5月29日，长征三号乙火箭将行星探测工程天问二号探测器送入预定轨道，发射任务取得圆满成功，我国首次小行星探测与采样返回之旅顺利迈出第一步。放眼全球，各国航天近年来纷纷将目光投向小行星、彗星等“太阳系化石”，试图揭示更多宇宙奥秘。那么，航天器执行小天体任务，需要借助哪些先进技术？又有望在哪些方面收获惊喜？

天问二号探测器任务流程示意图。

身怀绝技 无惧挑战

小天体主要包括小行星、彗星等，通常引力微弱且环境复杂。因此，小天体探测器普遍面临弱引力环境、远距离通信、复杂表面地形等挑战，进而对设计制造提出了极高的要求。

总体来看，各国小天体探测任务主要依赖3个维度的关键技术。

其一是运动维度的高精度导航与智能控制技术。

小天体普遍引力弱，甚至不及地球的百万分之一，探测器难以像绕飞地球或火星那样依赖目标天体引力稳定运行，必须依靠高精度导航和自主控制技术，具备实时调整轨道和姿态的能力。

例如，日本“隼鸟2号”接近小行星龙宫时，采用了激光测距和光学导航相结合的方法，确保探测器在距离小行星仅数十米的高度稳定悬停并采样。美国冥王号（又译作“奥西里斯-雷克斯号”）探测器则利用其他天体引力，实现了精准变轨。

天问二号探测器同样将面临类似的挑战。预计它经过约一年的长途飞行，到达小行星2016HO3附近后，仍需伴飞小行星一年左右，探明其具体信息，才能择机执行采样任务。在这一年内，天问二号探测器需根据小行星运动情况，实时高精度控制速度和位置，以便保持伴飞关系。而在采样过程中，为了确保安全接近小行星，天问二号探测器需利用光学相机、激光雷达和惯性测量单元等实施联合定位，并借助人工智能算法，自主规划接近航线，避免碰撞或失控。

其二是能量维度的长期深空通信与能源管理技术。

小天体探测任务通常会持续数年以上，探测器需在数亿公里外与地球保持稳定通信、长期工作。由于遥远深空的信号衰减严重，除了地面深空测控网必须配备大口径天线和高灵敏度接收机外，探测器的软硬件也应具有强大的现场自主决策与应变能力。

同时，探测器必须采用高效的能源管理系统，比如利用传统的太阳能电池结合核电池，确保在远离太阳的深空环境中持续稳定供电。

天问二号探测器也需要克服太阳光照强度减弱的挑战。据公开资料显示，它采用了圆形柔性太阳翼，设计二次展开结构，专门针对低温低光强条件强化，争取使能量收集效率最大化。

其三是样品维度的采样返回技术。

采样返回是当前最具挑战性的小天体任务之一。由于小天体表面环境复杂未知，可能布满碎石或松散尘埃，传统的单一机械臂采样方案可能失效。例如，小行星贝努表面松散，美国冥王号探测器的采样探杆一度陷入小行星内部，任务险些失败。

目前，各国探测器已应用或规划的小天体采样方式包括悬停、触碰、附着等，以便适应小天体表面的松散碎石堆等特殊结构。其中，附着采样方式需要使用多臂协作式取样机器人系统，在极短时间内触碰小行星表面，利用高速气流或机械冲击，激起尘埃和碎石屑，再用收集装置捕获满足目标质量的样本。

返回舱携带小天体样本以超过第二宇宙速度的高速飞行，安全再入大气层，返回地球，同样是一大挑战。在此过程中，必须确保样本不受污染，不被高温破坏，从而对返回舱的防热隔热、结构强度、气动稳定性等指标提出了苛刻的要求。

综合各国类似任务的返回舱设计情况来看，球锥大底、单锥后体的构型设计以及弹道式再入等关键技术应该是返回舱的合理选择。

多重目标 期待突破

小天体被誉为太阳系形成初期的“时间胶囊”，往往蕴藏着人类探秘行星和太阳系演化、生命起源乃至未来太空资源开发所需的关键信息。

无论是追求小行星采样返回目标的日本隼鸟系列探测器、美国冥王号探测器和我国天问二号探测器，还是率先完成环绕彗星并着陆采样任务的欧空局罗塞塔号探测器，亦或是未来将尝试着陆火卫一并采样返回的日法德合作探测器，都要依靠高精度测绘测量、采样分析、取样返回等作业，在多个领域争取获得重大突破。

一方面，诸多小天体探测成果有助于科学家解开太阳系、地球演化与生命起源之谜，深入研究天体活动机制，加深对宇宙和人类自身的认识。

许多小行星和彗星保留着46亿年前太阳系形成初期的原始物质。比如，龙宫、贝努等碳质小行星富含有机分子和水合矿物，有可能帮助科学家找到地球上的水和生命前体的重要来源。科学家已从日本“隼鸟2号”采集的小行星龙宫样本中检测到氨基酸，为“生命可能通过小行星传递到地球”的假说提供了依据。

再比如，科学家推测，天问二号探测器的目标采样对象——近地小行星2016HO3很有可能是某次远古撞击事件的抛射物。光谱分析显示，它可能含有金属与硅酸盐矿物，其成分与月球岩石惊人地相似。因此，它不仅对于研究太阳系演化有重要意义，还有可能为地月系研究提供独特视角。

一些小天体探测器将目标瞄准彗星，实施伴飞观测、采样分析等，获取的数据有助于科学家深入理解彗星内部挥发物分布及喷发机制，甚至有可能解释地球海洋的重要来源。

例如，天问二号探测器的第二个目标——主带彗星311P形态奇特，打破了传统认知，留下了多个行星科学界关注的未解之谜。

另一方面，小天体探测和采样返回任务有望为近地小行星防御与外星球资源开发奠定基础。

近地小行星等小天体对地球的巨大撞击威胁不容忽视。通过近距离研究小天体的结构、成分和轨道特性，科学家可以深化对其运行规律的认识，提高威胁评估水平，并测试相关太空防御技术手段，完善防御策略。

此外，太空采矿愿景逐渐成为热门，未来将是深空探测任务可持续发展的重要支撑。某些小天体富含稀有金属资源和水冰资源，有可能成为太空采矿的重要目标。现役及近未来的小天体探测器或许将为外星球资源利用和技术验证提供重要参考。

展望未来 前景喜人

随着技术持续进步和更多社会资源投入，小天体任务的规划目标不断提高与拓展，呈现出令人振奋的发展趋势。

美国“冥王号”和日本“隼鸟2号”初步证明了小行星采样返回任务的可行性，也促使各国科研人员瞄准更多类型、各具特色的小行星。

比如，美国科研人员正在努力排除管线故障，尽量使2023年10月升空的探测器如期抵达灵神星，全面勘探这颗富含贵金属的外星球。

再比如，日本计划于2026年发射火卫一探测器，对直径20多公里的火卫一进行探测、着陆并采集样本。到时候，法德共同研制的小型巡视器将在火卫一表面着陆、弹跳、巡视等，设计工作100天左右。

商业航天也规划了诸多小天体资源勘测、采样分析任务，一些探测器已经或即将启程，希望确定未来太空采矿作业目标。

更进一步，美国宇航局曾提出过派遣航天员登陆近地小行星计划，希望为载人登陆火星任务积累经验。

为了实现复杂目标，未来小天体探测器可能会配备更加智能化的任务系统，高效完成样本成分检测、自适应策略采样、自动避障、自主导航等操作。借助太空机器人“蜂群”技术，未来或许会有众多探测器协同工作，分担不同任务，提高整个系统的可靠性和冗余度，大幅拓展观测范围。

总之，随着更多探测器飞向深空，人类必将不断深化对小天体乃至太阳系演化、生命起源的认知，进而为近地小行星防御、太空资源开发等积累更多经验成果。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》，原标题《小天体探测：路远事难，行则必至》

文/文艺

编辑/李庆勤