叶培建深耕太空探测（实施小天体探测任务）

“中国设计的小天体探测任务将在10年分3个阶段实施，即小行星探测、取样返回、探测彗星三个阶段，既要对近地小行星‘2016 HO3’进行探测，也要对彗星‘311P’进行探测。目前，小天体探测任务已经进入工程研制阶段。”4月24日下午，在2021年中国航天大会主论坛上，刚刚当选为2021年“中国航天公益形象大使”的人民科学家、中国科学院院士叶培建描绘的我国小天体探测的任务设想，令大家心驰神往。

“小天体保存着太阳系形成演化的原始信息，是研究太阳系起源的‘活化石’，是目前国际深空探测的热点，行星科学研究的前沿。”叶培建表示，小天体探测在揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全等方面意义重大，影响深远。

小天体探测只是我国行星探测重大工程的冰山一角，叶培建表示，火星采样返回、木星系环绕探测、太阳系边际探测等未来任务已在论证中。

当选为2021年“中国航天公益形象大使”的人民科学家、中国科学院院士叶培建就《我国小天体探测任务设想》做特邀报告。图源：王磊摄

将对近地小行星探测取样返回并绕飞探测彗星

叶培建介绍，“小天体”包括小行星和彗星。其中，小行星指的是太阳系内类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小很多的天体。目前已确认的小行星达到100万颗，其中近地小行星2万多颗。

彗星是指进入太阳系内，亮度和形状随日距变化而变化的绕日运动天体。其中主带彗星是指运行在火星与木星轨道间的小行星带内的彗星。

从国际来看，九十年代前的小天体探测均为飞越探测。九十年代后，人类又实施了9次探测任务：小行星6次，彗星3次。这9次中，美国6次、欧空局1次、日本2次，其中3次为采样返回。

对于小行星的探测，日本、美国都有先例。日本的“隼鸟2号”于2014 年12月发射，经过一年半的近距离探测后，实施了两次“触碰打弹采样”。2020 年 12 月 6 日，返回舱降落在澳大利亚南部沙漠地带。获取了“龙宫”小行星样品5.4克。

美国“欧西里斯”于2016年9月发射，2018年到达小行星“贝努”，近距离探测一年后，开展了一次“触碰采样”，确认采集到了样品，计划2021年5月进入返回轨道，2023年9月抵达地球。

中国的小天体探测如何开展？叶培建说，“中国的小天体探测，将通过一次任务，对近地小行星探测与取样返回和主带彗星绕飞探测，实现探测领域和核心技术的全面性突破，使我国小天体探测达到国际同期先进水平。”

叶培建做特邀报告。图源：金凤 摄

小天体探测器由主探测器和返回舱组成

叶培建说的近地小行星和主带彗星分别“2016HO3”和“311P”。

2016HO3是一颗地球共轨天体，直径为40-100 米，发射和返回窗口灵活；适于取样返回、分析天体来源。而311P彗核为320-580 米，对它的研究热点集中在主带彗星形成和演化、气体活动机制。

对2016HO3和311P的探测，除了涉及其自转参数、形状大小和热辐射等物理参数，也包括探测形貌、表面物质组份、内部结构等诸多科学目标。科学家们还将探测311P可能的水和有机物等信息，获取太阳系早期演化信息，研究主带彗星的形成和演化、气体活动机制，为太阳系起源与演化提供重要线索。

“小天体探测的目标是，突破弱引力天体表面采样、高精度和高自主相对自主导航与控制、小推力转移轨道、轻小型超高速再入返回、多模式长寿命电推进等关键技术；同时实现近地小行星近距探测、采样返回和主带彗星近距探测，为小行星起源及演化等前沿科学研究提供探测数据和真实样品。”叶培建介绍。

完成这些使命的小天体探测器，将由主探测器和返回舱组成。“其中主探测器完成近地小行星转移、绕飞详查、采样转样、返回地球、返回舱分离、主带彗星转移及科学探测全周期的飞行任务；返回舱则采用弹道式再入方式，选用‘球锥大底 单锥后体’气动外形，通过‘气动外形 降落伞’完成减速并着陆于地球。”叶培建说。

叶培建做特邀报告。图源：王磊 摄

一次发射先后探测两个小天体

与众不同的是，此次小天体探测器的发射，将“一箭双雕”。叶培建透露，中国的小天体探测工程将通过一次发射，探测两类目标，实现三种探测模式，即近距离探测、附着、采样。

“探测器发射后将进入转移段，随后用约1年的时间与小行星交会、近距离探测，再经过约半年的着陆、采样后，进入返回段。探测器返程接近地球时，返回舱进入地球，而主器拉起飞向彗星，随后完成将近7年的探索之旅。”叶培建说。

“但是，难点在哪儿？”叶培建话锋一转。“小行星直径不过几十米，几乎没有引力，所以首先要围绕小行星在不同相位进行悬停探测，了解它的各种特性，绕飞探测来选择可能着陆的地点，再通过接近段、采样段‘走一步看一看’，最后到小行星上进行采样。”叶培建说。

由于小天体的地面观测数据极其有限，它的自旋特性、地形地貌、岩石和风化层、反照率、热特性等参数目前都不知道，只能基于同类小天体数据推测，具有较大的不确定性，系统设计、验证需适应很大的包络范围。

叶培建做特邀报告。图源：王磊 摄

设计了触碰、悬停、附着等多种采样方式

如果说小行星的基本特性让人“不识庐山真面目”，那么，往返“探望”小行星也需突破诸多难题。

“例如火星探测的通信单程时延为22分钟，但探测小天体要延迟到28分钟。小天体的再入返回速度也从月球探测的10.7千米/秒提高到12.1千米/秒，因此我们有大量技术需要突破。”叶培建举例，例如飞行轨道优化设计技术，地面仿真与试验验证技术，交会、下降、附着、取样过程自主导航控制技术等，都需要“死磕”。

不仅要对探测技术进行创新，相应的科学载荷也必不可缺，如窄视场导航敏感器、激光一体化导航敏感器、中视场相机、多光谱相机、探测雷达 ……

小天体探测，最引人关注的探测任务之一，莫过于采样。叶培建介绍，目前对小行星“2016HO3”的采样方式共准备了触碰、悬停、附着等多种采样方式，确保有一种方式能采样成功，未来探测器在轨飞行时，将“边探测、边反演、边确定采样策略”。

叶培建做特邀报告。图源：王磊 摄

另外，小行星的交会、下降、附着、取样过程，还需要高精度全自主导航控制，包括高精度图像导航技术、下降过程六自由度精确附着控制技术、视线导航和轨迹机动自主一体化设计技术等。

“在采集完小行星样本后，探测器的返回舱将采用弹道式再入返回，再入速度约12千米/秒，这面临高热流、高焓、高剪切力、超音速开伞等恶劣条件，所以还需要研制新气动外形和防热材料。”

尽管小天体的探测还面临一片星辰大海，但这不影响科学家们的信心，“未来，小天体探测任务的实施将进一步提升我国的深空探测能力，推动行星科学的快速发展，为航天强国建设做出重要贡献。”叶培建说。

来源 | 科技日报、我们的太空

作者 | 金凤、张晔

拍摄 | 金凤、王磊

编辑 | 汪嘉雯

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