2020年7月23日，天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)順利發(fā)射升空。2021年5月15日成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次火星著陸，標(biāo)志著我國(guó)太空探索正式踏出地月系，向更遠(yuǎn)的深空進(jìn)發(fā)，我國(guó)也因此成為繼美國(guó)后第二個(gè)令探測(cè)器成功著陸火星的國(guó)家。2025年，我國(guó)即將進(jìn)行第一次小行星取樣返回任務(wù)，該任務(wù)由天問(wèn)二號(hào)執(zhí)行，計(jì)劃實(shí)施近地小行星2016HO3取樣返回和小行星帶中的主帶彗星311P環(huán)繞探測(cè)任務(wù)。

2016HO3是一顆地球共軌天體，同時(shí)環(huán)繞太陽(yáng)和地球運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然它僅有一個(gè)足球場(chǎng)大小，但過(guò)去百年甚至未來(lái)數(shù)百年內(nèi)，它都會(huì)以現(xiàn)有模式在地球周?chē)\(yùn)行，所以非常適合進(jìn)行探測(cè)。311P是小行星帶中的主帶彗星，科學(xué)家推測(cè)，地球上的水可能來(lái)自小行星帶中的含水類(lèi)彗星，因此天問(wèn)二號(hào)探測(cè)任務(wù)將助力人們探索太陽(yáng)系的演化和生命起源。

天問(wèn)二號(hào)將通過(guò)一次發(fā)射、探測(cè)兩類(lèi)目標(biāo)（近地小行星探測(cè)與取樣返回，主帶彗星繞飛探測(cè)）、實(shí)現(xiàn)三種探測(cè)模式（近距離探測(cè)、附著、采樣），達(dá)成探測(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。

為何要去小行星探測(cè)和取樣

小天體包括小行星和彗星。小行星是指太陽(yáng)系內(nèi)類(lèi)似行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，但體積和質(zhì)量比行星小很多的天體。目前已確認(rèn)的近地小行星有兩萬(wàn)多顆。彗星是指進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)，亮度和形狀隨日距變化而變化的繞日運(yùn)動(dòng)天體；其中，主帶彗星是指運(yùn)行在火星與木星軌道間的小行星帶內(nèi)的彗星。小天體普遍形成于太陽(yáng)系早期，由于沒(méi)有大氣層，小天體上的隕石坑和外來(lái)元素得以更好地保存，是研究太陽(yáng)系起源的“活化石”，科研人員可以借此對(duì)太陽(yáng)系的演化進(jìn)行深入研究。

20世紀(jì)90年代前，人類(lèi)實(shí)施的小天體探測(cè)任務(wù)均為飛越探測(cè)；90年代后，人類(lèi)又實(shí)施了9次小天體（小行星6次，彗星3次）探測(cè)任務(wù)。這9次探測(cè)中，美國(guó)執(zhí)行了6次、歐洲航天局執(zhí)行了1次、日本執(zhí)行了2次，其中3次為采樣返回。

小天體探測(cè)任務(wù)的主要目的有兩方面：一是通過(guò)研究小天體的結(jié)構(gòu)獲取太陽(yáng)系早期演化信息，探索太陽(yáng)系形成的奧秘；二是研究如何應(yīng)對(duì)可能對(duì)地球造成重大威脅的小行星撞擊事件。

不久前，“編號(hào)2024 YR4的小行星可能會(huì)在2032年撞擊地球”的消息在社交媒體廣為流傳。根據(jù)目前觀測(cè)，雖然小行星2024 YR4的大小與“殺手級(jí)”小行星相差甚遠(yuǎn)，但其危害性仍不容忽視。由于小行星進(jìn)入大氣層的速度非?？欤幢闶求w積相對(duì)較小的小行星與地球相撞，也可能會(huì)造成區(qū)域性破壞。2013年，一顆直徑20米的小行星在俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克上空進(jìn)入大氣層，并在空中爆炸，其釋放的能量損壞了當(dāng)?shù)?000多座建筑物，造成1000多人受傷。目前，人們還未掌握小行星2024 YR4的外形尺寸和運(yùn)行軌跡，如果確認(rèn)它是一顆巖石小行星，且直徑大于30米，那一旦與地球發(fā)生撞擊，影響范圍可能會(huì)擴(kuò)展到數(shù)十千米。目前，不少?lài)?guó)家都在著手組建近地小行星防御系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)近地小行星撞擊威脅。

正是因?yàn)樾√祗w探測(cè)意義重大，所以部分國(guó)家很早就開(kāi)展了對(duì)地外小天體的探測(cè)任務(wù)。在我國(guó)制定小行星探測(cè)任務(wù)前，國(guó)際上小天體探測(cè)已有30多年歷程。不過(guò)，小天體探測(cè)任務(wù)周期長(zhǎng)、技術(shù)難度高，需要解決航天器長(zhǎng)時(shí)間飛行、器地長(zhǎng)距離通信等問(wèn)題，可謂挑戰(zhàn)巨大。

20世紀(jì)90年代后，人類(lèi)實(shí)施了9次小天體探測(cè)任務(wù)，其中6次為小行星探測(cè)，探測(cè)模式主要有飛越、繞飛、撞擊、著陸和返回5種。1991年，美國(guó)發(fā)射的伽利略號(hào)木星探測(cè)器對(duì)小行星951 Gaspra進(jìn)行了飛越探測(cè)，獲得了這顆小行星的第一張高分辨率照片，這是人類(lèi)航天探測(cè)器探測(cè)到的第一顆小行星。2002年，發(fā)射于1999年的美國(guó)星塵號(hào)探測(cè)器曾飛越小行星5535 Anne Frank。2003年，日本成功發(fā)射隼鳥(niǎo)號(hào)探測(cè)器，經(jīng)過(guò)兩年多的飛行，隼鳥(niǎo)號(hào)兩次短暫著陸小行星25143 Itokawa（小行星糸川）。2014年，日本成功發(fā)射隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器，成功完成對(duì)小行星162173 Ryugu（小行星龍宮）的采樣返回任務(wù)。2007年，美國(guó)成功發(fā)射黎明號(hào)探測(cè)器，對(duì)小行星灶神星與矮行星谷神星進(jìn)行了繞飛探測(cè)。2016年，美國(guó)成功發(fā)射歐西里斯號(hào)探測(cè)器，成功完成對(duì)小行星1999 Bennu（小行星貝努）的采樣返回任務(wù)。

在小行星探測(cè)和采樣領(lǐng)域，美國(guó)和日本已經(jīng)走到了前列，如果天問(wèn)二號(hào)成功執(zhí)行任務(wù)，我國(guó)就會(huì)成為第三個(gè)完成小行星取樣返回的國(guó)家，這十分令人期待。

最初的“星塵”

1999年2月7日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）成功發(fā)射星塵號(hào)探測(cè)器，主要探測(cè)目標(biāo)是維爾特2號(hào)彗星。這是一顆運(yùn)行在火星和木星之間、直徑約5.4千米的彗星，絕大部分原始?jí)m埃和氣體保存完好，研究維爾特2號(hào)有助于推進(jìn)太陽(yáng)系起源等基礎(chǔ)性問(wèn)題的研究。

星塵號(hào)的主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)1.6米、寬0.6米、高0.6米，全重約285千克。配備光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、塵埃通量監(jiān)測(cè)器、塵埃光譜儀/粒子撞擊分析儀和振動(dòng)聲學(xué)傳感器等載荷，裝載了一個(gè)直徑0.8米、重46千克的短錐形樣本返回艙。采樣期間，槳形樣本采集盤(pán)會(huì)從返回艙中伸出，并在不使用時(shí)收回到返回艙內(nèi)。

在發(fā)射升空近三年后，星塵號(hào)首先于2002年11月2日飛越了小行星5535 Anne Frank。與這顆小行星“相遇”主要是為了對(duì)星塵號(hào)和地面操作進(jìn)行工程測(cè)試，為后續(xù)探測(cè)維爾特2號(hào)做準(zhǔn)備。2003年12月31日，星塵號(hào)進(jìn)入維爾特2號(hào)的彗發(fā)區(qū)域，隨后于2004年1月2日在距離其約250千米處進(jìn)行了飛越。飛越維爾特2號(hào)期間，星塵號(hào)部署了一個(gè)網(wǎng)狀采樣器，以收集彗發(fā)中的塵埃顆粒樣本。同時(shí)，星塵號(hào)上的光學(xué)傳感器拍攝了72張維爾特2號(hào)的圖像。

2006年1月15日，星塵號(hào)的樣本返回艙與探測(cè)器主體分離，順利進(jìn)入地球大氣層。通過(guò)氣動(dòng)減速和減速傘減速后，返回艙在位于美國(guó)猶他州沙漠的美國(guó)空軍試驗(yàn)與訓(xùn)練靶場(chǎng)內(nèi)著陸。這是人類(lèi)太空探測(cè)史上第一次獲取彗星物質(zhì)和星際塵埃樣品。星塵號(hào)所采集到的樣本代表著太陽(yáng)系形成時(shí)期的原始物質(zhì)，科研人員將對(duì)這些樣本進(jìn)行詳細(xì)的元素、同位素、礦物學(xué)、化學(xué)及生物成因特性等分析。

星塵號(hào)探測(cè)器在釋放返回艙后繼續(xù)執(zhí)行拓展任務(wù)。2011年2月14日，它飛越坦普爾1號(hào)小行星。這顆小行星曾是深度撞擊號(hào)探測(cè)器的目標(biāo)，該探測(cè)器于2005年7月4日向坦普爾1號(hào)表面發(fā)射了一個(gè)撞擊器。星塵號(hào)對(duì)坦普爾1號(hào)小行星的探測(cè)，旨在尋找撞擊坑變化的跡象，并進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)繪范圍。

飛向小行星的“隼鳥(niǎo)”

日本深空探測(cè)起步于20世紀(jì)80年代，先后發(fā)射了哈雷衛(wèi)星探測(cè)器、飛天號(hào)月球探測(cè)器、希望號(hào)火星探測(cè)器。2003年5月9日，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)射了隼鳥(niǎo)號(hào)小行星探測(cè)器。此次探測(cè)之旅歷盡坎坷：在發(fā)射升空4個(gè)月后，隼鳥(niǎo)號(hào)的一臺(tái)推進(jìn)器因故障關(guān)閉；隨后，探測(cè)器遭遇太陽(yáng)耀斑，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板受損、發(fā)電能力下降；后又遇到姿態(tài)控制系統(tǒng)X軸動(dòng)量輪失效問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)兩年多的飛行，隼鳥(niǎo)號(hào)于2005年9月接近探測(cè)目標(biāo)小行星糸川，隨后通過(guò)減速對(duì)糸川進(jìn)行環(huán)繞飛行，逐步縮小與其的距離。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的減速和繞飛，隼鳥(niǎo)號(hào)于11月20日進(jìn)行首次著陸嘗試，但由于突然斷電、探測(cè)器失控而嘗試失敗。11月26日，隼鳥(niǎo)號(hào)進(jìn)行第二次著陸嘗試，但僅僅與糸川短暫接觸了一秒，期間還出現(xiàn)推進(jìn)器推力下降等問(wèn)題。

和星塵號(hào)不與探測(cè)目標(biāo)接觸、僅收集探測(cè)目標(biāo)散發(fā)出的塵埃顆粒樣本不同，隼鳥(niǎo)號(hào)是通過(guò)物理碰撞來(lái)使小行星表面物質(zhì)飛入采樣器中的。所以，雖然隼鳥(niǎo)號(hào)與糸川僅僅接觸了一秒，但已成功完成了采樣。

采樣完成后的幾日，隼鳥(niǎo)號(hào)與地球失聯(lián)又復(fù)聯(lián)。經(jīng)過(guò)一系列調(diào)整后，終于于2007年4月25日踏上了返回地球的航程。2010年6月13日，隼鳥(niǎo)號(hào)與返回艙分離，探測(cè)器主體進(jìn)入大氣層并燒毀，返回艙則順利降落在澳大利亞。

隼鳥(niǎo)號(hào)成功返回地球并帶回了采集自小行星的樣本，這一事件引起巨大轟動(dòng)，對(duì)于開(kāi)展后續(xù)探測(cè)任務(wù)的呼聲也越發(fā)高漲。2012年1月，JAXA批準(zhǔn)了隼鳥(niǎo)2號(hào)的研發(fā)計(jì)劃，該任務(wù)目標(biāo)是對(duì)小行星龍宮進(jìn)行探測(cè)與取樣返回。

隼鳥(niǎo)2號(hào)的總體設(shè)計(jì)延續(xù)了隼鳥(niǎo)號(hào)，但對(duì)其科學(xué)探測(cè)能力進(jìn)行了大幅改進(jìn)，最主要的改進(jìn)集中在可靠性方面。例如，由于隼鳥(niǎo)號(hào)的三組動(dòng)量輪中有兩組遭受到損壞，因此隼鳥(niǎo)2號(hào)搭載了四組動(dòng)量輪，且最后一組會(huì)留存?zhèn)溆弥钡街?。根?jù)隼鳥(niǎo)號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，即使隼鳥(niǎo)2號(hào)只剩一組動(dòng)量輪，也可以用它和太陽(yáng)光壓進(jìn)行姿態(tài)控制。另外，通過(guò)在現(xiàn)有的X波段天線中追加新的可進(jìn)行Ka波段高速通信的平面天線，能夠提高隼鳥(niǎo)2號(hào)整體的高速通信速度。

隼鳥(niǎo)2號(hào)依然采用“一觸即離”的采樣方式。隼鳥(niǎo)號(hào)發(fā)射的射彈為子彈型；隼鳥(niǎo)2號(hào)的射彈改為圓錐型，因?yàn)閳A錐型射彈能夠讓探測(cè)器更有效地采樣。與前代相比，隼鳥(niǎo)2號(hào)增加了即使不發(fā)射射彈也能鉤住、抬起樣品而完成采樣的結(jié)構(gòu)，還配備了用來(lái)拍攝采樣管頂端的相機(jī)。

總的來(lái)說(shuō)，作為一臺(tái)小行星探測(cè)器，隼鳥(niǎo)2號(hào)的科學(xué)載荷是比較多樣的，包括光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、近紅外相機(jī)、熱紅外相機(jī)、激光雷達(dá)、采樣裝置、撞擊器和分離相機(jī)以及四個(gè)小型巡視器。

2014年12月3日，隼鳥(niǎo)2號(hào)成功發(fā)射。2018年2月26日，隼鳥(niǎo)2號(hào)到達(dá)距離龍宮約130萬(wàn)千米的位置，并為其拍攝了照片；6月27日，到達(dá)距離龍宮上空約20千米的位置，并進(jìn)行環(huán)繞飛行觀測(cè)；9月21日，向龍宮成功投放了兩臺(tái)巡視器，巡視器落地后在龍宮地表跳躍移動(dòng)，將拍攝的照片發(fā)回隼鳥(niǎo)2號(hào)，再回傳給地球。

2019年2月22日，隼鳥(niǎo)2號(hào)開(kāi)始進(jìn)行第一次采樣。在完成“一觸即離”方式著陸龍宮后，隼鳥(niǎo)2號(hào)將一顆鉭質(zhì)子彈射向龍宮表面，撞擊產(chǎn)生的小行星表層碎屑被成功收集進(jìn)采樣桿頂部的樣本收集器。

2019年4月5日，隼鳥(niǎo)2號(hào)開(kāi)始進(jìn)行第二次采樣。它向龍宮表面投下了一個(gè)載有炸藥的撞擊器，撞擊器在空中引爆炸藥，將一個(gè)“炮彈”高速撞向龍宮，巨大的撞擊在其表面留下了一個(gè)深約3米的撞擊坑。為躲避撞擊產(chǎn)生的碎片，隼鳥(niǎo)2號(hào)提前飛到龍宮背后的安全地帶，之后展開(kāi)第二次采樣。此次采樣任務(wù)所使用的撞擊器，其原理源自用于攻擊坦克的末敏彈，這也是此類(lèi)裝置首次被用于小行星探測(cè)。

2020年12月6日，隼鳥(niǎo)2號(hào)樣品返回艙成功在澳大利亞伍麥拉試驗(yàn)場(chǎng)降落，獲得了總重約5克的龍宮樣本。這是人類(lèi)首次采集到小行星次表層樣本，也是人類(lèi)首次在小行星上成功完成多次著陸、采樣。由于隼鳥(niǎo)2號(hào)還剩余不少推進(jìn)劑且科學(xué)載荷狀態(tài)良好，因此日本決定讓它繼續(xù)探索旅程，并計(jì)劃在2026年飛越小行星2001 CC21、在2031年抵達(dá)小行星1998 KY26。

小行星龍宮的直徑約為1千米，兼具C型小行星和B型小行星的性質(zhì)，是一個(gè)體積較大、顏色黯淡的天體。龍宮圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期為474天，和地球的最小軌道距離僅有95400千米，兩者幾乎擦肩而過(guò)，這也是龍宮格外受人們關(guān)注的原因之一。與隼鳥(niǎo)號(hào)的觀測(cè)對(duì)象糸川不同，龍宮是一顆原始的碳質(zhì)近地小行星，主要組成成分是碳和少量的硅酸鹽，表面地質(zhì)年齡只有約890萬(wàn)年，表面為多孔結(jié)構(gòu)，地表的大量巨石是母體小行星曾經(jīng)發(fā)生過(guò)災(zāi)難性分裂的證據(jù)。JAXA的科學(xué)家認(rèn)為，龍宮實(shí)際是一堆碎石，其體積的一半都是空腔。通過(guò)研究龍宮，人們可以獲得更多關(guān)于太陽(yáng)系內(nèi)行星形成和演化的知識(shí)，探究地球生命的起源。

歐西里斯號(hào)探測(cè)器

2016年9月8日，NASA成功發(fā)射歐西里斯號(hào)探測(cè)器，經(jīng)過(guò)近兩年的飛行后，歐西里斯號(hào)成功抵達(dá)小行星貝努，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行環(huán)飛探測(cè)，并傳回了貝努的清晰圖像。

由于此次是美國(guó)首次對(duì)小行星進(jìn)行直接采樣，因此NASA對(duì)于歐西里斯號(hào)與貝努接觸和采樣的過(guò)程十分慎重。在歐西里斯號(hào)經(jīng)過(guò)一年多的伴飛、觀測(cè)后，NASA團(tuán)隊(duì)最終從4個(gè)采樣點(diǎn)中選出了1個(gè)。2020年10月20日，歐西里斯號(hào)在貝努的南丁格爾采樣點(diǎn)成功著陸，探測(cè)器上搭載的機(jī)械臂收集到了約121克的貝努表面樣本。這是NASA首次成功從小行星上采集樣本。

在完成了姿態(tài)調(diào)整、樣本轉(zhuǎn)移和軌跡修正后，2023年9月24日，歐西里斯號(hào)返回艙成功降落在猶他州鹽湖城附近的沙漠。由于探測(cè)器主體仍有動(dòng)力且科學(xué)載荷運(yùn)行良好，所以歐西里斯號(hào)將繼續(xù)執(zhí)行其他探測(cè)任務(wù)，一切順利的話(huà)，它將于2029年與小行星阿波菲斯相遇。

小行星貝努是一顆富含碳的“碳粒隕石”，形成于太陽(yáng)系早期，距今已超過(guò)45億年，由于它一直沒(méi)有受到干擾，所以可能保留著太陽(yáng)系形成初期的原始物質(zhì)。貝努也被認(rèn)為是有可能撞擊地球的小天體之一，了解它的物理特性，將有助于人們更好地組建小行星防御系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)潛在的天體撞擊危機(jī)。

目前，科研人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，貝努樣本中不僅含有地球上構(gòu)成DNA和RNA的全部5種堿基，還包含了14種氨基酸。此外，科研人員還在貝努樣本中發(fā)現(xiàn)了原始的“鹽”和甲醛。這些都表明，在遙遠(yuǎn)的太空中，存在著適合孕育生命的環(huán)境。隨著研究的深入，人們將更好地了解太陽(yáng)系的形成和演化，掌握更多地球生命起源的信息。

【責(zé)任編輯】諶 燕