觸碰太空新疆界：揭秘天問二號小行星采樣三大絕招

天問二號試驗隊在西昌|來源：中國空間技術研究院

2025年5月29日，天問二號探測器從我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由長三乙火箭發(fā)射升空。

天問二號將通過一次任務實現(xiàn)近地小行星 2016 HO3 的伴飛探測和取樣返回，并對主帶彗星311P 開展伴飛探測，有望在工程技術上取得突破，實現(xiàn)重大原創(chuàng)科學發(fā)現(xiàn)，推動行星探測能力和行星科學的發(fā)展進步。

天問二號長什么樣

天問二號小天體探測任務是我國行星探測工程的重要組成部分，是對太陽系未知領域的又一次探索。

執(zhí)行此次任務的天問二號總重超過兩噸，翼展超過四米，由衛(wèi)星主體和返回器組成，其中衛(wèi)星主體長寬高均超過兩米，返回器直徑0.75米。

這次任務共分為十三個小階段，兩個大階段；其中第一階段預計用兩年半到三年的時間完成小行星2016HO3的探測、伴飛、取樣、返回；二周目則利用地球引力加速后預計再用七年的時間完成主帶彗星311P的伴飛和探測。

天問二號飛行過程示意圖|來源：中國空間技術研究院

為了獲得2016HO3小行星和311P主帶彗星的“個人信息”，天問二號攜帶了可見紅外成像光譜儀、熱輻射光譜儀、多光譜相機、中視場彩色相機、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀、窄視場導航敏感器和激光一體化導航敏感器等十個有效載荷。

我們可以簡單地認為，相機類載荷用于獲取小行星和彗星的“外貌長相”，光譜類用于獲取成分，雷達和磁強計用于分析“內部情況”，離子分析儀用于了解“脾氣性格”，其中窄視場導航敏感器和激光一體化導航敏感器除了作為科學載荷，也為工程導航服務。

天問二號結構圖|來源：中國空間技術研究院

有了這些法寶，這個有著兩只“圓耳朵”（直徑4.7米的圓形柔性太陽翼，單個面積超過17平方米），背著“鍋蓋”，抱著“保險箱”的大家伙就可以安然踏上這段長達十年的前往太空新疆界的旅程。

為何要探測地球的“準衛(wèi)星”2016 HO3

作為天問二號任務的第一站，2016 HO3是一顆直徑約為50米的小行星，于2016年4月27日被美國全景巡天望遠鏡和快速反應系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。為什么要去探測2016 HO3，這得從小行星的定義說起。

按照國際天文學聯(lián)合會（IAU）2006年第26屆大會的定義，小行星（Minor Planet/Asteroid）指圍繞太陽運行，體積和質量比行星和矮行星小，且不易釋放出氣體和塵埃的天體。

由于大部分小行星作為“太陽系施工廢渣”或者“行星交通事故殘骸”較好地保留了太陽系早期形成和演化歷史，因此它們的理化特征和礦物組成對研究太陽系的起源有很廣泛的意義。

另外一方面，小行星雖然亮度低，被人類認識較晚（第一次近距離探測已是1991年），但其軌道演化機制對于行星防御，物質組分對于探索地外生命信息也有著重要的作用。

特別值得一提的是，2016HO3還是一顆極為稀有的地球共軌小行星（截至2025年，發(fā)現(xiàn)7顆），其軌道半長徑與地球相似（約1.001 AU），形成穩(wěn)定的1:1軌道共振。

最接近地球時距離甚至能到0.1 AU（即日地距離的十分之一，約1500萬公里），對地面測控要求較低，適合作為我國首次小行星探測和采樣返回的目標。

它的光譜特征與月球巖石相似度達85%，但起源仍存爭議，可能是普通近地小行星，也可能是月球遭受撞擊后濺射出的碎片。

2016HO3小行星|來源：NASA

天問二號采樣有何絕招

由于2016 HO3實在太小，僅僅通過地球上進行觀測獲得的物理信息不多，因此天問二號的采樣方案并未像嫦娥五號、六號那樣提前確定，而是根據其攜帶的十大有效載荷的實際探測結果，預備了懸停、觸碰、附著三種方式。

（1）懸停采樣

探測器展開機械臂，緩慢逼近小行星，到達采樣點上空30m時匹配小行星自轉，繼續(xù)垂直下降到距小行星表面約1m高度時懸停，機械臂垂直下探使其端頭插入小行星表面，采集表層風化物顆粒，同時獲得表面力學特性。

（2）觸碰采樣

探測器伸展觸碰采樣機構，下降過程與懸停采樣相同。到達約1m高度時，盤狀激勵采樣頭接觸小行星表面。

采樣頭內部相對旋轉的一對毛刷卷起樣品顆粒，同時壓力氣瓶釋放高速氣體將樣品輸送至樣品容器。

（3）附著采樣

若確認采樣區(qū)域星壤承載強度和地形地貌滿足附著采樣的條件，則實施附著采樣。探測器展開3個緩沖腿和觸碰采樣機構，展開機械臂為錨固準備狀態(tài)，下降過程與懸停采樣相同。

到達約1m高度時緩沖腿接觸表面，啟動發(fā)動機噴氣下壓探測器，利用機械臂端頭的爪刺結構錨固小行星表面，之后由觸碰采樣機構采樣，獲取表面風化物樣品。

天問二號采樣方式示意圖|來源：中國空間技術研究院

采樣之后，返回環(huán)節(jié)同樣具有挑戰(zhàn)，返回艙在與天問二號分離后將以12公里/秒（約35馬赫）的速度再入大氣層，這是中國航天器首次以超過第二宇宙速度（11.2公里/秒）執(zhí)行地球再入任務。其承受的峰值熱流高達12兆瓦/平方米，遠超嫦娥五號返回任務。

因此艙體采用“球錐大底+單錐后體”構型，并使用多層復合隔熱材料。當返回艙返回地球時，天問二號則踏上飛往311P主帶彗星的第二段旅程。

311P彗星：小行星帶的沙漠清泉

彗星通常被認為是太陽系的“活化石”，科學家相信它們大多來自太陽系邊緣寒冷的柯伊伯帶或奧爾特云，就像被甩出冰箱的“冰激凌球”——當這些由冰、塵埃和有機物組成的“臟雪球”靠近太陽時，表面冰層受熱升華，形成長達數(shù)百萬公里的彗尾。

但2006年科學家在小行星帶（火星與木星之間）找到了一類“混血兒”——“主帶彗星”。它們既像普通小行星一樣穩(wěn)定公轉，又會周期性噴發(fā)塵埃，仿佛沙漠里的清泉。

2013年，一臺架設在美國夏威夷的望遠鏡更是捕捉到了如今被編號311P的主帶彗星突然噴發(fā)出六條螺旋狀塵埃尾。在最近20年的研究中，越來越多的證據表明小行星和彗星代表了小天體連續(xù)體的兩個極端，并不是兩種截然不同的類別，主帶彗星就是他們的過渡形式。

311P主帶彗星|來源：NASA/ESA

目前已經觀測到15顆主帶彗星，主帶彗星的起源和形成問題、主帶彗星氣體活動機制問題、主帶彗星的普遍性、非活躍期主帶彗星的特性和主帶彗星的揮發(fā)分成分等諸多科學問題都非常值得深入研究，科學家們更是推測311P很可能是一個相互遮擋的食雙星系統(tǒng)（Eclipsing Binary）。

相比第一階段，第二階段的難點在于距離，這對地面的深空測控網絡以及衛(wèi)星平臺上的能源和通信子系統(tǒng)都帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此隨著日喀則和長白山射電望遠鏡在2024年投入使用，我國建成了“六站一中心”的VLBI網絡并將繼續(xù)升級，同時與歐空局（ESA）的合作也在穩(wěn)步推進。

天問二號本身也攜帶了一個直徑超過3米的X波段拋物面天線，此外太陽翼也保證了在光照強度不足的小行星帶（3AU），能夠為探測器提供超過一千瓦的功率。

星際探索：寫給孩子們的啟示錄

當2025年天問二號從西昌衛(wèi)星發(fā)射基地升空時，它攜帶的不僅是十大有效載荷，而是人類在太空新疆界面對自身起源與演化的哲學追問，更是對屈原"九天之際，安放安屬"的回應，同時那些在微重力環(huán)境下獲得驗證的采樣返回技術，最終將成為2028年前后天問三號火星采樣返回和未來開發(fā)小行星礦產的堅實基礎。

天問二號用世界最強工業(yè)國堅若磐石的制造與科研能力，向天發(fā)問，于可觸及的太空新疆界去重新揭示太陽系起源與演化的奧秘。

當十年之后任務結束，2025年出生的孩子在博物館里看到天問二號于7年前帶回的2016HO3小行星樣本時，或許已不會驚嘆，而是構思著如何投身人類命運共同體對太空新疆界的征程。

參考資料：

[1] 厲奕行,唐凱,樊敏,等.天問二號星載光學觀測小行星(469219)Kamo`oalewa軌道精度仿真分析[J].天文學報, 2024, 65(6):15-25.

[2] 李春來,劉建軍,任鑫,等."天問二號"任務科學目標和有效載荷配置[J].深空探測學報-北理工, 2024, 000(3):7.DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230185.

[3] 朱恩涌,孫國江,果琳麗,等.我國小行星探測發(fā)展思路及關鍵技術探討[J].航天器工程, 2012, 21(3):5.DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2012.03.037.

[4] 李靜文,賈陽*.中國深空探測任務規(guī)劃與實施的啟示[J].工程研究——跨學科視野中的工程, 2025.

[5] 湯川學.新增兩員"大將",中國VLBI網絡助力深空探測[J].太空探索, 2025(2):6-9.

[6] 謝歡,陳杰,童小華,等.小行星采樣返回任務的選址方法進展與啟發(fā)[J].同濟大學學報:自然科學版, 2023, 51(7):1010-1017.DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.23144.

[7] 楊福全,趙以德,李娟,等.主帶小行星采樣返回任務中的離子電推進應用方案[J].深空探測學報, 2015, 2(2):6.DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.02.011.

[8] 張榮橋,張熇,劉建軍,等.天問二號小天體探測任務[J].中國科學：物理學力學天文學, 2025.

作者：向凌威

審核：劉穎 李培元

審核專家：李明濤 中國科學院國家空間科學中心研究員