所述，2016HO3小行星采样作业限制因素非常多，复杂度远超人类此前进行的任何一次地外小天体采样任务，因此要求该探测器具有更加灵活多样的采样手段。

NASA奥西里斯探测器短时触碰采样

天问二号将具备二至三种采样手段，分别是短时触碰采样、悬停采样、附着采样，其中附着采样（着陆采样）将是主采样方案，该采样方案技术难度最大，在人类以往小行星采样任务中从未被应用。

小行星采样的三种方式

附着采样要求探测器可以软着陆于小行星表面，小行星引力微弱，探测器着陆后可能会出现反弹、侧翻，甚至着陆后采样机构采样时也会出现侧翻，与月球或火星降落任务使用的着陆器不同，小行星着陆器不需要配置着陆缓冲发动机（着陆缓冲能量靠着陆腿吸收发散），而是需要配置提供下压力的发动机，该发动机可在着陆触地过程中，以及钻取采样过程中启动，通过提供的下压力保证探测器的姿态稳定。

天问二号着陆示意图

附着采样在采样次数与采样量方面相较于美日两家蜻蜓点水式的短时触碰方案的采样量更多，我们甚至有可能通过着陆腿的差动运行实现小行星表面爬行转移，进而可以多点采样。如果附着采样失败，还有短时触碰采样与悬停采样两个备份方案可供选择。

天问二号着陆腿或将整合采样功能

天问二号有望获取相较于美日两家更多更丰富的小行星样本。图为隼鸟二号采集的龙宫小行星样本。

附着采样的同时探测器还可在着陆区进行原位探测，比如天问二号搭载的可见红外成像光谱仪就是专门为着陆后的原位探测任务而准备的科学探测载荷。

完成采样后天问二号将在2016HO3小行星表面进行样品转移，就是将采样器采集的样本转移至返回舱样品储存容器中，之后飞离小行星表面，然后等待返回地球窗口的到来。

天问二号样品转移示意图

返回地球窗口到来后启动轨控发动机进行转移入射，之后经过大约半年时间天问二号抵达地球附近，主探测器与返回舱分离，后者将采用弹道式返回方案高速再入地球大气层，再入速度将超过第二宇宙速度，速度高达12公里/秒，返回舱承受的热流峰值以及剪切力等极端工况将超过此前进行过的近地轨道、月球轨道再入返回任务，为此需要设计全新的轻小型再入舱体，以及对应的隔热材料。经过气动减速后，返回舱弹出降落伞进行伞系减速，该型降落伞是经过约3年的在轨运行后启动，对可靠性提出了更高要求。

返回舱再入地球大气层的峰值速度将超过35马赫

返回舱着陆地球后由地面人员回收，此时天问二号的小行星采样返回主任务宣告完成。与此同时，主探测器与返回舱分离后，前者的第二阶段工作才刚刚开始，它将借助地球引力进行重力加速奔向火星，之后再借助火星引力进行重力加速，进而奔向目标彗星。

主探测器自地球出发抵达目标彗星的飞行用时约7年，在天问二号发射约十年之际，它将抵达主带彗星311P，此后历经彗星接近段、彗星交会段后进入近距离彗星探测段，主探测器将在此进行为期至少1年的探测工作。

天问二号为期十年的太空流浪之旅

主带彗星311P运行于火星与木星之间的小行星带，该彗星平均直径约480米，据哈勃空间望远镜观测有6条彗尾，基于光曲率的观测证据表明这颗彗星附近可能存在一颗直径约200米的天体，这个天体如果存在，那么311P彗星将是为数不多拥有卫星的彗星。

哈勃空间望远镜拍摄的主带彗星311P

在彗星探测工作接近尾声时，天问二号会作何选择？分离返回舱后，其主探测器的着陆装置仍然在轨，如果该着陆装置并非一次性使用产品，那么就可以选择着陆目标彗星，进而实现在目标彗星的原位探测，进一步扩大任务的综合效应，这样一来就可以创造一次发射探测两类天体，并着陆两颗地外天体。

探索浩瀚星空永无止境，继载人航天工程、嫦娥探月工程之后，行星探测工程也已经获得批复立项，该工程着眼于太阳系探测，除了天问一号火星探测器、天问二号小行星采样返回探测器，还有天问三号火星采样返回探测器、天问四号木星系探测器等后续任务。各任务梯次布局严密衔接，比如天问二号小行星采样返回任务可以为天问三号火星采样返回任务积累数据与经验。

天问三号火星采样返回任务

站在全新的发展基点上，我国航天人也表现出了前所未有的自信，载人航天领域副总师黄震对此表示，我特别希望能在地球和月球之间能够建立一个人类可以自由往返的通途，也就是像我们平时坐飞机一样，可以出差去月球，再远的将来可以走出地月系，走到火星，走到太阳系以外，太阳系内的事情我觉得我还是有信心可以做到的。

黄副总师绝不是毫无缘由的抒发感想，因为我们现在不仅在推进载人月球工程，更是在认真研究载人登小行星、载人登火星等重大使命课题，两年前首飞的新一代载人飞船的返回舱也正是对标这三大载人任务要求而研制。

可胜任各类深空载人任务的新一代载人飞船

为什么我们的航天人越来越自信？不仅是因为我们有一批批前赴后继的青年人才，更因为我们的航天人背后是一个依托科学制度建立发展的强大国家。

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