叶培建：10年分3阶段实现小行星探测、取样返回、探测彗星

仙仙

“中国设计的小天体探测任务将在10年分3个阶段实施，即小行星探测、取样返回、探测彗星。既要对近地小行星‘2016HO3’进行探测，也要对彗星‘311’进行探测。目前，小天体探测任务已经进入工程研制阶段。”4月24日下午，在2021年中国航天大会主论坛上，当选为2021年“中国航天公益形象大使”的人民科学家、中国科学院院士叶培建描绘的我国小天体探测的任务设想，令人心驰神往。


叶培建介绍，我国行星探测重大工程包括小天体探测、火星采样返回和木星系探测，同时太阳系边际探测等未来任务已在论证之中。其中，小天体探测任务是行星探测重大工程的标志性项目，也是我国航天强国建设征程的标志性任务。


将对近地小行星探测取样返回，并绕飞探测彗星


“小天体保存着太阳系形成演化的原始信息，是研究太阳系起源的‘活化石’，是目前国际深空探测的热点，行星科学研究的前沿。”叶培建表示，小天体探测在揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全等方面意义重大，影响深远。


中国的小天体探测如何开展？叶培建说：“我们将通过一次任务，对近地小行星探测与取样返回和主带彗星绕飞探测，实现探测领域和核心技术的全面性突破，使我国小天体探测达到国际同期先进水平。”


叶培建所说的近地小行星和主带彗星分别为“2016HO3”和“311P”。


2016HO3是一颗地球共轨天体，直径为40~100米，发射和返回窗口灵活，适于取样返回、分析天体来源。而311P彗核为320~580米，对它的研究热点集中在主带彗星形成和演化、气体活动机制。


“小天体探测的目标是，突破弱引力天体表面采样、高精度和高自主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、多模式长寿命电推进等关键技术；同时实现近地小行星近距探测、采样返回和主带彗星近距探测，为小行星起源及演化等前沿科学研究提供探测数据和真实样品。”叶培建介绍。


完成这些使命的小天体探测器，将由主探测器和返回舱组成。“其中主探测器完成近地小行星转移、绕飞详查、采样转样、返回地球、返回舱分离、主带彗星转移及科学探测全周期的飞行任务；返回舱则采用弹道式再入方式，选用‘球锥大底+单锥后体’气动外形，通过‘气动外形+降落伞’完成减速并着陆于地球。”叶培建说。


一次发射先后探测两个小天体，设计了触碰、悬停、附着等多种采样方式


与众不同的是，此次小天体探测器发射后，将“一箭双雕”。叶培建透露，中国的小天体探测工程将通过一次发射，探测两类目标，实现三种探测模式，即近距离探测、附着、采样。


“探测器发射后将进入转移阶段，随后与小行星交会、近距离探测，再着陆、采样后，进入返回段。探测器返程接近地球时，返回舱进入地球，而主探测器飞向彗星，随后完成将近7年的探索。”叶培建说。


“但是，难点在哪儿？”叶培建话锋一转，“小行星直径不过几十米，几乎没有引力，所以首先要围绕小行星在不同相位进行悬停探测，了解它的各种特性，绕飞探测来选择可能着陆的地点，再通过接近段、采样段‘走一步看一看’，最后到小行星上进行采样。”


由于小天体的地面观测数据极其有限，它的自旋特性、地形地貌、岩石和风化层、反照率、热特性等参数目前都不知道，只能基于同类小天体数据推测，具有较大的不确定性。系统设计、验证需适应很大的包络范围。


小天体探测，最引人关注的探测任务之一，莫过于采样。叶培建介绍，目前对小行星“2016HO3”共准备了触碰、悬停、附着等多种采样方式，确保有一种方式能采样成功，未来探测器在轨飞行时，将“边探测、边反演、边确定采样策略”。


另外，小行星的交会、下降、附着、取样过程，还需要高精度全自主导航控制，包括高精度图像导航技术、下降过程六自由度精确附着控制技术、视线导航和轨迹机动自主一体化设计技术等。


“在采集完小行星样本后，探测器的返回舱将采用弹道式再入返回，再入速度约12千米/秒，这面临高热流、高焓、高剪切力、超音速开伞等恶劣条件，所以还需要研制新气动外形和防热材料。”叶培建说。（科技日报记者金凤 张晔）