“中國設(shè)計的小天體探測任務(wù)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。既要對近地小行星‘2016HO3’進(jìn)行探測，也要對彗星‘311’進(jìn)行探測。目前，小天體探測任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入工程研制階段。”4月24日下午，在2021年中國航天大會主論壇上，當(dāng)選為2021年“中國航天公益形象大使”的人民科學(xué)家、中國科學(xué)院院士葉培建描繪的我國小天體探測的任務(wù)設(shè)想，令人心馳神往。

葉培建介紹，我國行星探測重大工程包括小天體探測、火星采樣返回和木星系探測，同時太陽系邊際探測等未來任務(wù)已在論證之中。其中，小天體探測任務(wù)是行星探測重大工程的標(biāo)志性項目，也是我國航天強國建設(shè)征程的標(biāo)志性任務(wù)。

將對近地小行星探測取樣返回，并繞飛探測彗星

“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(xué)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(shù)進(jìn)步、開發(fā)天然資源、保護(hù)地球安全等方面意義重大，影響深遠(yuǎn)。

中國的小天體探測如何開展?葉培建說：“我們將通過一次任務(wù)，對近地小行星探測與取樣返回和主帶彗星繞飛探測，實現(xiàn)探測領(lǐng)域和核心技術(shù)的全面性突破，使我國小天體探測達(dá)到國際同期先進(jìn)水平。”

葉培建所說的近地小行星和主帶彗星分別為“2016HO3”和“311P”。

2016HO3是一顆地球共軌天體，直徑為40—100米，發(fā)射和返回窗口靈活，適于取樣返回、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。

“小天體探測的目標(biāo)是，突破弱引力天體表面采樣、高精度和高自主相對自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù);同時實現(xiàn)近地小行星近距探測、采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(xué)研究提供探測數(shù)據(jù)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(zhuǎn)移、繞飛詳查、采樣轉(zhuǎn)樣、返回地球、返回艙分離、主帶彗星轉(zhuǎn)移及科學(xué)探測全周期的飛行任務(wù);返回艙則采用彈道式再入方式，選用‘球錐大底+單錐后體’氣動外形，通過‘氣動外形+降落傘’完成減速并著陸于地球。”葉培建說。

一次發(fā)射先后探測兩個小天體，設(shè)計了觸碰、懸停、附著等多種采樣方式

與眾不同的是，此次小天體探測器發(fā)射后，將“一箭雙雕”。葉培建透露，中國的小天體探測工程將通過一次發(fā)射，探測兩類目標(biāo)，實現(xiàn)三種探測模式，即近距離探測、附著、采樣。

“探測器發(fā)射后將進(jìn)入轉(zhuǎn)移段，隨后與小行星交會、近距離探測，再著陸、采樣后，進(jìn)入返回段。探測器返程接近地球時，返回艙進(jìn)入地球，而主探測器飛向彗星，隨后完成將近7年的探索。”葉培建說。

“但是，難點在哪兒?”葉培建話鋒一轉(zhuǎn)，“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(jìn)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、采樣段‘走一步看一看’，最后到小行星上進(jìn)行采樣。”

由于小天體的地面觀測數(shù)據(jù)極其有限，它的自旋特性、地形地貌、巖石和風(fēng)化層、反照率、熱特性等參數(shù)目前都不知道，只能基于同類小天體數(shù)據(jù)推測，具有較大的不確定性。系統(tǒng)設(shè)計、驗證需適應(yīng)很大的包絡(luò)范圍。

小天體探測，最引人關(guān)注的探測任務(wù)之一，莫過于采樣。葉培建介紹，目前對小行星“2016HO3”共準(zhǔn)備了觸碰、懸停、附著等多種采樣方式，確保有一種方式能采樣成功，未來探測器在軌飛行時，將“邊探測、邊反演、邊確定采樣策略”。

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(dǎo)航控制，包括高精度圖像導(dǎo)航技術(shù)、下降過程六自由度精確附著控制技術(shù)、視線導(dǎo)航和軌跡機動自主一體化設(shè)計技術(shù)等。

“在采集完小行星樣本后，探測器的返回艙將采用彈道式再入返回，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，所以還需要研制新氣動外形和防熱材料。”葉培建說。

關(guān)鍵詞： 小行星探測