什么样的小行星样本需要收集十年？天问2号开启问天之旅

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引言

北京时间2025年05月29日1时31分，天问2号成功发射。该探测器搭载由中国空间技术研究院负责总研制，由长征三号运载火箭从西昌卫星发射中心发射，这是我国的首次小行星探测任务。

天问2号的主要任务是什么？该探测任务和美国宇航局NASA、欧洲宇航局ESA以及日本宇航局发射的小行星探测任务有何不同？未来我国在深空探测方面的规划是怎么样的？

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天问2号的主要任务是什么？

该深空探测任务根据探测目标分为两个阶段。第一阶段历时2.5年，专门针对近地小行星(469219) 2016 HO3进行探测采样，包括长期伴飞观测、表面取样和样本返回三大核心任务，这将使中国成为继日本、美国之后第三个实现小行星采样返回的国家。第二阶段预计耗时7年，探测器将继续飞向更遥远的主带彗星311P，通过飞掠方式揭示主带彗星(活跃小行星)的形成演化奥秘。具体来说，该任务又细分为13个小阶段，其详细过程如下图所示：

▲图1 天问2号的13个探测过程详述。图源：中国空间技术研究院。

为了探测(469219) 2016 HO3和311P，天问2号共携带了11个有效载荷，分别是：可见红外成像光谱仪、热辐射光谱仪、多光谱相机、中视场彩色相机、探测雷达、磁强计、带电粒子与中性粒子分析仪、喷发物分析仪、窄视场导航敏感器、激光一体化导航敏感器和旋转衍射高光谱相机。

这些有效载荷的主要科学目标在近地小行星(469219) 2016 HO3探测方面分别为：(1)、测定 (469219) 2016 HO3 轨道、自转、形状、大小和热辐射等物理参数；(2)、探测 (469219) 2016 HO3 形貌特征、表面物质组分、内部结构，获取小行星样品的背景信息；(3)、对 (469219) 2016 HO3 返回样品开展实验室分析研究，测定小行星样品的物理性质、 化学与矿物成分、同位素组成和结构构造；(4)、测定和研究小行星样品的年龄； (5)、与陨石进行比较研究，建立返回样品与陨石、地面观测与遥感就位分析数据之间的联系。在主带彗星探测方面分别为：(1)、测定主带彗星 311P 的轨道、自转、形状大小和热辐射等物理参数；(2)、探测主带彗星 311P 形貌、表面物质组份、内部结构、临近空间环境，以及可能的水和有机物等信息。

▲图2 天问2号的探测器示意图以及载荷位置。图源：中科院。

(1) (469219) 2016 HO3

其中，根据(469219) 2016 HO3的绝对星等和反照率等参数信息，估计其直径范围为40~100 m，其不仅非常小，而且自转速度也非常快，其自转周期约为28 分钟。因为其非常暗弱，无法通过地基望远镜获取其更多准确的物理信息，这也给探测任务带来了困难。

▲图3 墨子巡天望远镜(WFST)在2024年3月29日拍到的(469219) 2016 HO3，十字图标中央所示。

图源：紫金山天文台。

鉴于其体积小，自转快，导致其表面可能难以保留分化层，更像一块裸露的岩石，类似于日本宇航局的深空探测任务隼鸟2号的探测目标——(162173) Ryugu。这种形貌特征对于采样具有较大的挑战。未来，天问2号的最佳采样区可能在小行星的两级或者是凹坑中朝向自转轴的坑壁上。

▲图4 (162173) Ryugu的表面形貌。图源：JAXA。

小行星(469219) 2016 HO3长期在地球附近摆动，宛如围绕地球的"小精灵"，这类天体处于与地球"共轨"的特殊状态，被称为地球的准卫星，迄今已确认地球拥有7颗准卫星。研究表明，(469219) 2016 HO3的光谱特征与月球岩石高度一致，推测其可能起源于月球背面陨石撞击坑"布鲁诺"形成时溅射出的碎片。天问2号对(469219) 2016 HO3的深入探测将为揭示地月系统的起源和演化历程提供关键的科学信息，有助于我们更好地理解地球-月球这一独特天体系统的形成机制。

▲图5 黄色为(469219) 2016 HO3的轨道，蓝色为地球的轨道。图源：维基百科。

(2) 311P

311P是已知的第7颗主带彗星，由于其具有典型的小行星轨道，同时偶尔会爆发出现彗星尾等特征，所以也将其归类为活跃小行星(迄今为止，发现了约50多颗)。 311P的直径约为480 m，其可能还拥有一颗卫星或伴星，是一个双星系统。

▲图6 哈勃空间望远镜在2013年9月10日拍摄的311P。图源：ESA/HUBBLE。

一般来说，彗星大多诞生于太阳系边缘极其寒冷的奥尔特云，那里的低温环境为水冰等挥发性物质提供了天然的"冷冻库"，当彗星轨道靠近太阳时，这些冰冻物质受热升华，形成我们熟悉的壮观彗尾。然而，主带彗星311P却是一个令人困惑的"异类"——它位于火星与木星之间相对温暖的小行星带中。按常理，这里的高温环境早就应该将挥发性物质"烤干"，但311P却拥有至少6条明显的彗尾，这一现象颠覆了传统认知。

科学家推测其可能受到撞击或YORP效应影响，导致表面岩石破裂，内部的冰水尘埃混合物受热喷发形成彗尾。天问2号对311P的探测将有助于解释这类兼具彗星和小行星特征的天体如何长期稳定存在，不仅能描绘小行星与彗星间的演化图景，还可能为地球海洋起源研究提供新的科学认知。

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天问2号有何不同？

在了解天问2号有何不同之前，我们来回顾一下人类在小行星探测方面取得的成绩。下表综述了迄今为止所有成功发射的和小行星相关的深空探测任务。

在上述多个深空探测任务中，具有里程碑意义的分别为：2003年日本的 “隼鸟号”系列任务对（25143）Itokawa小行星实施采样并成功返回地球，实现首次采样返回任务；2020年，美国NASA的“冥王号”（OSIRIS-REx）任务对（101955）Bennu小行星成功采样，并于2023年将样本带回地球，标志着采样返回技术的成熟；2021年，美国NASA的“Lucy”号成功发射，执行首个穿越特洛伊小行星群的探测任务，也是首个多目标探测任务；2022年，美国NASA的“DART”任务成功撞击（65803）Didymos的伴星Dimorphos小行星，首次验证了人类主动改变地外天体轨道的能力。

▲图7 左图为隼鸟2号探测器和其探测目标（162173）Ryugu，右图则为隼鸟2号在（162173）Ryugu上的采样过程。图源：JAXA。

▲图8 “冥王号”探测器采样策略示意图。来源：NASA。

▲图8 露西号探测任务的探测路线示意图。图源：NASA。

▲图9 DART任务撞击器撞击Dimorphos的过程。图源：EAS。

日本宇航局的隼鸟2号探测器采用了独特的"撞击采样法"——通过发射撞击器轰击小行星表面，利用撞击产生的飞溅碎片进行样本收集；而美国宇航局的冥王号则选择了更为直接的"机械臂接触采样法"，通过精密的机械臂直接触碰小行星表面获取样本。

与NASA和JAXA的任务相比，天问2号的挑战在于：1. 目标信息极度匮乏。整个采样过程需要面对在极其微弱的引力环境中探测器“侧翻”的风险；在不确定小行星物理信情况下开展大量探测并做出最优策略的考验；在高时延无法通过地面遥控操作时自主采样的挑战。天问2号面临的挑战是远超之前的采样返回任务。2. 采样策略高度灵活。正是由于目标信息匮乏，天问2号采样策略并未提前确定，而是预备了悬停采样、接触采样和附着采样三种方式。3. 多目标协同。天问2号采取多目标、多任务和多模式的探测方式，具有“一次发射，两个目标，三种任务形式（伴飞、采样、返回）”的鲜明特点。

▲图10 天问2号的三种采样方式示意图。图源：中国空间技术研究院。

天问2号将验证突破弱引力天体表面取样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道设计等一系列关键技术。

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我国在深空探测方面的规划是什么？

天问2号的成功发射是中国航天史上具有里程碑意义的重大突破。我国在深空探测领域的规划体现了系统化、分阶段推进的长期战略布局：以"天问"系列任务为核心，承担着从近地天体到外太阳系的宏伟探索使命，逐步拓展人类对宇宙的认知边界；以"嫦娥"系列任务为核心，专注于月球探测和开发，为未来的月球科研站建设和资源利用奠定坚实基础。这种"双轨并进"的探测架构不仅展现了中国航天的雄心壮志，更体现了科学规划、稳步推进的发展理念，标志着中国正从航天大国向航天强国迈进。

▲图11 我国天问系列探测任务规划。图源：CNSA。

▲图12 我国以“嫦娥”系列和“天问”系列的探测任务规划。图源：CNSA。

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结语

此时此刻，天问2号正在穿越星空，飞向宇宙深处。它带着中国梦，承载着十四亿人民的期望与祝福，在无垠的太空中划出一道璀璨的轨迹。这艘承载着中华民族航天梦想的探测器，如同一颗闪亮的星辰，穿越时空的隧道，向着未知的星域勇敢前行，为人类探索宇宙奥秘贡献中国智慧。

参考资料：

1. 李春来,刘建军,任鑫,等."天问二号"任务科学目标和有效载荷配置[J].深空探测学报-北理工, 2024, 000(3):7.DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2024.20230185.

2. Hubble views extraordinary multi-tailed asteroid P/2013 P5. (2013-11-07),

3. 余后满,张熇,黄晓峰,等.我国小天体探测任务设想[J].国际太空,2021,(09):4-9.

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