十年星際征程,要闖哪些關?

5月29日凌晨,長征三號乙Y110運載火箭從中國西昌衛星發射中心點火升空,將行星探測工程天問二號探測器送入地球至小行星2016HO3轉移軌道,開啟小行星探測與採樣返回之旅。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、天問二號任務新聞發言人韓思遠介紹,天問二號任務是我國首次實施行星際取樣返回任務,計劃對小行星2016HO3開展伴飛探測和取樣返回,並飛至小行星帶對311P主帶彗星開展科學探測活動。任務以採集小行星樣品並返回地球作為成功標志。
記者從國家航天局了解到,天問二號任務整個飛行過程復雜且精細,包含13個飛行階段,設計任務周期10年左右。
為何挑戰雙星探測?
加深對小天體起源演化認知
天問二號任務艱巨復雜,包含多項特點和亮點。
2016HO3是地球的一顆“准衛星”,其穩定運行於地球軌道附近,公轉周期與地球公轉周期接近。根據前期科學研究,該小行星很有可能保留著太陽系誕生之初的原始信息,對研究太陽系早期物質組成、形成過程和演化歷史具有極高的科研價值。
311P主帶彗星是運行於火星與木星軌道之間小行星帶中的小天體,同時具有傳統彗星的物質構成特征和小行星的軌道特征。對該主帶彗星進行探測,能夠促進對小天體物質組成、結構以及演化機制的探索。
針對上述科學探索任務,天問二號探測器攜帶了11台科學載荷,將對相關天體地貌、物質組分、內部結構、可能的噴發物以及軌道力學等方面開展研究。如果成功取回科學樣品,科技人員將對樣品物理特性、化學與礦物成分等方面開展研究測定。
“我們希望通過天問二號任務實施,能夠在這兩類小天體的認知、起源、演化等方面取得科學研究突破。”韓思遠說。
到小行星“挖土”有多難?
微重力環境下採樣無處著力
相比我國此前實施的月球、火星探測任務,天問二號任務的探測目標不同,涉及的技術難點也不相同。
一是任務距離跨度大。2016HO3小行星距離地球約1800萬至4600萬公裡,311P主帶彗星距離地球約1.5億至5億公裡,通信存在較長延遲。距離遠、目標多、周期長,對軌道設計、能源管理、智能控制,以及工作狀態的長壽命、高可靠等方面都提出很高要求。
二是目標天體特性存在未知。根據現有觀測數據,2016HO3小行星的自轉速度、表面狀態等具體情況尚存不確定性。對此,科研團隊為探測器制定了“邊飛邊探邊決策”的策略,提高了探測器智能化自主化程度,並設計了3種採樣方式,以應對相關不確定因素。
三是弱引力條件下採樣。相比“嫦娥”在月球上挖土時的表取和鑽取,小行星的微重力環境會讓探測器無處著力。據判斷,2016HO3小行星的平均直徑約41米,幾乎是零重力,而且處於高速自轉狀態。在這種復雜條件下,探測器要利用有限時間完成穩定附著及採樣,任務難度極大。為盡最大努力獲取樣品,天問二號將嘗試多種採樣方式。
獲取樣品后,天問二號探測器將等待合適的時機,把樣品送回地球。接近地球時,裝著樣品的返回艙將與主探測器分離,獨自再入地球大氣層。如果一切順利,大概在2027年底,科學家就能簽收這份小行星“土特產”。而投送完“包裹”的天問二號則要繼續飛行,前往主帶彗星311P,開展后續科學探測任務。
入軌精度要求有多高?
好比從北京投籃命中上海籃筐
當日實施的發射,長征三號甲系列運載火箭首次執行地球逃逸軌道發射任務,其中頗有講究。
記者從中國航天科技集團一院了解到,以往地球軌道范圍內的發射任務,火箭分離速度為大約每秒7.9千米的第一宇宙速度,而在此次任務中,火箭分離速度需超過約每秒11.2千米的第二宇宙速度。在綜合考量火箭運載能力、履約能力和可靠性等因素后,長征三號乙運載火箭被選為天問二號的“座駕”。
由於小行星體積小、質量小、引力弱,捕獲難度大,對火箭入軌精度要求極高。發射任務中,火箭入軌速度在達到約每秒11.2千米的基礎上,還要保証與設計所要求速度的偏差不能超過1米,否則可能給探測器帶來百萬公裡級的誤差。專家形容,這樣的入軌精度,就好比在北京投出一個籃球,要投進位於上海的籃筐,還要保証籃球入筐時的飛行角度和速度。為此,火箭團隊在採用迭代制導技術的基礎上,運用了末速修正技術,在分離前實時調整火箭的速度、姿態等,確保滿足入軌精度要求。

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