“中國(guó)設(shè)計(jì)的小天體探測(cè)任務(wù)將在10年分3個(gè)階段實(shí)施，即小行星探測(cè)、取樣返回、探測(cè)彗星。既要對(duì)近地小行星‘2016HO3’進(jìn)行探測(cè)，也要對(duì)彗星‘311’進(jìn)行探測(cè)。目前，小天體探測(cè)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(guó)航天大會(huì)主論壇上，當(dāng)選為2021年“中國(guó)航天公益形象大使”的人民科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士葉培建描繪的我國(guó)小天體探測(cè)的任務(wù)設(shè)想，令人心馳神往。

葉培建介紹，我國(guó)行星探測(cè)重大工程包括小天體探測(cè)、火星采樣返回和木星系探測(cè)，同時(shí)太陽(yáng)系邊際探測(cè)等未來(lái)任務(wù)已在論證之中。其中，小天體探測(cè)任務(wù)是行星探測(cè)重大工程的標(biāo)志性項(xiàng)目，也是我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)征程的標(biāo)志性任務(wù)。

將對(duì)近地小行星探測(cè)取樣返回，并繞飛探測(cè)彗星

“小天體保存著太陽(yáng)系形成演化的原始信息，是研究太陽(yáng)系起源的‘活化石’，是目前國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)，行星科學(xué)研究的前沿。”葉培建表示，小天體探測(cè)在揭示生命起源、推動(dòng)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(guó)的小天體探測(cè)如何開展?葉培建說(shuō)：“我們將通過(guò)一次任務(wù)，對(duì)近地小行星探測(cè)與取樣返回和主帶彗星繞飛探測(cè)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域和核心技術(shù)的全面性突破，使我國(guó)小天體探測(cè)達(dá)到國(guó)際同期先進(jìn)水平。”

葉培建所說(shuō)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(lái)源。而311P彗核為320—580米，對(duì)它的研究熱點(diǎn)集中在主帶彗星形成和演化、氣體活動(dòng)機(jī)制。

“小天體探測(cè)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(duì)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(zhǎng)壽命電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù);同時(shí)實(shí)現(xiàn)近地小行星近距探測(cè)、采樣返回和主帶彗星近距探測(cè)，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)和真實(shí)樣品。”葉培建介紹。

完成這些使命的小天體探測(cè)器，將由主探測(cè)器和返回艙組成。“其中主探測(cè)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(cè)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(dòng)外形，通過(guò)‘氣動(dòng)外形+降落傘’完成減速并著陸于地球。”葉培建說(shuō)。

一次發(fā)射先后探測(cè)兩個(gè)小天體，設(shè)計(jì)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(cè)器發(fā)射后，將“一箭雙雕”。葉培建透露，中國(guó)的小天體探測(cè)工程將通過(guò)一次發(fā)射，探測(cè)兩類目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三種探測(cè)模式，即近距離探測(cè)、附著、采樣。

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

“但是，難點(diǎn)在哪兒?”葉培建話鋒一轉(zhuǎn)，“小行星直徑不過(guò)幾十米，幾乎沒(méi)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(cè)，了解它的各種特性，繞飛探測(cè)來(lái)選擇可能著陸的地點(diǎn)，再通過(guò)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(cè)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(cè)，具有較大的不確定性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證需適應(yīng)很大的包絡(luò)范圍。

小天體探測(cè)，最引人關(guān)注的探測(cè)任務(wù)之一，莫過(guò)于采樣。葉培建介紹，目前對(duì)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(lái)探測(cè)器在軌飛行時(shí)，將“邊探測(cè)、邊反演、邊確定采樣策略”。

另外，小行星的交會(huì)、下降、附著、取樣過(guò)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(guò)程六自由度精確附著控制技術(shù)、視線導(dǎo)航和軌跡機(jī)動(dòng)自主一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等。

“在采集完小行星樣本后，探測(cè)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(dòng)外形和防熱材料。”葉培建說(shuō)。

關(guān)鍵詞： 小行星探測(cè)