解碼天問(wèn)二號(hào)太空之旅——
一場(chǎng)充滿挑戰(zhàn)的“星際馬拉松”
■解放軍報(bào)記者 劉丹
天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空。新華社發(fā)
5月29日凌晨，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭托舉著天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器，掙脫地球引力，向深邃的宇宙空間飛去。
5年前，我國(guó)的行星探測(cè)任務(wù)正式被命名為“天問(wèn)”。同年7月23日，天問(wèn)一號(hào)奔向火星。作為我國(guó)行星探測(cè)工程的首次任務(wù)，天問(wèn)一號(hào)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一次發(fā)射完成對(duì)火星環(huán)繞、著陸和巡視3項(xiàng)任務(wù)，這在世界火星探測(cè)史上絕無(wú)僅有。
此次，天問(wèn)二號(hào)的主要任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星2016HO3進(jìn)行探測(cè)、采樣，然后探測(cè)器與返回艙分離，返回艙將其所采樣品送回地球。隨后，探測(cè)器繼續(xù)前往主帶彗星311P開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。
那么，此次任務(wù)為什么把這兩顆星球作為主要探測(cè)目標(biāo)？其背后的科學(xué)價(jià)值有哪些？探測(cè)過(guò)程中需要攻克哪些難關(guān)？對(duì)未來(lái)的行星探測(cè)具有哪些重要意義？請(qǐng)看本期關(guān)注。
研究太陽(yáng)系和地球起源的“活化石”
進(jìn)入科學(xué)時(shí)代以來(lái)，人類對(duì)小行星的關(guān)注，曾長(zhǎng)久彌漫著憂懼之情。
小行星如同宇宙中沉默的游蕩者，軌道難以捉摸，被科學(xué)家形象地稱為“近地天體”。
1994年，“蘇梅克-列維9號(hào)”彗星撞擊木星。這一駭人景象讓世人驚覺(jué)，于是全球天文學(xué)家們建立起“哨兵網(wǎng)絡(luò)”，持續(xù)監(jiān)測(cè)、計(jì)算著成千上萬(wàn)顆近地小天體的軌道數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)它們與地球未來(lái)的“親密程度”。
正是這種不懈的觀測(cè)，讓2016HO3這顆獨(dú)特的小行星進(jìn)入了人類的視野。
這顆直徑僅相當(dāng)于足球場(chǎng)大小的天體，因其距離地球較近，與地球共享公轉(zhuǎn)軌道，被科學(xué)家稱為“準(zhǔn)衛(wèi)星”。
這種若即若離的引力羈絆，使其成為人類探索近地小天體的絕佳目標(biāo)。更重要的是，探測(cè)小行星2016HO3有可能為科學(xué)家研究太陽(yáng)系和地球的起源提供重要的信息。
科學(xué)家推測(cè)，小行星2016HO3表面可能保存著太陽(yáng)系形成初期的原始物質(zhì)，其形成原因甚至可能追溯到月球形成早期的撞擊碎片。
天問(wèn)二號(hào)任務(wù)副總工程師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉建軍介紹，當(dāng)天問(wèn)二號(hào)返回艙帶著“宇宙快遞”返回地球，這些來(lái)自小行星2016HO3的塵埃與碎石，或?qū)⒔沂咎?yáng)系形成初期的物質(zhì)分布規(guī)律，甚至為月球起源的“大碰撞假說(shuō)”提供直接證據(jù)，成為科學(xué)家研究太陽(yáng)系和地球起源的“活化石”。
到那時(shí)，科學(xué)家們的疑問(wèn)或?qū)⒈灰灰黄平猓哼@些小行星由何種原始物質(zhì)構(gòu)成？小行星上是否含有水冰或有機(jī)分子等生命起源的關(guān)鍵“原料”？探測(cè)結(jié)果是否有助于揭示早期太陽(yáng)星云的凝聚與碰撞歷史？作為一顆在獨(dú)特軌道上長(zhǎng)期受地球引力影響的小行星，小行星2016HO3上是否存在標(biāo)記與地球特殊空間環(huán)境作用的物質(zhì)？
每一次分析，都將聆聽(tīng)來(lái)自46億年前的“宇宙低語(yǔ)”。
據(jù)介紹，當(dāng)天問(wèn)二號(hào)完成對(duì)小行星2016HO3的采樣后，它的探測(cè)器還將轉(zhuǎn)向火星與木星之間的小行星帶，繼續(xù)探訪主帶彗星311P。
這顆編號(hào)為311P/PANSTARRS的天體，是人類發(fā)現(xiàn)的第七顆主帶彗星，顛覆了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知：它位于距離太陽(yáng)更近的小行星帶，卻能像彗星般噴發(fā)出六條螺旋狀彗尾。
傳統(tǒng)理論認(rèn)為，小行星帶因靠近太陽(yáng)難以保留水冰，但主帶彗星311P的塵埃尾中可能含有水分子。這暗示小行星帶上可能存在冰質(zhì)天體。
屆時(shí)，天問(wèn)二號(hào)將首次近距離觀測(cè)主帶彗星311P的噴發(fā)機(jī)制，探索其塵埃尾中是否存在有機(jī)分子。這對(duì)于理解地球起源、理解彗星與小行星的演化關(guān)系和太陽(yáng)系揮發(fā)性物質(zhì)分布等，將具有重要意義。
攜帶多種科學(xué)設(shè)備應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
對(duì)于天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器來(lái)說(shuō)，從地球出發(fā)，抵達(dá)小行星2016HO3和主帶彗星311P所在的軌道，將是一場(chǎng)充滿挑戰(zhàn)的“星際馬拉松”。
首先要精確計(jì)算出發(fā)時(shí)間。
以小行星2016HO3為例。目標(biāo)星體與地球的相對(duì)位置一直在變化，這對(duì)天問(wèn)二號(hào)任務(wù)的發(fā)射窗口要求極高。據(jù)悉，從5月29日到31日連續(xù)3天，每天只有4分鐘的發(fā)射窗口。
這種“精確”，好比一個(gè)始自上海的籃球，被精準(zhǔn)地“投”進(jìn)北京籃球場(chǎng)的籃筐內(nèi)。
其次，從地球到小行星2016HO3的距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)億公里，耗時(shí)可能一年以上。
為何需要這么久？
小行星2016HO3表面不規(guī)則，自轉(zhuǎn)速度快至28分鐘/圈，表面引力僅為地球百萬(wàn)分之一。
基于此，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器無(wú)法依靠引力吸附小行星，只能主動(dòng)“擁抱”這顆高速旋轉(zhuǎn)的星體。此外，地球與小行星2016HO3雖然都繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但二者相位差異巨大，探測(cè)器需要突破數(shù)億公里航程，精準(zhǔn)鎖定一個(gè)僅足球場(chǎng)大小的天體。
與此同時(shí)，天問(wèn)二號(hào)還必須獨(dú)自應(yīng)對(duì)深空中的極端溫度變化、強(qiáng)烈的宇宙射線轟擊以及微流星體等的潛在威脅。
為了應(yīng)對(duì)這些威脅以及獲取寶貴的科研數(shù)據(jù)，探測(cè)器上配備了多種先進(jìn)科學(xué)設(shè)備。
據(jù)了解，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器上配置了中視場(chǎng)彩色相機(jī)、多光譜相機(jī)、可見(jiàn)紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、探測(cè)雷達(dá)、磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀、窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器、激光一體化導(dǎo)航敏感器、旋轉(zhuǎn)衍射高光譜相機(jī)等多臺(tái)科學(xué)設(shè)備。
其中，各種不同的相機(jī)宛如天問(wèn)二號(hào)明察秋毫的“眼睛”，能夠從遙遠(yuǎn)距離捕捉小行星2016HO3的清晰影像，細(xì)致描繪其地形地貌；紅外成像光譜儀等則如同探測(cè)器的“鼻子”，能“嗅到”并分析小行星表面物質(zhì)的成分，揭示其組成物質(zhì)的奧秘。
此外，為了應(yīng)對(duì)漫長(zhǎng)旅程和復(fù)雜任務(wù)，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器上還裝備了強(qiáng)大的能源系統(tǒng)——巨大的圓形太陽(yáng)能帆板，確保探測(cè)器在遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)也能獲得充足能量；配備了高效推進(jìn)系統(tǒng)，提供精確的軌道修正和姿態(tài)控制能力，使探測(cè)器能在茫茫宇宙中精準(zhǔn)航行。
當(dāng)天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器飛至主帶彗星311P時(shí)，遠(yuǎn)離太陽(yáng)使探測(cè)器需要更多的能源支持。巨大的圓形太陽(yáng)能帆板應(yīng)用了特別的能源控制技術(shù)，即便與太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，探測(cè)器依舊具有飛往深空的能力。
此次天問(wèn)二號(hào)的探測(cè)任務(wù)雖然周期長(zhǎng)、目標(biāo)遠(yuǎn)，給航天科研人員帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)和壓力，但同時(shí)也提供了一個(gè)得天獨(dú)厚的技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)——空間推進(jìn)技術(shù)、空間能源技術(shù)、表面附著技術(shù)、微重力條件下采樣技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，都可以通過(guò)這次任務(wù)一試身手。
遙望太空，多種精密科學(xué)設(shè)備協(xié)同工作，幫助天問(wèn)二號(hào)完成這場(chǎng)漫長(zhǎng)的“星際馬拉松”，揭開(kāi)太陽(yáng)系小天體的神秘面紗，也為未來(lái)火星取樣的返回任務(wù)、小行星防御在軌驗(yàn)證任務(wù)等鋪就基石。
也正因此，此次天問(wèn)二號(hào)任務(wù)工程目標(biāo)被明確為兩點(diǎn)：一是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)；二是為小行星起源及演化等前沿科學(xué)研究提供探測(cè)數(shù)據(jù)和珍貴樣品。
茫茫太空，探索永不止步
此次任務(wù)中，有一個(gè)數(shù)字引發(fā)人們的熱議與感嘆：天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器此次任務(wù)的設(shè)計(jì)周期，長(zhǎng)達(dá)“10年左右”。
其中，小行星2016HO3探測(cè)和采樣返回包括9個(gè)階段。發(fā)射段順利完成后，探測(cè)器進(jìn)入小行星轉(zhuǎn)移段。這一階段將持續(xù)約一年，期間需要實(shí)施深空機(jī)動(dòng)、中途修正等操作，直到行至距離小行星約3萬(wàn)公里處。
隨后依次進(jìn)入小行星接近段、交會(huì)段、近距探測(cè)段，在近距探測(cè)段按照“邊飛邊探、逐步逼近”原則，天問(wèn)二號(hào)對(duì)小行星開(kāi)展懸停、主動(dòng)繞飛等探測(cè)，確定采樣區(qū)后進(jìn)入采樣段。
完成采樣任務(wù)后，探測(cè)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(cè)器分離，之后獨(dú)自進(jìn)入再入回收段，預(yù)計(jì)于2027年底著陸地球并完成回收。此后，主探測(cè)器則繼續(xù)飛行，前往主帶彗星311P，開(kāi)展后續(xù)探測(cè)任務(wù)。
這將是怎樣的10年！凝望天問(wèn)二號(hào)遠(yuǎn)去的航跡，人們看到的不僅是一個(gè)探測(cè)器10年不間斷的孤獨(dú)遠(yuǎn)征，更是人類對(duì)探索太空中未知的孜孜不倦的永恒渴望。
星辰并非遙不可及。天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器重約2.1噸，整個(gè)探測(cè)器翼展長(zhǎng)達(dá)15米。茫茫宇宙中，天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器會(huì)不斷調(diào)整姿態(tài)，伸出機(jī)械臂，用小小的身軀拓展人類探索未知的邊界。
人類對(duì)未知的探索永不止步。
在天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器發(fā)射之前，我們已經(jīng)發(fā)射了天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了在火星表面的軟著陸；祝融號(hào)火星車實(shí)現(xiàn)了對(duì)火星表面巡視探測(cè)……
茫茫太空，中國(guó)航天探索的腳步越走越遠(yuǎn)。
伴隨著中國(guó)航天行星探測(cè)工程研制能力不斷迭代、不斷進(jìn)步，中國(guó)航天器一次次踏上穿越星際之旅，為人類揭開(kāi)一個(gè)又一個(gè)關(guān)于宇宙的奧秘。