日本和美國接連在小行星挖土,我們啥時去?天問二號上演技術奇襲

日本小行星探測器隼鳥二號分別於去年2月22日、7月11日連續兩次成功登陸編號為162173的龍宮小行星，看著探測器在距離地球約2.4億公裡處登陸地外天體揚起的砂石，人們不禁感嘆真是不能小看了日本航天，更有甚者認為日本航天實力甚至比大洋彼岸還要強大，以至於出現下面這種迎合大眾情緒的標題：

語不驚人死不休

這種聽風就是雨的思維實在是沒什麼營養，真相是，對於有實力的玩家究竟要不要做這件事完全取決於「需求」。

大洋彼岸歷史上不僅率先實施了阿波羅載人登月工程，其新視野號探測器更是在距離地球六十多億公裡處精準飛越了天涯海角小行星，要知道那裡是太陽系的邊際空間，背後的深空測控實力是日本能比的嗎？

六十多億公裡外的天涯海角小行星

已經和正在發生的事實都將無情地批判上面那兩個語不驚人死不休的標題，本月NASA所屬奧西裡斯-REx探測器對編號為101955的貝努小行星實施了採樣任務。

奧西裡斯-REx探測器

貝努小行星與日本隼鳥二號登陸的龍宮小行星一樣都屬於近地小行星，其遠日點與近日點數據大同小異，奧西裡斯-REx探測器發射質量1.529噸，大約相當於隼鳥二號的兩倍，配置有鐳射測高儀、可見光與紅外線分光儀、熱輻射光譜儀、風化層X射線成像光譜儀、三臺取樣相機，以及最核心的取樣系統。

貝努小行星

奧西裡斯-REx探測器最核心的任務就是取樣返回，諸多載荷也都是服務這一任務，含金量最高的科研項目也是通過研究小行星樣本得以實現。該探測器取樣系統與隼鳥二號如出一轍，都屬於「一觸即走」原理的採樣系統，類似於計程車的即停即走模式，由一個3.35米長機械臂與採樣探頭組成。

NASA奧西裡斯探測器一觸即走採樣

當探測器接近小行星表面時伸出機械臂，建立著陸姿態，機械臂末端是一個圓柱體採樣探頭，接觸小行星表面後釋放高壓氮氣攪動重灰石，探頭內部揚起的重灰石將飛入採樣容器內。

完成這一任務的時間極為短暫，探測器接觸小行星表面僅數秒鐘後就會飛離，因此樣本採集種類、重量都將受到極大限制，例如隼鳥號返回地球後科研人員僅從返回艙容器中提取到只能用顯微鏡觀察到的物質微粒，距離預期採集1克重量樣本目標相差甚遠。

隼鳥號樣本需用顯微鏡方能看到

即便有前車之鑑NASA還是選擇了墨守成規的一觸即走模式，結果剛剛完成採集任務，樣本容器就出現了封口蓋被卡問題，導致大量採樣物質洩漏，為此項目團隊不得不放棄稱重環節，在採樣物質洩漏長達八天之後才將樣本裝入返回艙樣品容器中，在此期間究竟洩漏了多少樣本也只有等到兩年後返回艙返回地球後才能揭曉答案，不過即便如此其採集到的樣本重量也遠在日本隼鳥系列探測器之上。

NASA奧西裡斯-REx採樣物質洩漏

在大洋彼岸與日本接連實施小行星採樣返回任務背景下，很多人不禁發問中國有沒有小行星探測的實力與計劃呢？

答案是，我們不僅有實力，而且小行星採樣工程的規模遠在日本與大洋彼岸之上，此前也有一些人認為中國小行星探測只是為了解決一個有無問題，而實際上這又是一個前無古人的技術奇襲。

先來看看我們有哪些實力：

1992年9月21日載人航天工程正式上馬，自此之後空間科學探測進入快車道，截至當下我們已經連續發射5艘神舟無人飛船、6艘神舟載人飛船、兩座天宮空間實驗室、1艘天舟貨運飛船，完成了14人次航天員的天地往返任務。

從天宮二號看神舟十一號載人飛船

掌握了載人航天、多人多天、航天員出艙行走、空間交會對接、航天員中期駐留、在軌燃料補加等一系列核心技術。

目前載人航天工程已經全線轉向天宮空間站，明年天和號核心艙將乘坐長徵五號B遙二火箭升空，正式拉開在軌建站序幕，而這將是一座具有世界領先水平比肩國際空間站的國家級太空實驗室。

天宮空間站天和號核心艙

2004年我們又上馬了與載人航天工程並行實施的嫦娥探月工程，連續發射了嫦娥一號、二號、三號、五號T1試驗器、四號共5艘月球任務探測器，攻克了繞月探測、深空測控、月面軟著陸、月面巡視等一系列核心技術，再有不到一個月時間代表人類最頂尖登月技術的嫦娥五號將搭乘長徵五號遙五運載火箭升空，它將執行人類21世紀第一次月面採樣返回任務。

登陸月球背面的嫦娥四號著陸器

今年上半年長徵五號B遙一運載火箭的成功發射則標誌著載人航天與嫦娥探月兩大工程即將合流，由該枚火箭發射的新一代載人飛船試驗船成功驗證了第二宇宙速度再入大氣的熱流燒蝕技術，這款飛船接下來將用於載人登月工程。

通過梳理可知，中國航天從來不打無準備之仗，而是有計劃有目標的推進航天事業系統化發展，也從來不會為了爭一時之長短而去刷新一些所謂的紀錄。

新一代載人飛船將用於載人登月任務

與之對比日本與印度航天則是始亂終棄的典型代表，原本他們也都有月球探測的既定規劃，然而日本在發射月亮女神繞月衛星之後就偃旗息鼓，印度航天則因為無法攻克月面軟著陸技術，半道轉向在NASA深空測控網支持下的火星環繞探測，去年月船-2號登陸月面失敗再一次詮釋了什麼叫做「根基不牢，地動山搖」。

粉碎於月面的印度月船-2號探測器

有人說，人家日本探測小行星、印度探測火星是將有限實力投入到創新領域，你不要吃不著葡萄說葡萄酸，然而航天終歸比拼的就是綜合實力。

今年7月23日長徵五號遙四運載火箭成功發射的天問一號探測器生動詮釋了什麼叫做技術奇襲，在缺席火星探測長達半個世紀後中國航天沒有選擇小打小鬧的火星環繞探測，而是要一步實現繞、落、巡火星探測。

發射天問一號的長徵五號遙四運載火箭

一次發射即可追平大洋彼岸近半世紀探火技術水平，也正因為身兼數職使得天問一號探測器的發射質量達到了5噸，一舉刷新了人類向火星發射飛船的重量紀錄。

數天前該飛船順利完成了第三次軌道中途修正任務，在此之前還實施了兩次軌道中途修正與一次深空機動，與此同時也驗證標定了8臺25N姿控發動機與1臺3000N軌控發動機的在軌性能，目前探測器一切正常，預計將於明年4月實施火星登陸任務。

天問一號

既然有天問一號，那麼就必然有後續的天問系列飛船，這還得從天問名稱定名說起，該名稱緣於兩千多年前詩人屈原的長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理徵途漫漫，追求科技創新永無止境，天問一號火星探測任務從屬於天問系列太陽系行星探測工程，此後除月球以外的所有太陽系探測任務都將以天問冠名，攬星九天是整個天問系列工程的圖形標識。

行星探測任務命名與圖形標識

近日，國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑正式對外披露，我國將於2024年前後實施小行星探測任務。按照任務先後順序該探測器大概率將被命名為「天問二號」，去年4月19日，國家航天局正式對外發布「小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告」，在滿足主體探測任務之外飛船預留了200公斤搭載能力向社會開放，這意味著小行星探測任務已經是箭在弦上。

事實上早在上個世紀末的1999年小行星探測項目就在863計劃支持下開展了預先研究工作，要知道那時我們不僅沒有實現載人航天，就連月球環繞探測都還沒實現，由此可見中國航天人的雄心壯志。

早期三星探測方案

早期我國小行星探測計劃是在一次發射任務中分別對三顆小行星進行飛越、伴飛、附著探測，這一任務想定直到2016年都沒有變化，三星探測雖然可連續探測多顆小行星，但卻沒有採樣返回任務安排，工程技術並沒有質的突破。

電視劇《士兵突擊》裡的一句臺詞「人不能過得太舒服，太舒服就會出問題。」很有哲理，這句話對中國航天同樣受用，有時候不把自己逼一逼就不知道自己究竟有多大潛力。

佳木斯深空測控站

隨著嫦娥三號月面登陸任務的完美實施，加上遍布全球的深空測控網建成投入使用，我國太空飛行器在軌規模也已經位列世界第二，不論是技術實力，還是深空探測經驗都已經躍上了一個全新臺階。

基於上述情況我國小行星探測任務到2017年時就出現了重大反轉，三星探測方案被摒棄，我們選擇了一個更具挑戰性為期十年的太空流浪之旅。

天問二號目前已知的探測任務如下：

天問二號小行星探測器將在西昌衛星發射中心由長徵三號乙運載火箭發射，這一火箭選型說明火箭從來不是我國航天實施深空探測任務的裝備障礙，歸根結底是深空測控網是否就位，諸如日本、印度此類依附他國深空測控網的探測項目終究無法自主掌控。

長徵三號乙運載火箭

天問二號與火箭分離後將朝向2016HO3小行星飛去，整個轉移飛行過程為期1年。2016HO3小行星遠日點約1.11AU，近日點約0.9AU，這是一顆即圍繞太陽公轉也圍繞地球運轉的地球準衛星，小行星大小僅有40至100米，這也只是尚未確定的推測數據，實際上可能是10米級，比以往任何一次環繞探測的小行星都要小得多，這是一個全新紀錄。

日本隼鳥一號環繞對象25143小行星是500米級，隼鳥二號環繞對象162173小行星是980米級，NASA奧西裡斯-REx探測對象101955小行星是240米左右。

980米級龍宮小行星

天問二號的探測對象2016H03小行星10至100米量級意味著該天體的引力將極為微弱，不誇張地說哪怕打個噴嚏的作用力都可能飛離小行星，意味著此次環繞探測難度將是創紀錄的。

正如前文所說我們從來不打無準備之仗，弱引力天體的環繞運行在載人航天工程中早已有驗證，神舟七號、神舟十一號兩次載人飛行任務中飛船軌道艙頂端都攜帶有伴飛小衛星，兩顆伴飛小衛星先後都實現了對神舟飛船、神舟天宮組合體的繞飛探測。

伴飛小衛星拍攝神舟天宮組合體

雖然小行星僅有10米至100米量級但其重量仍遠大於人造太空飛行器，兩次伴飛小衛星任務的成功實施在服務載人航天工程的同時也為微弱引力天體的環繞探測奠定了技術基礎。

對微弱引力天體的環繞運行實際上並非基於環繞目標的引力進行，比如環繞天宮神舟組合體運行的伴飛小衛星是基於地球引力並輔以特殊的軌道設計，進而實現繞飛。

同理，2016HO3小行星在環繞太陽公轉的同時也環繞地球運轉，這就為繞飛探測創造了軌道條件，當然這條軌道的設計與控制難度要遠高於此前實施的兩次小衛星伴飛任務。

2016HO3小行星軌道示意圖

環繞微弱引力天體只是天問二號一系列壯舉中的小試牛刀，經過為期一年轉移飛行抵達2016HO3小行星後它將對其進行為期一年的環繞探測，完成環繞探測任務後天問二號將擇機登陸小行星，此前日本或者NASA的「一觸即走」蜻蜓點水式的附著算不上真正的登陸。

動力反推不再適用於小行星登陸任務

天問二號將在一系列傳感器支持下建立登陸彈道，由於2016HO3小行星引力極為微弱，類似嫦娥三號四號的反推動力緩衝著陸並不適應小行星著陸任務，因為登陸小行星緩衝作用力將使飛船反彈回宇宙。

因此天問二號有望繼承「早期三星探測方案中的登陸技術」，在接近小行星表面時探測器首先釋放錨定裝置，爾後啟動軌控發動機進行登陸，同時這臺發動機也需要具有一定的變推力功能，最終天問二號將在四條著陸支撐腿作用下完成小行星登陸任務。

真正意義的小行星登陸技術方案

登陸小行星後探測器可以進行更加精細的原位探測，歐空局的羅塞塔探測器曾經實施過彗星登陸任務，但它並不具備取樣返回能力。

中科院紫金山天文臺與空間技術研究院合作研製了一種極具創新色彩的小行星採樣機構，這是一種類似嫦娥五號的鑽機機構，用以鑽取小行星內部樣本，比日本、NASA搞的蜻蜓點水式採樣高出幾個段位，所獲取的樣本質量將成倍提高。

國產全球第一臺小行星原位探測採樣裝置

鑽取機構將對不同深度層的樣本物質依託一種轉輪裝置進行分類封裝，與此同時還將對樣本進行加熱，並通過分析儀獲取樣本的基礎科研數據，上述所有動作都是自動完成。

分類封裝

完成樣本鑽取後天問二號將於2026年飛離2016HO3小行星進入返回地球的轉移軌道，探測器接近地球後將一分為二。

攜帶小行星樣本的返回艙在服務艙支持下建立再入姿態，分離後返回艙將以近第二宇宙速度再入返回地球，談到這裡又不得不提到中國航天此前突破的多項核心技術將服務這一操作。

嫦娥五號T1兩器分離

首先是兩器分離高度，嫦娥五號T1探測器分離時距離地球約五千公裡，而日本隼鳥二號則是設計在距離地球40萬公裡處分離，分離距離越遠返回艙著陸精度越差，那麼為什麼隼鳥二號要在那麼高的高度分離呢？因為它怕燒。

兩器分離後服務艙將與返回艙保持接近一致的再入返回彈道，如果不採取軌道控制措施軌道器將再入大氣層燒毀而不具備繼續運行能力，分離高度越高服務艙軌道控制就越容易。

嫦娥5T1分離返回艙後服務艙同步機動

嫦娥五號T1就完全不同，它之所以能以更低的高度分離返回艙是因為服務艙有更強的軌道控制能力所以不怕燒，天問二號如果選擇化學推進與電推結合的複合推進方式也將繼承這一軌道控制能力。

在釋放返回艙後服務艙經過軌道抬升後在距離地球600多公裡處實現近旁轉向，爾後進入遠地點54萬公裡的地月轉移軌道，從近地軌道再次回到繞月運行軌道，時隔6年嫦娥五號T1服務艙目前仍在環月軌道上運行，而更低的分離高度又確保了嫦娥五號T1返回艙極為精確的落點精度。

高速半彈道跳躍式再入返回軌道

我國航天通過嫦娥五號T1探測器、新一代載人飛船兩次任務完美驗證了高速半彈道跳躍式再入返回技術，為了抵禦接近3000攝氏度的大氣熱流燒蝕，返回艙一次再入大氣層後在接近地面約60公裡處將基於返回艙大底前端的弓形激波反彈回宇宙，緊接著就是二次再入大氣層，此時返回艙承受的熱流燒蝕水平將與神舟飛船返回艙無異。

嫦娥5T1返回艙

除此之外，為了攻克第二宇宙速度再入熱流燒蝕，我國接連攻克包括輕質碳基微燒蝕材料在內的多款多代防熱材料，使得我國在這一核心技術領域處於世界領跑地位，這一優勢能力必然也會應用於小行星探測任務中。

決定返回艙落點精度的關鍵還有返回艙開傘精度，基於「全數字全係數自適應預測校正制導」技術，嫦娥五號T1返回艙就曾創造世界返回艙開傘點精度紀錄，此後新一代載人飛船試驗船又再一次驗證了這一技術。

國產減速傘輕量化設計製備能力世界領先

與此同時嫦娥五號T1減速傘與返回艙質量比值也做到了全球第一，這一指標意味著返回艙將有更多的空間搭載樣本，在先進的制導技術+先進的減速傘設計加持下天問二號返回艙將再次刷新人類地外天地採樣返回紀錄。

那麼，到了這裡天問二號的使命就終結了嗎？不，這仍然只是一個開始。

天問二號分離返回艙後仍在軌運行的服務艙將藉助地球重力進行加速，爾後進入地火轉移軌道，在經過約一年飛行後它將飛越火星，基於火星引力彈弓效應再次加速，這一次它的目標是主帶彗星133P，這將是人類探測器首次造訪主帶彗星，並對其進行環繞探測。

天問二號將先後藉助地球火星重力加速

主帶彗星位於火星與木星軌道間的小行星帶，距離地球非常遙遠地基觀測系統無法對其進行精細探測，人類對其了解非常少，部署太空飛行器進行環繞探測將獲取豐富的一手原創信息，科研價值極大，天問二號由火星向主帶彗星轉移飛行時間將長達5年，抵達133P主帶彗星後天問二號還將有餘力對其進行為期一年的環繞探測。

小行星帶藝術效果圖

天問二號在軌運行時長總計十年，服務艙將配置電推發動機進行深空機動。毫無疑問此項任務又是一次技術奇襲，一系列大膽的任務操作告訴我們中國航天已經走出了一條屬於自己的道路，我們將用一次又一次的勝利回應那些曾經的嘲諷、鄙視。

長達十年的太空流浪之旅

中國航天的戰略格局與視野向來是極為遠大的，比如摒棄一觸即走的採樣方案實施真正的小行星登陸，為以後開發利用小行星摸索出一條實用的技術路線；鑽機打孔式採樣方案的實施，為應對小行星撞地球提供了有效的防禦方案，基於此技術可在小行星內部安裝爆破裝置。

與載人航天、嫦娥探月的三步走規劃一樣，小行星探測工程也確立了「選、探、控、用」四步走戰略，終極目標「用」指的是小行星平臺開發、小行星資源利用、小行星科學研究、載人小行星探測。

載人小行星任務也早已展開研究

天問二號長達十年的太空流浪之旅拋開一系列工程技術突破不談，僅太空飛行器壽命這一塊就已經是裡程碑，現如今我國太空飛行器都在朝著長壽命發展轉型，例如，玉兔二號已經成為人類在月面工作時間最長的月球車，接下來發射的嫦娥七號探測器也是以十年為設計標準。

注意這裡的用詞是「設計標準」，通常在此基礎上我們都會實現超期服役，正是有了這一能力打底，在接下來的十年末期旨在探測木星系及行星際穿越探測的另一艘天問飛船也將發射，這一次它的終極目標將是更加遙遠的太陽系邊際空間。

小行星探測後的下一個目標

木星及太陽系邊際空間

目前，我們國家已經啟動「深空探測重大科技專項」，這是與載人航天、嫦娥探月齊名的科技專項，有科學實用的頂層設計規劃，加上迅猛增強的綜合國力加持，以及不斷刷新的航天技術實力，這意味著新的宇宙大航海世紀必然屬於我們！