我國小天體探測任務設想

余后滿 張熇 黃曉峰 孟林智 曾福明 王向暉

（1 中國空間技術研究院 2 北京空間飛行器總體設計部）

小天體是太陽系重要的組成部分。研究普遍認為，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、推動技術進步、開發天然資源、保護地球安全等方面意義重大，影響深遠。小天體探測任務是我國行星探測重大工程規劃的又一個標志性項目，將通過一次任務，實現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，有望突破多項關鍵技術，獲取原創性科學成果，進一步提升我國的深空探測技術能力，力爭在小天體探測技術領域進入國際先進行列。

1 小天體簡介

根據國際天文學聯合會（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，小行星是太陽系內類似行星環繞太陽運動，但體積和質量比行星小的巖石或金屬天體。彗星是進入太陽系內，亮度和形狀隨日距變化而變化的繞日運動天體，一般由彗核、彗發和彗尾等組成。主帶彗星是指運行在小行星帶（火星與木星軌道間）內的活躍小行星。

2 國外小天體探測發展概述

國外小天體探測典型任務概況

小天體探測已有30多年歷程。早期的探測任務只是飛掠探測，例如美國的“伽利略”（Galileo）任務，對木星進行了探測。自20世紀90年代以來，小天體探測活動日益增多，共實施了6次以小行星探測為主要目標的任務和3次以彗星探測為主要目標的任務。2012年，我國的嫦娥二號月球探測器也實現了對圖塔蒂斯（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。

太陽系中的小行星分布（左）和典型彗星軌道（右）

（1）任務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）探測器順利進入距愛神（Eros）小行星表面35km的繞飛軌道，對其進行了全面觀測，獲得了該小行星的體積、形狀、質量分布、重力場、自轉、成分和地質學數據等。探測器利用多光譜成像儀拍攝得到的數據，對小行星表面的撞擊坑進行了觀測，其表面大部分區域有多個直徑小于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，成為世界上首個實現小行星取樣返回任務的探測器。由于探測器在軌發生故障，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。地面對樣品容器進行確認后表明，只獲取了約1500個微米級顆粒。

2014年12月，日本發射了隼鳥－2探測器，并在2018年順利到達龍宮（Ryugu）小行星。經過一年多近距離探測后，發射了小型撞擊器，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，經確認獲取了約5.3g小行星樣品。

（3）任務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，實現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”著陸器實現著陸時，著陸器上的冷氣噴射裝置出現故障，最終著陸器經歷兩次彈跳，以姿態傾斜過大的角度停留在彗星表面，偏離預定地點上千米左右。雖獲取了少量高分辨率圖像，但最后因為太陽帆板光照不足，科學探測任務未能按照預期完成。

（4）任務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，探測器順利實現在夜鶯（Nightingale）采樣區的短時觸碰采樣。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，探測器運行在返回轉移軌道，計劃于2023年9月攜帶樣品返回地球。

國外小天體探測發展態勢

（1）小天體探測任務科學目標亮點多，新技術帶動性強

小天體以其獨特的物理、化學和礦物質特性，成為揭示太陽系起源及演化過程等重大科學問題的關鍵。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，使科學家轉而思考地球上水的其他可能來源；隼鳥－1在地面實驗室中對樣品進行了氨基酸、多環芳香烴等有機化合物的分析測試，結果證明糸川小行星的有機化合物屬于非生物成因。隼鳥－2和“奧西里斯”任務也分別就小天體的形成過程、物質組成等形成大量科學成果，發表在《Science》《Nature》等具有國際影響力的期刊上。

小天體探測任務周期長、目標距離遠、目標特性具有較大不確定性，對探測器的軌道設計與優化、新型推進技術、自主導航與控制、探測器自主管理、微重力下采樣技術等均提出了更高要求，有利帶動了新技術的發展和應用。

（2）小天體探測已成為國際深空探測的新熱點

小天體探測任務以其獨特的科學價值和技術挑戰，得到了各主要航天國家的高度重視。在未來空間探測計劃中，美國國家航空航天局（NASA）規劃了開展特洛伊(Trojan)小行星探測的露西（Lucy）任務和靈神星（Psyche）小行星探測任務。NASA與ESA將合作開展“小行星撞擊與偏轉評估任務”（AIDA） ，計劃撞擊雙體小行星中較小的一個目標，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，計劃2026年前后抵達該小行星附近，對其周圍的塵埃成分進行探測。由此可見，小天體探測已成為主要航天國家深空探索領域的重點發展目標之一。

3 我國小天體探測任務概述

任務目標

我國的小天體探測任務，將通過一次任務實現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驗室分析相結合的多種探測活動，使我國小天體探測的科學與技術達到國際先進水平。

任務的科學目標主要包括：

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

2）開展近地小行星和主帶彗星的形貌、物質組分、內部結構以及可能的噴發物等研究；

3）對返回樣品開展實驗室分析研究，測定樣品的物理性質、化學與礦物成分、同位素組成，以及結構構造，開展小行星和太陽系早期的形成與演化研究。

探測器組成

探測器系統包括主探測器及返回艙。主探測器完成近地小行星轉移、繞飛詳查、采樣轉樣、返回地球、返回艙分離、主帶彗星轉移及科學探測全周期的飛行任務；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，國家航天局發布了《小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告》，面向國際公開征集科學載荷和搭載項目方案。擬配置的有效載荷包括：窄視場導航敏感器、激光一體化導航敏感器、多光譜相機、可見光紅外光譜儀、熱輻射光譜儀、中視場彩色相機、多光譜相機、探測雷達、磁強計、帶電粒子與中性粒子分析儀、噴發物分析儀等。這些載荷將對目標小天體的自轉參數、形狀、地質形貌、表面熱輻射特性、表面物質組分、內部結構、磁場環境等進行全面的探測。

飛行過程

探測器系統將采用長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心發射。經過近1年的飛行，到達近地小行星2016HO3附近。采用繞飛、懸停等方式，對其開展詳細科學探測。根據獲取的信息，反演小行星地形地貌、星壤、熱慣量等方面的特性，據此確定候選采樣區。隨后擇機實施小行星表面采樣，并實現樣品的有效封裝。之后在預定的返回窗口，探測器開始進入返回轉移飛行。在地球附近，釋放返回艙，返回艙采用彈道式再入，高速進入地球大氣層并在預定回收場著陸。這一過程預計在3年內完成。

主探測器拉起后，奔向目標彗星，經歷約7年時間飛行到達小行星帶，對主帶彗星進行科學探測。小天體探測任務探測器在軌飛行共分13個飛行階段。

任務特點與難點

我國的小天體探測任務，要實現“一次發射，兩類探測目標（近地小行星和主帶彗星），三種探測模式（繞飛、附著、采樣返回）”，任務周期長達10年。整體任務設計創新性強、技術難度大。具體體現在以下幾方面：

（1）目標特性不確定性大

現階段，依靠地面設施觀測，對兩個探測目標的觀測數據和特性認知極其有限。探測目標的自轉特性、地形地貌、巖石和風化層、反照率、熱特性等參數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特性，與在軌到達探測后獲得的信息均有較大的差異。

基于目前少量觀測數據的認知，小行星2016HO3體積小、自轉速度較快、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。

小天體探測任務飛行過程示意

國際上目前成功實現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2016HO3小行星地形、表面星壤力學特性等不確定性，針對可能的“碎石堆”或“獨石”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，還需考慮設計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。后續工程實施中，需結合工程可實現性和表面特性研究，深入分析不同采樣模式和手段的適應性，優化設計簡單可靠、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，月球、火星的著陸區選擇以地面已獲得的高分辨率遙感探測數據為基礎，在任務研制初期開展著陸區的預選；而小天體探測的目標體積小且較為暗弱，地面可獲得的目標特性有限且不確定性大，無法在任務研制階段完成采樣區的選擇。我國小天體探測任務的采樣區、采樣策略、采樣參數等關鍵要素無法在地面確定，只能采用“邊飛行、邊探測、邊制訂”的策略。在設計上考慮盡量包絡各種可能的條件，在軌到達目標附近后，通過長時間近距探測來獲得高分辨率的探測數據，建立小行星高精度的三維模型、熱模型等，優選采樣區，并制定相應的采樣策略。

（2）需具備高精度、全自主導航與控制能力

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，是實現小行星采樣返回等任務活動的前提和關鍵。目標小行星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，要實現與小行星2016HO3的可靠抵近和繞飛，需要研究基于視線測量和軌跡機動自主一體化的設計技術，通過受控軌跡機動，實現探測器的自主相對導航和制導接近過程。

為實現百米級近距離探測，實現小行星的全球覆蓋，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航技術，實現高速可靠的圖像特征在軌實時辨識和匹配導航。

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能力，并精確控制與小行星的相對速度與姿態。探測器制導、導航與控制系統的設計，需考慮液體晃動、柔性附件等動力學影響，融合多類導航敏感器信息，具備高適應性、高魯棒性、高自主性和高精度的相對導航與控制能力。

（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中最高的再入速度。我國已實施的探月工程三期任務返回器驗證了再入速度10.7km/s、半彈道跳躍式再入方式面臨的相關技術，但小天體探測器返回艙的技術指標、再入方式等與探月工程三期任務存在較大差異，其氣動外形的設計需要從實際任務需求出發，同時考慮結構減重、總裝布局等約束條件，最終設計出滿足任務約束、綜合性能最優的新氣動外形。

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，系統對防熱材料輕量化設計提出了非常高的要求。需設計新的輕質功能梯度防熱材料、輕質承力結構及分區域防熱結構等，需在地面模擬高焓、高剪切力、對流與輻射耦合加熱等熱環境，確保防熱設計滿足任務需求。

（4）特殊環境地面仿真驗證難

小天體的表面特性與行星區別較大，需考慮小天體表面的物理狀態、微弱引力、探測器與小天體表面的相互作用、探測器姿態與軌跡控制等多項因素的相互影響。地面試驗驗證涉及星表狀態的動力學、微重力、真空環境等，如何實現星壤特性的等效模擬、機構的高精度微重力模擬，以及高速再入返回等關鍵過程的地面驗證，都是必須解決的難題。

針對此次任務中難度最大、最為核心的采樣環節，地球重力將顯著影響模擬樣品的力學特性及其與采樣裝置的相互作用，必須在微重力環境中測試模擬與采樣過程相關的力學特性，并在微重力環境下驗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周期長達10年，在國內深空探測領域尚屬首次。其中，采用的離子推力器將長期在軌工作，返回艙的降落傘、防熱結構等將經歷長期在軌貯存后工作，對系統可靠性設計、元器件原材料的選用，地面長壽命試驗驗證等都提出了更高的要求。

小天體探測任務單程通信時延長，實時測控能力大幅降低。近距繞飛、抵近采樣、附著關鍵環節動態特性變化大，無法依靠地面支持完成。同時，在長達10年的飛行過程中，必須設計完善的自主管理及自主安全措施，才能確保全任務周期中的運行安全。因此，探測器需從能源安全、通信安全、姿態安全等各方面，開展全面的自主執行、自主判斷、自主故障處置等設計。

4 結束語

小天體探測任務是我國行星探測重大工程的下一個標志性項目，探測器將突破弱引力天體表面采樣、高精度相對自主導航與控制、小推力轉移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命高可靠電推進等多項核心技術，獲取大量科學數據和寶貴的小行星樣品；并為進一步提升我國的深空探測能力、推動行星科學的快速發展和航天強國的建設作出重要貢獻！