我國小天體探測任務(wù)設(shè)想

余后滿 張熇 黃曉峰 孟林智 曾福明 王向暉

（1 中國空間技術(shù)研究院 2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

小天體是太陽系重要的組成部分。研究普遍認(rèn)為，小天體保留了早期太陽系起源、形成與演化時的重要信息，可能蘊(yùn)含著地球生命起源的重要線索，是研究太陽系起源的“活化石”。開展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)。小天體探測任務(wù)是我國行星探測重大工程規(guī)劃的又一個標(biāo)志性項(xiàng)目，將通過一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對近地小行星的近距探測、采樣返回以及對主帶彗星的探測，有望突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲取原創(chuàng)性科學(xué)成果，進(jìn)一步提升我國的深空探測技術(shù)能力，力爭在小天體探測技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入國際先進(jìn)行列。

1 小天體簡介

根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）修訂后的行星定義，太陽系天體被分為行星、矮行星以及太陽系小天體。

小天體主要包括小行星和彗星。其中，小行星是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運(yùn)動，但體積和質(zhì)量比行星小的巖石或金屬天體。彗星是進(jìn)入太陽系內(nèi)，亮度和形狀隨日距變化而變化的繞日運(yùn)動天體，一般由彗核、彗發(fā)和彗尾等組成。主帶彗星是指運(yùn)行在小行星帶（火星與木星軌道間）內(nèi)的活躍小行星。

2 國外小天體探測發(fā)展概述

國外小天體探測典型任務(wù)概況

小天體探測已有30多年歷程。早期的探測任務(wù)只是飛掠探測，例如美國的“伽利略”（Galileo）任務(wù)，對木星進(jìn)行了探測。自20世紀(jì)90年代以來，小天體探測活動日益增多，共實(shí)施了6次以小行星探測為主要目標(biāo)的任務(wù)和3次以彗星探測為主要目標(biāo)的任務(wù)。2012年，我國的嫦娥二號月球探測器也實(shí)現(xiàn)了對圖塔蒂斯（Toutatis）小行星的飛掠探測。美國、歐洲、日本先后以飛掠、繞飛、采樣返回等多種方式完成了小天體探測。以下為幾種典型任務(wù)。

太陽系中的小行星分布（左）和典型彗星軌道（右）

（1）任務(wù)1：美國“近地小行星交會”探測器

2000年2月14日，美國“近地小行星交會”（NEAR）探測器順利進(jìn)入距愛神（Eros）小行星表面35km的繞飛軌道，對其進(jìn)行了全面觀測，獲得了該小行星的體積、形狀、質(zhì)量分布、重力場、自轉(zhuǎn)、成分和地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)等。探測器利用多光譜成像儀拍攝得到的數(shù)據(jù)，對小行星表面的撞擊坑進(jìn)行了觀測，其表面大部分區(qū)域有多個直徑小于1km的撞擊坑，以及大量分布不勻的由撞擊形成的巨石。

（2）任務(wù)2：日本隼鳥－1、2探測器

2005年9月12日，日本隼鳥－1（Hayabusa－1）探測器飛抵距離糸川（Itokawa）小行星表面高度20km的位置，成功傳回近距離拍攝的小行星圖像。同年11月，隼鳥－1自主控制下降、接觸糸川小行星，向表面射入5～10g的彈丸，用裝置收集了濺起的顆粒，成為世界上首個實(shí)現(xiàn)小行星取樣返回任務(wù)的探測器。由于探測器在軌發(fā)生故障，隼鳥－1于2007年4月25日才正式開始返回地球，歷時3年，于2010年6月13日成功降落在澳大利亞南部地區(qū)。地面對樣品容器進(jìn)行確認(rèn)后表明，只獲取了約1500個微米級顆粒。

2014年12月，日本發(fā)射了隼鳥－2探測器，并在2018年順利到達(dá)龍宮（Ryugu）小行星。經(jīng)過一年多近距離探測后，發(fā)射了小型撞擊器，探測器以“一觸即離”方式對撞擊后的新鮮表面進(jìn)行了采樣。2020年12月6日，返回艙順利著陸在澳大利亞南部地區(qū)，經(jīng)確認(rèn)獲取了約5.3g小行星樣品。

（3）任務(wù)3：歐洲“羅塞塔-菲萊”探測器

歐洲航天局（ESA）“羅塞塔-菲萊”(Rosetta-Philae)探測器是首次完成彗星表面著陸探測的探測器，開展了67P彗星的全球勘測，實(shí)現(xiàn)了低軌道繞彗核觀測和彗星表面著陸探測。探測器包括一個軌道器和一個著陸器。軌道器完成了彗星的全球近距觀測。在軌釋放“菲萊”著陸器實(shí)現(xiàn)著陸時，著陸器上的冷氣噴射裝置出現(xiàn)故障，最終著陸器經(jīng)歷兩次彈跳，以姿態(tài)傾斜過大的角度停留在彗星表面，偏離預(yù)定地點(diǎn)上千米左右。雖獲取了少量高分辨率圖像，但最后因?yàn)樘柗骞庹詹蛔悖茖W(xué)探測任務(wù)未能按照預(yù)期完成。

（4）任務(wù)4：美國“奧西里斯-雷克斯”探測器

2018年12月31日，美國的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex，以下簡稱“奧西里斯”）探測器飛抵貝努（Bennu）小行星軌道并開展繞飛探測。2020年10月21日，探測器順利實(shí)現(xiàn)在夜鶯（Nightingale）采樣區(qū)的短時觸碰采樣。采樣過程中，探測器采用“氣體激勵”方式成功采集到了樣品。目前，探測器運(yùn)行在返回轉(zhuǎn)移軌道，計(jì)劃于2023年9月攜帶樣品返回地球。

國外小天體探測發(fā)展態(tài)勢

（1）小天體探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)亮點(diǎn)多，新技術(shù)帶動性強(qiáng)

小天體以其獨(dú)特的物理、化學(xué)和礦物質(zhì)特性，成為揭示太陽系起源及演化過程等重大科學(xué)問題的關(guān)鍵。如“羅塞塔-菲萊”探測器通過同位素測量，表明地球上的水并非來自于彗星，使科學(xué)家轉(zhuǎn)而思考地球上水的其他可能來源；隼鳥－1在地面實(shí)驗(yàn)室中對樣品進(jìn)行了氨基酸、多環(huán)芳香烴等有機(jī)化合物的分析測試，結(jié)果證明糸川小行星的有機(jī)化合物屬于非生物成因。隼鳥－2和“奧西里斯”任務(wù)也分別就小天體的形成過程、物質(zhì)組成等形成大量科學(xué)成果，發(fā)表在《Science》《Nature》等具有國際影響力的期刊上。

小天體探測任務(wù)周期長、目標(biāo)距離遠(yuǎn)、目標(biāo)特性具有較大不確定性，對探測器的軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化、新型推進(jìn)技術(shù)、自主導(dǎo)航與控制、探測器自主管理、微重力下采樣技術(shù)等均提出了更高要求，有利帶動了新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

（2）小天體探測已成為國際深空探測的新熱點(diǎn)

小天體探測任務(wù)以其獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值和技術(shù)挑戰(zhàn)，得到了各主要航天國家的高度重視。在未來空間探測計(jì)劃中，美國國家航空航天局（NASA）規(guī)劃了開展特洛伊(Trojan)小行星探測的露西（Lucy）任務(wù)和靈神星（Psyche）小行星探測任務(wù)。NASA與ESA將合作開展“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)”（AIDA） ，計(jì)劃撞擊雙體小行星中較小的一個目標(biāo)，并通過兩個小行星相對距離的變化評估撞擊的效果。日本與德國將合作開展法厄松（Phaethon）小行星探測任務(wù)，計(jì)劃2026年前后抵達(dá)該小行星附近，對其周圍的塵埃成分進(jìn)行探測。由此可見，小天體探測已成為主要航天國家深空探索領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一。

3 我國小天體探測任務(wù)概述

任務(wù)目標(biāo)

我國的小天體探測任務(wù)，將通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)對近地小行星的近距離探測、采樣返回和主帶彗星探測，開展遙感探測、就位探測以及樣品實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的多種探測活動，使我國小天體探測的科學(xué)與技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)主要包括：

1）測定近地小行星和主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀和熱輻射等物理參數(shù)，開展軌道動力學(xué)研究；

2）開展近地小行星和主帶彗星的形貌、物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能的噴發(fā)物等研究；

3）對返回樣品開展實(shí)驗(yàn)室分析研究，測定樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)與礦物成分、同位素組成，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。

探測器組成

探測器系統(tǒng)包括主探測器及返回艙。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)；返回艙采用彈道式再入方式，通過“氣動外形+降落傘”的方式完成減速并著陸于地球。

2019年4月19日，國家航天局發(fā)布了《小行星探測任務(wù)有效載荷和搭載項(xiàng)目機(jī)遇公告》，面向國際公開征集科學(xué)載荷和搭載項(xiàng)目方案。擬配置的有效載荷包括：窄視場導(dǎo)航敏感器、激光一體化導(dǎo)航敏感器、多光譜相機(jī)、可見光紅外光譜儀、熱輻射光譜儀、中視場彩色相機(jī)、多光譜相機(jī)、探測雷達(dá)、磁強(qiáng)計(jì)、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發(fā)物分析儀等。這些載荷將對目標(biāo)小天體的自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀、地質(zhì)形貌、表面熱輻射特性、表面物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場環(huán)境等進(jìn)行全面的探測。

飛行過程

探測器系統(tǒng)將采用長征三號乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。經(jīng)過近1年的飛行，到達(dá)近地小行星2016HO3附近。采用繞飛、懸停等方式，對其開展詳細(xì)科學(xué)探測。根據(jù)獲取的信息，反演小行星地形地貌、星壤、熱慣量等方面的特性，據(jù)此確定候選采樣區(qū)。隨后擇機(jī)實(shí)施小行星表面采樣，并實(shí)現(xiàn)樣品的有效封裝。之后在預(yù)定的返回窗口，探測器開始進(jìn)入返回轉(zhuǎn)移飛行。在地球附近，釋放返回艙，返回艙采用彈道式再入，高速進(jìn)入地球大氣層并在預(yù)定回收場著陸。這一過程預(yù)計(jì)在3年內(nèi)完成。

主探測器拉起后，奔向目標(biāo)彗星，經(jīng)歷約7年時間飛行到達(dá)小行星帶，對主帶彗星進(jìn)行科學(xué)探測。小天體探測任務(wù)探測器在軌飛行共分13個飛行階段。

任務(wù)特點(diǎn)與難點(diǎn)

我國的小天體探測任務(wù)，要實(shí)現(xiàn)“一次發(fā)射，兩類探測目標(biāo)（近地小行星和主帶彗星），三種探測模式（繞飛、附著、采樣返回）”，任務(wù)周期長達(dá)10年。整體任務(wù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性強(qiáng)、技術(shù)難度大。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）目標(biāo)特性不確定性大

現(xiàn)階段，依靠地面設(shè)施觀測，對兩個探測目標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)和特性認(rèn)知極其有限。探測目標(biāo)的自轉(zhuǎn)特性、地形地貌、巖石和風(fēng)化層、反照率、熱特性等參數(shù)目前均無法直接獲得，只能通過模型分析、與其他小天體和地面隕石比對等方式進(jìn)行推算，具有較大不確定性。美國的“奧西里斯”和日本的“隼鳥”探測器在研制過程中推算的目標(biāo)特性，與在軌到達(dá)探測后獲得的信息均有較大的差異。

基于目前少量觀測數(shù)據(jù)的認(rèn)知，小行星2016HO3體積小、自轉(zhuǎn)速度較快、引力弱、光變迅速、表面地面地貌和星壤承載能力均未知，對探測器采樣和附著提出了更高的要求。

小天體探測任務(wù)飛行過程示意

國際上目前成功實(shí)現(xiàn)了小行星樣品采樣的隼鳥－2和“奧西里斯”探測器，均采用的是短時觸碰采樣方式。為了較好地適應(yīng)2016HO3小行星地形、表面星壤力學(xué)特性等不確定性，針對可能的“碎石堆”或“獨(dú)石”特性，以及表面不同大小的碎石粒徑分布特性，除了觸碰采樣方式外，還需考慮設(shè)計(jì)懸停采樣和附著采樣等多種模式和手段，確保能可靠采集到樣品。后續(xù)工程實(shí)施中，需結(jié)合工程可實(shí)現(xiàn)性和表面特性研究，深入分析不同采樣模式和手段的適應(yīng)性，優(yōu)化設(shè)計(jì)簡單可靠、高效快速的采樣方案。

小天體采樣方式示意

不同于月球和火星探測任務(wù)，月球、火星的著陸區(qū)選擇以地面已獲得的高分辨率遙感探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在任務(wù)研制初期開展著陸區(qū)的預(yù)選；而小天體探測的目標(biāo)體積小且較為暗弱，地面可獲得的目標(biāo)特性有限且不確定性大，無法在任務(wù)研制階段完成采樣區(qū)的選擇。我國小天體探測任務(wù)的采樣區(qū)、采樣策略、采樣參數(shù)等關(guān)鍵要素?zé)o法在地面確定，只能采用“邊飛行、邊探測、邊制訂”的策略。在設(shè)計(jì)上考慮盡量包絡(luò)各種可能的條件，在軌到達(dá)目標(biāo)附近后，通過長時間近距探測來獲得高分辨率的探測數(shù)據(jù)，建立小行星高精度的三維模型、熱模型等，優(yōu)選采樣區(qū)，并制定相應(yīng)的采樣策略。

（2）需具備高精度、全自主導(dǎo)航與控制能力

探測器接近小行星后開展的逼近、繞飛探測等一系列近軌操作，是實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回等任務(wù)活動的前提和關(guān)鍵。目標(biāo)小行星2016HO3的引力微弱，星等暗弱，目前地面測定軌的精度無法支持高精度的相對距離與速度估算，要實(shí)現(xiàn)與小行星2016HO3的可靠抵近和繞飛，需要研究基于視線測量和軌跡機(jī)動自主一體化的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過受控軌跡機(jī)動，實(shí)現(xiàn)探測器的自主相對導(dǎo)航和制導(dǎo)接近過程。

為實(shí)現(xiàn)百米級近距離探測，實(shí)現(xiàn)小行星的全球覆蓋，需研究繞飛、懸停等多種飛行軌道和探測模式，突破二維與三維特征相融合的高精度圖像導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速可靠的圖像特征在軌實(shí)時辨識和匹配導(dǎo)航。

由于小行星2016HO3體積較小，直徑僅30～100m，滿足采樣需求的采樣區(qū)域極為有限。為保證采樣的有效性和安全性，需具備對小行星表面的米級高精度到達(dá)能力，并精確控制與小行星的相對速度與姿態(tài)。探測器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需考慮液體晃動、柔性附件等動力學(xué)影響，融合多類導(dǎo)航敏感器信息，具備高適應(yīng)性、高魯棒性、高自主性和高精度的相對導(dǎo)航與控制能力。

（3）輕小型超高速再入返回難度大

小天體探測任務(wù)中，返回艙的再入速度將超過第二宇宙速度，約為12km/s，是我國歷次地球返回任務(wù)中最高的再入速度。我國已實(shí)施的探月工程三期任務(wù)返回器驗(yàn)證了再入速度10.7km/s、半彈道跳躍式再入方式面臨的相關(guān)技術(shù)，但小天體探測器返回艙的技術(shù)指標(biāo)、再入方式等與探月工程三期任務(wù)存在較大差異，其氣動外形的設(shè)計(jì)需要從實(shí)際任務(wù)需求出發(fā)，同時考慮結(jié)構(gòu)減重、總裝布局等約束條件，最終設(shè)計(jì)出滿足任務(wù)約束、綜合性能最優(yōu)的新氣動外形。

小天體探測器返回艙再入過程中需承受最高約12MW/m的熱流，面臨高熱流、高焓、高剪切力等惡劣條件。此外，系統(tǒng)對防熱材料輕量化設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。需設(shè)計(jì)新的輕質(zhì)功能梯度防熱材料、輕質(zhì)承力結(jié)構(gòu)及分區(qū)域防熱結(jié)構(gòu)等，需在地面模擬高焓、高剪切力、對流與輻射耦合加熱等熱環(huán)境，確保防熱設(shè)計(jì)滿足任務(wù)需求。

（4）特殊環(huán)境地面仿真驗(yàn)證難

小天體的表面特性與行星區(qū)別較大，需考慮小天體表面的物理狀態(tài)、微弱引力、探測器與小天體表面的相互作用、探測器姿態(tài)與軌跡控制等多項(xiàng)因素的相互影響。地面試驗(yàn)驗(yàn)證涉及星表狀態(tài)的動力學(xué)、微重力、真空環(huán)境等，如何實(shí)現(xiàn)星壤特性的等效模擬、機(jī)構(gòu)的高精度微重力模擬，以及高速再入返回等關(guān)鍵過程的地面驗(yàn)證，都是必須解決的難題。

針對此次任務(wù)中難度最大、最為核心的采樣環(huán)節(jié)，地球重力將顯著影響模擬樣品的力學(xué)特性及其與采樣裝置的相互作用，必須在微重力環(huán)境中測試模擬與采樣過程相關(guān)的力學(xué)特性，并在微重力環(huán)境下驗(yàn)證采樣裝置的功能性能。

（5）長壽命、可靠性、自主性要求高

我國的小天體探測任務(wù)周期長達(dá)10年，在國內(nèi)深空探測領(lǐng)域尚屬首次。其中，采用的離子推力器將長期在軌工作，返回艙的降落傘、防熱結(jié)構(gòu)等將經(jīng)歷長期在軌貯存后工作，對系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、元器件原材料的選用，地面長壽命試驗(yàn)驗(yàn)證等都提出了更高的要求。

小天體探測任務(wù)單程通信時延長，實(shí)時測控能力大幅降低。近距繞飛、抵近采樣、附著關(guān)鍵環(huán)節(jié)動態(tài)特性變化大，無法依靠地面支持完成。同時，在長達(dá)10年的飛行過程中，必須設(shè)計(jì)完善的自主管理及自主安全措施，才能確保全任務(wù)周期中的運(yùn)行安全。因此，探測器需從能源安全、通信安全、姿態(tài)安全等各方面，開展全面的自主執(zhí)行、自主判斷、自主故障處置等設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

小天體探測任務(wù)是我國行星探測重大工程的下一個標(biāo)志性項(xiàng)目，探測器將突破弱引力天體表面采樣、高精度相對自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命高可靠電推進(jìn)等多項(xiàng)核心技術(shù)，獲取大量科學(xué)數(shù)據(jù)和寶貴的小行星樣品；并為進(jìn)一步提升我國的深空探測能力、推動行星科學(xué)的快速發(fā)展和航天強(qiáng)國的建設(shè)作出重要貢獻(xiàn)！