天问问天，星途拾光，遥伴星孛

5月29日1时31分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙Y110运载火箭，成功将行星探测工程天问二号探测器发射升空。火箭飞行约18分钟后，将探测器送入地球至小行星2016 HO3转移轨道。版权／史悦

/引言

人类深空探测已经取得长足发展，我国在月球探测、火星探测方面也已取得辉煌成绩。随着深空科学探测的不断深入，数量大、分布广、体积小的小天体已成为深空探测的新兴热点。

小行星是围绕太阳运行的岩石或金属天体，它们体积小，直径一般小于1000千米。小行星主要由岩石、金属和冰组成，是太阳系早期形成时残留的物质，大多分布在火星与木星轨道之间的主小行星带。根据国际小行星中心公布的数据显示，全世界范围内累计发现小行星145万颗，已经获得国际天文学联合会（IAU）永久编号的小行星超过80万颗（截至2025年5月）。小行星的起源尚存在诸多争议，国际上多数理论学者认为小行星是46亿年前太阳系初期形成的行星体，还有部分学者认为小行星是由一个大行星在亿万年前被撞击碎裂之后的遗留物。

小行星探测“小中见大”，关系到探寻宇宙的起源与演化、物质结构、生命起源等重大基础前沿科学问题，对于我国“开辟新疆域、揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全”等方面具有显著的意义，是推动我国从航天大国走向航天强国，落实创新驱动发展国家战略的重大实践活动之一。

/国外小行星探测现状

人类最初用地基望远镜来观测和研究小行星，只能获得基本轨道参数和一些物理特性，对物质组成、内部结构、引力场等参数的测定几乎是空白。

随着航天技术的发展，人类于20世纪70年代用航天器对小天体进行近距离观测。国外小天体探测已有30多年历程，美、欧、日先后完成了各自独特的标志性任务。截至目前，国外共实施了16次专门的小天体探测。下面选取三个典型任务进行介绍。

NEAR-舒梅克号探测器：

国际首个小行星探测任务（美国）

2000年2月14日，美国NASA的NEAR-舒梅克号探测器（NEAR Shoemaker probe）顺利进入距离爱神（Eros）小行星表面35km的绕飞轨道，对Eros进行了全面观测，获得了该小行星的大小、形状、质量分布、重力场、自转、成分和地质学数据等。

探测器利用多光谱成像仪拍摄得到的数据，对小行星表面的撞击坑进行了观测，其表面大部分区域有多个直径小于1km的撞击坑，以及大量撞击形成的分布不均匀的巨石。科学家根据观测结果认为，Eros小行星是一体结构，内部有断层。探测器对小行星的质量和体积进行了测量与反演，Eros的平均密度为（2.67±0.03）g/cm3，结合小行星组成成分，这个密度表明星体内部约有20%~30%的空隙，排除了其为碎石堆的结构组成。

隼鸟号：

国际首个小行星取样返回探测任务（日本）

日本JAXA的隼鸟号探测器于2003年5月9日发射，2005年9月12日飞抵距离丝川（Itokawa）小行星表面高度20km的位置，成功向地面发回近距离拍摄的小行星图像。Itokawa小行星运行轨道位于地球和火星之间，长约500m，宽约300m。

2005年11月，隼鸟号依靠自主控制系统飞掠Itokawa小行星，并完成收集样品任务，技术途径为向小行星射入重为5g~10g的金属球，并用专门装置把溅起的粉尘吸入到航天器中。这是人类第一次从小行星上采集样本。

样品收集完成后，由于探测器发生故障，2007年4月25日，隼鸟号探测器才正式开始回归地球的旅途。2009年9月，隼鸟号姿态控制装置中2台发生故障，化学推进因燃料泄漏不能使用，4台离子推力器只有1台能正常工作。但是隼鸟号仍在2010年6月13日成功返回地球，降落在澳大利亚南部伍默拉镇附近的沙漠北带，成为世界上首个实现小行星取样返回任务的探测器。

罗塞塔-菲莱：

国际首个彗星着陆探测任务（欧空局）

罗塞塔号探测器是世界上首个完成彗星表面着陆就位探测的探测器，开展了目标彗星全球勘测和两颗小行星的化学、矿物学和物理特性的研究；实现了低轨道绕彗核观测和未知彗星表面的精确着陆，也是欧洲历时最长、最具挑战的深空探测任务。

罗塞塔探测器包括一个轨道器和一个着陆器。着陆器带有一套着陆缓冲和一套锚定系统，轨道器选定着陆地点后，其上的菲莱号着陆器将以0.05m/s~0.52m/s的速度弹离轨道器，打开附着腿锁定机构，展开并锁定。着陆器用光学照相机获取精确着陆点图像，最终以小于1m/s的速度触地。推进系统施加向下的保持力，进一步防止着陆器反弹和漂走。在着陆时，着陆器弹射出一个鱼叉式的锚定装置，将着陆器固定在彗星表面上，防止着陆后仪器设备操作和环境扰动使着陆器翻倒或飘走。

着陆前，ESA确认菲莱号着陆器的冷气推力器发生故障，无法完成反推下压动作。2014年11月12日，菲莱号着陆器与罗塞塔成功分离，由于固定菲莱号的鱼叉装置未能成功发射，菲莱号着陆器在彗星表面着陆过程中，发生了两次弹跳，进行了三次着陆。在2016年9月5日，通过罗塞塔发回的图片，确认菲莱号着陆器被卡在彗星表面的一条黑暗裂缝中。

/我国天问二号任务

【任务目标】

天问二号任务目标是实现近地小行星2016 HO3的科学探测和采样返回，之后开展主带彗星311P的转移飞行和科学探测。具体科学目标和工程目标如下。

【科学目标】

1. 测定近地小行星和主带彗星的轨道参数、自转参数、形状大小、热辐射等物理参数，开展轨道动力学研究。

小行星物理参数确定

2. 开展近地小行星和主带彗星的形貌、物质组分、内部结构以及可能的喷发物等研究。

地形测绘与数据库建设

3. 开展返回样品的实验室分析研究，测定样品的物理性质、化学与矿物成分、同位素组成和结构构造，开展小行星和太阳系早期的形成与演化研究。

采样区选取与勘测

【工程目标】

1. 突破弱力天体表面采样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道、轻小型超高速再入返回、多模式长寿命高可靠电推进等关键技术。

2. 实现近地小行星伴飞、采样（触碰、悬停、附着）和返回，及对主带彗星伴飞，为小行星起源及演化等前沿科学研究提供探测数据和样品。

【探测对象】

1. 近地小行星

近地小行星中，有一些小行星在环绕太阳公转的同时，受地球引力的影响，也在近似稳定地围绕着地球转动，这类小行星被称为地球的准卫星。由于这类共振天体的轨道在近地天体中较为稳定，记录了地球附近的近百万年或更长时间的动力学环境历史，从而为研究近地天体的动力学演化提供了重要线索。

迄今为止，通过地面观测，已经发现了7颗地球准卫星，其中小行星2016 HO3发现于2016年4月26日，属于阿波罗型小行星，绝对星等H为24.2，直径约40m~100m，体积、外形和光谱特性尚未确认，是迄今发现最稳定的地球准卫星，被称为“地球的第二个月亮”，选择其开展近距探测和采样返回，具有重要的科学意义。

2016 HO3可能的模型。版权／doi:10.1016/j.icarus.2020.114249

2. 主带彗星

主带彗星是2005年首次被发现并定义的一类天体，在近日点重复发生彗星活动，可以确认其含有易挥发的物质，主要组成成分为水冰。

因地球在形成过程中经历了高温期，无原生水，有一种假说认为，地球在形成之初一直被近地小行星（有些含有大量的水）撞击，从而带来生命之源的水和有机物。而主带彗星的活动，是因其内部的水的挥发所引起的，所以，探测主带彗星是研究小行星内部的水、有机物成分的捷径之一。

迄今为止，最有可能的主带彗星有十余颗。其中，主带彗星311P的全称为311P/PANSTARRS，2013年8月由哈勃望远镜发现，其特点是活动时拥有多条彗尾，目前也有研究认为其可能是双小行星系统，具有很高的科学探测价值。

天问二号工作示意图（视频截图）

【探测器概述】

天问二号探测器由主探测器和返回舱两部分组成，发射重量2115kg，携带科学载荷88.4kg。探测器配置两幅圆形柔性太阳翼，面积共36m2，以满足主带彗星探测时，远离太阳弱光照条件下的能源供给。

探测器携带一套化学推进系统和一套电推进系统，可以实现大推力脉冲变轨和小推力连续转移；配置一副1.5m直径的高增益天线，可以实现近地小行星探测和主带彗星探测时的高速数据下传能力；配置一条机械臂和一台激励采样器，具备悬停、触碰、附着三种采样模式，以实现不同目标特性条件下的可靠采样；探测器配置了多台图像和激光体制的导航敏感器，支撑近距探测和采样全过程的自主相对导航。

【飞行过程】

天问二号任务分为近地小行星2016 HO3探测和主带彗星311P探测两个阶段。整个任务飞行过程包括13个阶段。

天问二号探测器于北京时间2025年5月29日凌晨1时31分发射，进入地球至小行星转移轨道。转移过程包含深空机动、数次中途修正及小推力连续变轨，转移时间约1年，到达近地小行星后采用化学推进系统实施制动捕获。

之后结合地面导引和器上自主导航，逐步接近小行星，随后开展小行星近距探测和采样，用时约1年。近距探测和采样包括在不同距离悬停探测、主动绕飞探测，下降、附着、采样及上升等过程。根据到达目标小行星后的探测结果，针对小行星的具体特性，确定采样时机和使用的采样模式。

小行星采样方式示意。版权／doi:10.3969/ j.issn.1009-2366.2021.09.002

完成近地小行星探测和采样后，探测器实施返回地球转移入射，返回地球的转移过程包括数次中途修正和小推力连续变轨，转移时间约7个月。到达地球附近后，返回器与主探测器分离；返回器再入大气层并完成着陆回收，主探测器拉起并实现地球借力。

地球借力后，任务进入第二阶段，主探测器利用小推力连续转移，最后到达主带彗星311P，开展绕飞探测。

/任务特点和难点

任务目标和形式多样、

功能设计复杂

同国外小天体探测任务相比，我国小天体探测任务最大特点在于任务目标多样，可概括为“一次发射，两个目标，三种任务形式（伴飞、采样、返回）”。天问二号探测器通过一次发射任务实现近地小行星和主带彗星两个不同目标的“多目标、多任务、多模式”探测。

针对多种任务形式，探测器设计上需要满足转移飞行、小天体交会、小天体伴飞、小行星采样、地球再入返回等多种功能需求，并制定相应的技术途径；同时，器日距离和器地距离变化范围大，器日距离范围为0.89AU~2.5AU，近地小行星探测阶段器地距离最远为0.31AU，主带彗星探测阶段器地距离最远为3.4AU，测控通信、供配电、热控等平台系统设计需满足不同距离、温度、光照等条件下探测器工作的需求。

此外，近地小行星和主带彗星二者的轨道特性差别较大，为尽可能采用有限发射重量获得最大速度增量，涉及不同类型轨道、不同推进方式的综合应用：小行星采样返回任务需要采用“霍曼转移轨道+微引力伴飞+小推力连续转移+地球再入”的轨道设计，主带彗星探测任务需采用“地球借力+小推力连续转移+微引力伴飞”的轨道设计。

目标天体环境条件

复杂且不确知

依靠目前地面设施的能力，对两个探测目标的特性认识极其有限，先验知识匮乏（如自转特性、表面形态、表面力学特性、热特性）；且两个目标在物理、化学等特性方面差异很大。目标天体探测过程中将面临小天体表面高低温交变、表面特性不确定等复杂环境，对任务控制、采样、载荷、热控等环节设计提出极大挑战。在系统方案设计上，要求具有更大的裕度和更高的鲁棒性，以适应目标不确定环境带来的影响。

小天体的悬停、绕飞、探测、采样等策略的制定高度依赖目标特性，而在抵达小天体前无法预先通过地面观测获得较为准确的目标特性，因此只能根据在轨探测结果，进行近距探测轨道和探测方案选择，以及采样区和采样方式的选择，必须采用“边飞边探边决策”的探测模式。

微重力落塔设施下压试验设备

长寿命、高自主、

高集成要求高

完成近地小行星采样返回任务需2.5年，完成主带彗星探测任务需约7.5年，在我国深空领域尚属首次，且在轨不同飞行阶段面临多变、恶劣的复杂环境，对探测器产品、部件的长寿命和可靠性设计提出了很高的要求。

小天体星历存在偏差，随着器地距离增加，仅依赖地面测定轨的结果难以满足探测器与小天体近距探测等任务需求；对于采样、电推轨控等复杂过程，时序要求严格，对全自主操控要求高，要求探测器需具有极高的自主导航以及自主管理能力；主带彗星距离远，通信单程时延最长约30分钟，要求探测器具备自主任务执行能力，提高任务执行效率。

天问二号探测器资源有限，重量、功耗设计约束强，需实施科学载荷与工程设备、主探测器与返回舱的高度集成设计。

天问二号监视相机拍摄的太阳翼完全 展开后姿态。版权／CNSA

再入返回速度高、

气动力热环境严酷

天问二号的再入返回任务与以往地球轨道返回任务存在显著差异，主要体现在高速再入条件下的极端环境。其返回舱再入速度超过12千米/秒，远高于地球轨道返回任务和月球返回任务，这一速度直接导致气动加热强度显著提升，对防热系统的耐高温性能和结构强度提出了更高要求。同时，高速再入产生的气动力可能引发剧烈的干扰，需通过精确的气动外形设计和材料选择来确保返回舱在极端环境下的稳定性。

天问二号返回舱的重量约束是其设计中的核心难点。作为我国目前航天任务中规模最小的返回舱，需要严格控制重量，以满足探测器整体重量分配需求。这一限制对减重设计提出了严苛要求：一方面，返回舱需保证结构强度和热防护能力；另一方面，其内部需容纳样品及通信系统等关键组件，需在有限空间内实现功能集成。

天问二号采用无控弹道再入模式，即返回舱在再入过程中不依赖主动控制系统进行姿态调整，完全依赖气动特性维持飞行稳定性。这一模式对分离精度、质量分布和气动特性提出了极高要求：首先，返回舱与探测器需在精确的时间窗口内以精确的速度完成分离，以确保其进入预定再入轨迹；其次，返回舱的质量特性需与气动特性严格匹配，避免因偏心导致翻滚或失稳；最后，无控弹道的不确定性要求返回舱具备更强的气动适应能力，需通过高精度风洞试验和弹道仿真验证其在复杂气动环境下的稳定性。这一技术路径不仅考验航天器设计的精细化水平，也将为未来深空探测任务的返回技术积累重要经验。

地面试验验证难度大

天问二号作为我国首次执行小行星采样返回任务的探测器，其设计与实施需综合考虑多重复杂因素的耦合影响。首先，小行星表面的物理状态具有高度不确定性，可能包含松散的星壤、碎石堆积层或坚硬的岩石结构，这直接影响探测器的着陆稳定性与采样效率。其次，小行星的微引力环境对探测器的运动控制提出极高要求，探测器需在极低重力下实现精准着陆、采样机械臂的操作、以及采样样本的稳定传输和封装。

小行星星壤的物理特性（如密度、孔隙率、摩擦系数）未知，难以针对性开展采样机构的能力验证，地面试验必须覆盖多种采样工况及多种目标特性，以确保在轨采样能力。其次，微重力模拟是另一大难点，传统吊挂等重力卸载方式难以模拟微重力条件下星壤特性，即使通过落塔、抛物线飞行等试验手段，也仅能得到数以秒记的微重力环境，需要在极为严苛的约束条件下完成探测器微重力采样及转样性能测试。

/结束语

天问二号任务体现了“任务独特性、系统创新性、科学原创性、技术先进性”。工程上，高起点实施，一次发射完成多个天体环绕、附着、取样等“多任务、多功能”探测；科学上，聚焦国际科学热点，科学探测和研究内容特色鲜明，预期可获得一大批原创性科学成果。

天问二号任务作为中国行星探测的重要一环，不仅承载着科学家对小行星深层次探索的梦想，更是我国航天技术实力和发展水平的重要体现。面对深空探测中前所未有的挑战与困难，从轨道设计、采样技术到探测器自主导航，每一步都凝聚着无数科研人员智慧与汗水的结晶。正是这些难度和挑战，推动了我国在行星科学、空间物理等多个领域的创新发展，为人类认识宇宙提供新的视角和数据支持。我们有理由相信，随着天问二号任务的顺利实施，不仅将极大促进我国航天事业的进步，还将为全人类和平利用太空资源、深化对外太空的认识做出积极贡献。在此，预祝天问二号任务能够克服一切困难，圆满完成各项科学探测目标，书写中国航天新的辉煌篇章！

作者简介 /

缪远明，中国空间技术研究院深空探测领域设计师。

张熇，中国空间技术研究院型号研制人员，多年从事月球与深空探测器设计与验证工作。

来源：中国国家天文

编辑：姬子隰

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