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叶培建:10年分3阶段实现小行星探测、取样返回、探测彗星

2021-04-26 科技日报 金凤 张晔
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  “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。

打印 责任编辑:阎芳

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