葉培建深耕太空探測（實施小天體探測任務）

2023-05-27 07:30:49 6

「中國設計的小天體探測任務將在10年分3個階段實施，即小行星探測、取樣返回、探測彗星三個階段，既要對近地小行星『2016 HO3』進行探測，也要對彗星『311P』進行探測。目前，小天體探測任務已經進入工程研製階段。」4月24日下午，在2021年中國航天大會主論壇上，剛剛當選為2021年「中國航天公益形象大使」的人民科學家、中國科學院院士葉培建描繪的我國小天體探測的任務設想，令大家心馳神往。

「小天體保存著太陽系形成演化的原始信息，是研究太陽系起源的『活化石』，是目前國際深空探測的熱點，行星科學研究的前沿。」葉培建表示，小天體探測在揭示生命起源、推動技術進步、開發天然資源、保護地球安全等方面意義重大，影響深遠。

小天體探測只是我國行星探測重大工程的冰山一角，葉培建表示，火星採樣返回、木星系環繞探測、太陽系邊際探測等未來任務已在論證中。

當選為2021年「中國航天公益形象大使」的人民科學家、中國科學院院士葉培建就《我國小天體探測任務設想》做特邀報告。圖源：王磊攝

將對近地小行星探測取樣返回並繞飛探測彗星

葉培建介紹，「小天體」包括小行星和彗星。其中，小行星指的是太陽系內類似行星環繞太陽運動，但體積和質量比行星小很多的天體。目前已確認的小行星達到100萬顆，其中近地小行星2萬多顆。

彗星是指進入太陽系內，亮度和形狀隨日距變化而變化的繞日運動天體。其中主帶彗星是指運行在火星與木星軌道間的小行星帶內的彗星。

從國際來看，九十年代前的小天體探測均為飛越探測。九十年代後，人類又實施了9次探測任務：小行星6次，彗星3次。這9次中，美國6次、歐空局1次、日本2次，其中3次為採樣返回。

對於小行星的探測，日本、美國都有先例。日本的「隼鳥2號」於2014 年12月發射，經過一年半的近距離探測後，實施了兩次「觸碰打彈採樣」。2020 年 12 月 6 日，返回艙降落在澳大利亞南部沙漠地帶。獲取了「龍宮」小行星樣品5.4克。

美國「歐西裡斯」於2016年9月發射，2018年到達小行星「貝努」，近距離探測一年後，開展了一次「觸碰採樣」，確認採集到了樣品，計劃2021年5月進入返回軌道，2023年9月抵達地球。

中國的小天體探測如何開展？葉培建說，「中國的小天體探測，將通過一次任務，對近地小行星探測與取樣返回和主帶彗星繞飛探測，實現探測領域和核心技術的全面性突破，使我國小天體探測達到國際同期先進水平。」

葉培建做特邀報告。圖源：金鳳 攝

小天體探測器由主探測器和返回艙組成

葉培建說的近地小行星和主帶彗星分別「2016HO3」和「311P」。

2016HO3是一顆地球共軌天體，直徑為40-100 米，發射和返回窗口靈活；適於取樣返回、分析天體來源。而311P彗核為320-580 米，對它的研究熱點集中在主帶彗星形成和演化、氣體活動機制。

對2016HO3和311P的探測，除了涉及其自轉參數、形狀大小和熱輻射等物理參數，也包括探測形貌、表面物質組份、內部結構等諸多科學目標。科學家們還將探測311P可能的水和有機物等信息，獲取太陽系早期演化信息，研究主帶彗星的形成和演化、氣體活動機制，為太陽系起源與演化提供重要線索。

「小天體探測的目標是，突破弱引力天體表面採樣、高精度和高自主相對自主導航與控制、小推力轉移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命電推進等關鍵技術；同時實現近地小行星近距探測、採樣返回和主帶彗星近距探測，為小行星起源及演化等前沿科學研究提供探測數據和真實樣品。」葉培建介紹。

完成這些使命的小天體探測器，將由主探測器和返回艙組成。「其中主探測器完成近地小行星轉移、繞飛詳查、採樣轉樣、返回地球、返回艙分離、主帶彗星轉移及科學探測全周期的飛行任務；返回艙則採用彈道式再入方式，選用『球錐大底 單錐後體』氣動外形，通過『氣動外形 降落傘』完成減速並著陸於地球。」葉培建說。

葉培建做特邀報告。圖源：王磊 攝

一次發射先後探測兩個小天體

與眾不同的是，此次小天體探測器的發射，將「一箭雙鵰」。葉培建透露，中國的小天體探測工程將通過一次發射，探測兩類目標，實現三種探測模式，即近距離探測、附著、採樣。

「探測器發射後將進入轉移段，隨後用約1年的時間與小行星交會、近距離探測，再經過約半年的著陸、採樣後，進入返回段。探測器返程接近地球時，返回艙進入地球，而主器拉起飛向彗星，隨後完成將近7年的探索之旅。」葉培建說。

「但是，難點在哪兒？」葉培建話鋒一轉。「小行星直徑不過幾十米，幾乎沒有引力，所以首先要圍繞小行星在不同相位進行懸停探測，了解它的各種特性，繞飛探測來選擇可能著陸的地點，再通過接近段、採樣段『走一步看一看』，最後到小行星上進行採樣。」葉培建說。

由於小天體的地面觀測數據極其有限，它的自旋特性、地形地貌、巖石和風化層、反照率、熱特性等參數目前都不知道，只能基於同類小天體數據推測，具有較大的不確定性，系統設計、驗證需適應很大的包絡範圍。

葉培建做特邀報告。圖源：王磊 攝

設計了觸碰、懸停、附著等多種採樣方式

如果說小行星的基本特性讓人「不識廬山真面目」，那麼，往返「探望」小行星也需突破諸多難題。

「例如火星探測的通信單程時延為22分鐘，但探測小天體要延遲到28分鐘。小天體的再入返回速度也從月球探測的10.7千米/秒提高到12.1千米/秒，因此我們有大量技術需要突破。」葉培建舉例，例如飛行軌道優化設計技術，地面仿真與試驗驗證技術，交會、下降、附著、取樣過程自主導航控制技術等，都需要「死磕」。

不僅要對探測技術進行創新，相應的科學載荷也必不可缺，如窄視場導航敏感器、雷射一體化導航敏感器、中視場相機、多光譜相機、探測雷達 ……

小天體探測，最引人關注的探測任務之一，莫過於採樣。葉培建介紹，目前對小行星「2016HO3」的採樣方式共準備了觸碰、懸停、附著等多種採樣方式，確保有一種方式能採樣成功，未來探測器在軌飛行時，將「邊探測、邊反演、邊確定採樣策略」。

葉培建做特邀報告。圖源：王磊 攝

另外，小行星的交會、下降、附著、取樣過程，還需要高精度全自主導航控制，包括高精度圖像導航技術、下降過程六自由度精確附著控制技術、視線導航和軌跡機動自主一體化設計技術等。

「在採集完小行星樣本後，探測器的返回艙將採用彈道式再入返回，再入速度約12千米/秒，這面臨高熱流、高焓、高剪切力、超音速開傘等惡劣條件，所以還需要研製新氣動外形和防熱材料。」

儘管小天體的探測還面臨一片星辰大海，但這不影響科學家們的信心，「未來，小天體探測任務的實施將進一步提升我國的深空探測能力，推動行星科學的快速發展，為航天強國建設做出重要貢獻。」葉培建說。

來源 | 科技日報、我們的太空

作者 | 金鳳、張曄

拍攝 | 金鳳、王磊

編輯 | 汪嘉雯

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