小行星探測發(fā)展綜述

張榮橋，黃江川，赫榮偉，耿 言，孟林智

（1.國家國防科技工業(yè)局探月與航天工程中心，北京 100190；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

對未知世界的探索是人類發(fā)展的永恒動(dòng)力和不懈追求。深空探測通常指的是對月球及以遠(yuǎn)的地外天體進(jìn)行空間探測的活動(dòng)[1]。深空探測既是航天活動(dòng)發(fā)展的必然選擇，也是人類進(jìn)一步了解宇宙、探索生命的起源和演化、獲取更多科學(xué)認(rèn)識、開發(fā)和利用空間資源的重要手段，對科技進(jìn)步和人類文明的發(fā)展具有極為重要的意義[2]。

太陽系小天體是指圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)但不符合行星或矮行星條件的天體，包括小行星，彗星，流星和其他星際物質(zhì)。其中，小行星保留了早期太陽系起源、形成與演化時(shí)的重要信息，同時(shí)可能蘊(yùn)含著地球生命與水起源的重要線索，是研究太陽系起源的“活化石”。從20個(gè)世紀(jì)90年代開始，以小行星為目標(biāo)的探測活動(dòng)日益增多，成為深空探測領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的熱點(diǎn)，并獲得了較為豐碩的成果。

2004年開始實(shí)施的探月工程拉開了我國深空探測的序幕，2019年1月，我國的“嫦娥4號”探測器實(shí)現(xiàn)了世界首次月背軟著陸探測[3-4]，取得了五戰(zhàn)五捷的成果。

在探月工程取得階段性成果的基礎(chǔ)上，2016年1月，首次火星探測任務(wù)立項(xiàng)[5]，深空探測列入《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”。同年12月27日發(fā)表的《2016中國的航天》白皮書中明確指出：“深空探測……開展火星采樣返回、小行星探測、木星系及行星穿越探測等的方案深化論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，適時(shí)啟動(dòng)工程實(shí)施，研究太陽系起源與演化、地外生命信息探尋等重大科學(xué)問題?！?/p>

近年來，小行星探測已成為主要航天國家深空探測領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一。2013年8月，由包含中國航天局、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）和美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在內(nèi)的14 個(gè)航天局聯(lián)合建立的國際空間探測協(xié)調(diào)小組（簡稱ISECG）發(fā)布了《全球探索路線圖》[6]，其中確定了小天體探測的主要任務(wù)是：①驗(yàn)證創(chuàng)新的外層空間探索技術(shù)和能力；②加深理解太陽系自然天體的演變和生命演進(jìn)；③測試用于抵御來自近地小行星風(fēng)險(xiǎn)的方法。

本文在對人類小天體探測歷程進(jìn)行簡要綜述基礎(chǔ)上，對未來小行星探測規(guī)劃及其面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，并給出了相應(yīng)啟示和建議。

1 小天體探測發(fā)展歷程

人類最初是用地基望遠(yuǎn)鏡來觀測和研究小行星，只能獲得基本軌道參數(shù)和一些物理特性，對物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引力場等參數(shù)的測定幾乎是空白。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類于20 世紀(jì)70年代用航天器對小天體進(jìn)行近距離觀測。國際上小天體探測已有30多年歷程，美、歐、日先后完成了各自獨(dú)特的標(biāo)志性任務(wù)。截止到目前，世界各國共實(shí)施了14次小天體探測，其中日本、美國的小行星采樣返回任務(wù)均已到達(dá)探測目標(biāo)，正在開展采樣等在軌操作。如圖1所示。

圖1 國外已開展的小天體探測任務(wù)Fig.1 History of small body exploration mission

從發(fā)展歷程看，小行星探測經(jīng)歷了近距離飛越（如“深空1 號”（Deep Space 1）、“星塵號”（Stardust）和“羅塞塔號”（Rosetta）探測任務(wù)），到小行星繞飛探測（“如近地小行星交會(huì)”（Near Earth Asteroid RendezvoHs，NEAR）探測器和“黎明號”Dawn 探測任務(wù)），再到附著就位探測（如Rosetta 任務(wù)），發(fā)展到了目前的小行星表面采樣返回計(jì)劃（如“隼鳥號”（Hayabusa 1、Hayabusa 2）和“歐西里斯號”O(jiān)SIRIS-REx任務(wù)）。

從科學(xué)成果看，通過不同探測形式任務(wù)，確定了目標(biāo)小天體的精密軌道、運(yùn)動(dòng)速度、體積、物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7-19]。如：美國“深空1 號”任務(wù)飛越彗星19P/Borrelly，探測了彗星和小行星的大小、形狀、表面特征、亮度、質(zhì)量、密度、彗星核的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，研究了彗發(fā)的等離子體特征、彗發(fā)和太陽風(fēng)的相互作用、亮度和彗星核噴發(fā)的塵埃和氣體流的特征；日本“隼鳥1號”（Hayabusa 1）任務(wù)對返回樣品在地面實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了氨基酸、多環(huán)芳香烴等有機(jī)化合物的分析測試，結(jié)果證明Itokawa 的有機(jī)化合物屬于非生物成因等等。這些任務(wù)都緊緊圍繞著太陽系起源和生命起源等科學(xué)問題，深化太陽系起源和行星形成演化規(guī)律的認(rèn)識，探索生命起源。

2 小天體探測任務(wù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

近年來，美國、歐空局和日本等航天機(jī)構(gòu)和國家也規(guī)劃了多個(gè)小行星探測任務(wù)[20-21]，如表1所示。

表1 國外已規(guī)劃的小行星探測任務(wù)Table 1 Planed asteroid exploration missions

1）美國持續(xù)深入開展小行星探測

美國開展小天體探測較早，也是迄今為止開展小天體探測任務(wù)次數(shù)最多的國家，共發(fā)射了4顆以小行星探測為主任務(wù)的探測器，探測對象由近地、主帶小行星、彗星擴(kuò)展到柯伊伯帶小行星。其中，“黎明號”探測器已完成主帶“谷神星”（Ceres）和“灶神星”（Vesta）的繞飛探測；“新地平線號”（New Horizons）于2019年1月1日飛越了距大陽遠(yuǎn)達(dá)43 AU的柯伊伯帶小天體2014MU69（Ultima Thule），并從其形狀直接證實(shí)了行星形成的卵石吸積模型。至此，人類探測器已遍及八大行星和小行星、彗星以及柯伊伯帶天體。

2016年9月9日，美國發(fā)射了小行星采樣返回探測器“歐西里斯號”，奔赴古老的小行星貝努（Bennu）[22-23]，2018年 12月 3日抵達(dá)碳質(zhì)小行星附近，目前正開展詳查，確定了采樣點(diǎn)，將于2023年9月攜帶樣品返回地球。該任務(wù)是繼“阿波羅”登月項(xiàng)目采集月巖樣品和“星塵”探測器攜帶彗星樣品回到地球后，NASA又一個(gè)深空領(lǐng)域的采樣返回任務(wù)。通過該任務(wù)的實(shí)施，美國將繼續(xù)擴(kuò)大與其他國家的技術(shù)差距，保持其在航天領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位。

2017年1月，NASA公布了兩個(gè)最新入選的發(fā)現(xiàn)級、低成本探測任務(wù)，分別是“露西（Lucy）”任務(wù)和“賽姬（Psyche）”任務(wù)。其中，“露西”任務(wù)計(jì)劃于2021年發(fā)射，于2025年抵達(dá)小行星帶，2027—2033年探測特洛伊群小行星。任務(wù)包括1個(gè)位于小行星帶的目標(biāo)和5個(gè)被木星束縛在軌道的特洛伊群小行星?！百惣А比蝿?wù)計(jì)劃于2023年10月發(fā)射，于2030年抵達(dá)16號小行星Psyche，該目標(biāo)是一個(gè)由鐵、鎳和稀有金屬（包括金、鉑和銅）組成的大型金屬體，其直徑超過200 km，探測器將展開為期20 個(gè)月的探測研究。

此外，NASA近期還將實(shí)施一個(gè)雙體小行星撞擊任務(wù)（DART），對“動(dòng)能撞擊”（Kinetic Impact）防御技術(shù)進(jìn)行先期在軌驗(yàn)證。DART撞擊器預(yù)計(jì)2021年發(fā)射，于次年10月撞擊目標(biāo)小行星。該探測器在撞擊前將對主星和從星表面形態(tài)和地質(zhì)進(jìn)行探測。撞擊將在地面觀測能力允許情況下開展，全過程由地面進(jìn)行觀測，并評估動(dòng)力撞擊的實(shí)施效果。

2）日本深空探測活動(dòng)以小行星為主

日本在小行星探測領(lǐng)域起步較晚，但以獨(dú)特的思路和規(guī)劃開展了以一步實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回為目標(biāo)的任務(wù)，取得了重大突破。

2010年6月，日本“隼鳥號”成功完成世界首個(gè)采樣返回任務(wù)，返回地球，在業(yè)界造成的巨大轟動(dòng)。JAXA順勢推出“隼鳥2號”計(jì)劃，北京時(shí)間2014年12月3日成功發(fā)射“隼鳥2 號”，該探測器于2018年抵達(dá)目標(biāo)小行星，目前已在軌完成兩次觸碰采樣操作，2020年將攜帶樣品返回地球。

日本與德國合作，還將于2022年發(fā)射“命運(yùn)+”（Destiny+）探測器，2026年前后將抵達(dá)近地小行星Phaethon附近，對其周邊塵埃的成分進(jìn)行分析，并觀察塵埃的速度和方向等。

圖2為日本小天體探測規(guī)劃圖。日本的專家們認(rèn)為，“隼鳥1號”和“隼鳥2號”僅僅是其深空探測計(jì)劃的開始，日本將堅(jiān)持自主開發(fā)的理念，繼續(xù)對太陽系以及生命起源和演化進(jìn)行系統(tǒng)、有步驟的探測。這表明，日本希望以小行星探測所取得的領(lǐng)先世界水平的研究成果為契機(jī)，躋身世界深空探測領(lǐng)域的先進(jìn)行列。

圖2 日本小行星探測規(guī)劃路線圖Fig.2 Roadmap of Japan asteroid exploration

3）歐洲依托國際合作，積極推動(dòng)小行星采樣返回任務(wù)

歐洲在彗星探測方面處于領(lǐng)先地位，在小行星探測方面尚未有探測經(jīng)歷，主要依托國際合作積極推動(dòng)小行星探測任務(wù)的實(shí)施。

2004年3月2日，ESA 的“羅塞塔-菲萊”（Rosetta-Philae）探測器[24]發(fā)射成功，目標(biāo)與楚留莫夫-格拉希門克（67P/Churyumov-Gerasimenko）彗星交會(huì)并對其進(jìn)行就位探測。探測器借助了1 次火星和3次地球的引力加速，飛行了10年，于2014年11月12日，菲萊著陸在目標(biāo)彗星表面，并開展了就位探測。

在彗星探測取得重大成就的同時(shí)，歐洲也在積極推進(jìn)小行星探測任務(wù)。2015年，法國巴黎天文臺、英國開放大學(xué)和中國空間技術(shù)研究院、北京理工大學(xué)等多個(gè)國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)共同提出MarcoPolo-2D項(xiàng)目，并申請了ESA 的Cosmic Vision M4 任務(wù)，擬完成2011 SG286 小行星的樣品采樣返回，后由于多種原因沒有入選。近期歐洲科學(xué)家們也提出了主帶彗星133P探測任務(wù)和谷神星采樣返回任務(wù)。

4）中國發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)90年代初，我國就啟動(dòng)了對小行星探測的相關(guān)基礎(chǔ)研究。中國科學(xué)院天文臺系統(tǒng)對太陽系小行星開展了數(shù)10年的持續(xù)天文觀測，在小行星觀測、小行星軌道力學(xué)、星歷預(yù)測等方面具有較好的基礎(chǔ)。清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位開展了小行星探測軌道設(shè)計(jì)、暗弱天體識別與跟蹤等技術(shù)的理論研究。

2012年12月13日16:30，我國“嫦娥2號”在距地球約700 萬km 遠(yuǎn)的深空，精確實(shí)現(xiàn)與圖塔蒂斯（Toutatis/4179 號）小行星的近距離飛越探測，在國際上第一次成功獲取了該小行星的高分辨率光學(xué)圖像[25]，為我國深入開展小行星探測奠定了必要的工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

從“嫦娥2號”獲取的4179號小行星高分辨率圖像中，我們研究了該小行星的物理特性、表面特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能的起源等，發(fā)現(xiàn)圖塔蒂斯擁有不規(guī)則形狀和不平坦表面，其形似一根生姜，由較小的一端“頭部”（Head）與較大的一端“身體”（Body）組成。通過分析獲得了圖塔蒂斯表面的一些新特征，這在以往地面雷達(dá)觀測中未曾發(fā)現(xiàn)：在“身體”端部存在一個(gè)直徑大約800 m的巨型盆地，在其表面找到了超過50 處較為明顯的、大小不一的隕石坑，其中包括兩個(gè)先后產(chǎn)生在同一位置附近相互有部分遮蓋的隕坑；“頸部”則以近乎垂直角度連接著“頭部”和“身體”；其表面存在超過30 個(gè)有巨石特征的區(qū)域；通過圖像甚至可分辨出尺寸較小的線狀結(jié)構(gòu)等特征[26]（圖3）。從其結(jié)構(gòu)特征可推斷圖塔蒂斯很可能是一顆具有碎石堆結(jié)構(gòu)的密近（Close Approach）雙小行星，可能由兩個(gè)獨(dú)立小天體緩慢靠近形成，或是YORP效應(yīng)作用的結(jié)果，亦或是大規(guī)模的撞擊造成。

圖3 圖塔蒂斯表面的各種地貌特征Fig.3 Physiognomy Features of Tutattis

此外，2010年以來，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、高校在民用航天預(yù)先研究、自然基金等支持下，對小行星探測開展了研究和先期技術(shù)攻關(guān)，在小行星監(jiān)測與防御技術(shù)、小天體探測策略研究（含目標(biāo)選擇）、小行星資源開發(fā)與利用技術(shù)、弱引力小天體表面探測等方面取得了相關(guān)研究成果。

5）主要啟示

總結(jié)過去多年小行星探測的發(fā)展歷程，從已實(shí)施的任務(wù)和各國規(guī)劃中可以看出，小行星探測與月球探測、火星探測同屬21世紀(jì)深空探測的重要研究方向，具體呈現(xiàn)出以下趨勢：

（1）小行星探測已從飛越和伴飛探測發(fā)展到表面軟著陸和采樣返回探測

在小行星探測早期，由于技術(shù)原因，尚不能完成小行星表面著陸及返回探測，只能是飛越或者伴飛，小行星探測也多作為某一探測任務(wù)的拓展階段來完成。但隨著軌道設(shè)計(jì)及導(dǎo)航控制技術(shù)、先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)及表面操作技術(shù)的不斷進(jìn)步，小行星探測形式逐漸發(fā)展為就位探測和采樣返回探測，因而能夠獲得更大的科學(xué)探測成果。目前，日本已實(shí)現(xiàn)了小行星表面采樣返回，歐洲“羅賽塔-菲萊”探測器也在彗星表面對其進(jìn)行更加細(xì)致的科學(xué)研究，而美國、歐洲、日本的后續(xù)規(guī)劃中，均積極推進(jìn)著小行星采樣返回任務(wù)的實(shí)施。

（2）小行星探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)亮點(diǎn)多，新技術(shù)帶動(dòng)性強(qiáng)

小行星和彗星等太陽系小天體被認(rèn)為是太陽系形成之初的殘余物質(zhì)，可為行星起源、太陽系演化和生命起源等基礎(chǔ)重大科學(xué)研究提供重要線索。圍繞小天體，科學(xué)家提出了“有機(jī)物的起源、水的分布與來源、動(dòng)力學(xué)形成與演化、近地小行星的碰撞威脅”等前沿科學(xué)問題，這些科學(xué)問題強(qiáng)烈地吸引著科學(xué)家們的探測熱情。

小天體探測任務(wù)的實(shí)施也涉及到空間推進(jìn)技術(shù)、空間能源技術(shù)、小天體表面附著技術(shù)、微重力條件下采樣技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，而探測任務(wù)周期長、目標(biāo)距離遠(yuǎn)、目標(biāo)尺寸適中，使小天體探測成為這些新技術(shù)得天獨(dú)厚的試驗(yàn)場。美國“深空1號”探測器和日本“隼鳥號”探測器均在新技術(shù)演示驗(yàn)證中取得了重要成果，所驗(yàn)證的技術(shù)，也為各國在后續(xù)深空探測任務(wù)提供了重要的技術(shù)保障。

（3）小行星探測是航天高新科技領(lǐng)域開展國際合作的良好平臺

小天體數(shù)量眾多，軌道復(fù)雜多變，形態(tài)形狀各異，探測難度很大。任何一個(gè)國家或組織僅憑一己之力無法對眾多小行星進(jìn)行全面的研究，國際合作成為必然。如“黎明號”探測器科學(xué)載荷來自德國、意大利等多個(gè)航天部門或研究所，“羅塞塔-菲萊”探測器更是集美、法、德、意等多國之力，才完成了目前完善的科學(xué)載荷配置，國際合作將在后續(xù)小行星探測中實(shí)現(xiàn)“常態(tài)化”。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

小行星具有“微引力、不確定”的環(huán)境特點(diǎn)?！拔⒁Α笔侵感⌒行潜砻鏋槲⒁Νh(huán)境（約10-4g），逃逸速度很低；“不確定”是指小行星的先驗(yàn)知識很少，在探測器到達(dá)之前，一般只能借助天文觀測和理論假設(shè)推測其自轉(zhuǎn)周期、地形地貌、表面物理特性等，先驗(yàn)知識很少。因此，小行星采樣返回技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程與月球、火星等大行星有本質(zhì)不同，需在探月工程、火星探測基礎(chǔ)上進(jìn)一步突破一批新的核心技術(shù)，其中，精確定點(diǎn)附著控制、弱引力附著采樣、長壽命電推進(jìn)、輕小型化高速再入返回等是亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1）精確定點(diǎn)附著控制

小行星距離地球遙遠(yuǎn)，地面觀測僅可獲得基本軌道參數(shù)和少量物理特性；小行星的微弱引力場導(dǎo)致不能建立環(huán)繞軌道，所以對小行星物質(zhì)成分、形狀的分辨率十分有限，對體積大小、結(jié)構(gòu)、地形地貌、運(yùn)動(dòng)特性（旋轉(zhuǎn)軸方向、精確的旋轉(zhuǎn)周期）、引力場、磁場等物性信息幾乎是空白。傳統(tǒng)上，探測目標(biāo)及其所處環(huán)境的規(guī)律是航天器著陸導(dǎo)航的條件，但是，小行星附著探測正是為了獲得這些規(guī)律開展的科學(xué)活動(dòng)。傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式不能支持探測器在尺寸只有百米級的小行星表面安全、準(zhǔn)確地附著。

此外，小行星的星歷存在一定偏差，隨著器地距離的增加，地面測定軌的精度也顯著降低，僅依賴地面測定軌結(jié)果難以滿足探測器與小行星交會(huì)、附著的任務(wù)需求。

綜上，無論是在模型建立、控制方案還是敏感器能力方面，都要求有更高的裕度和更大的魯棒性，以適應(yīng)小行星目標(biāo)特性不確定性帶來的影響[27-28]。為了保證探測器的安全和工程任務(wù)目標(biāo)的完成，探測器應(yīng)具備高精度、高魯棒性的自主導(dǎo)航與定點(diǎn)附著控制能力[29]。

2）弱引力采樣

探測器在小行星表面附著，對小行星進(jìn)行采樣是獲取小行星信息的重要方式，需要實(shí)現(xiàn)小行星在弱引力環(huán)境下的交會(huì)、附著以及采樣等操作。從小行星資源開發(fā)與利用需求來看，長期附著將在后續(xù)任務(wù)中扮演重要角色，而表面的多點(diǎn)采樣探測將會(huì)擴(kuò)大任務(wù)的探測范圍，提高任務(wù)的回報(bào)。

小行星附著采樣過程可分為附著表面、樣品收集、樣品轉(zhuǎn)移等環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)均面臨新的問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

附著表面過程中，小行星的引力場微弱，表面逃逸速度小，最大的可能就是附著時(shí)發(fā)生反彈，失控反彈是小行星附著中最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，探測器可能發(fā)生姿態(tài)失控、翻滾甚至碰撞損壞，如何在接觸小行星的過程中維持姿態(tài)和避免失控是挑戰(zhàn)之一。

樣品收集過程中，不同于月球和火星，小行星樣品收集過程中所有物質(zhì)都基本處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，重力環(huán)境下可使用的開放式鏟、挖等方式均失效。需專門開展適應(yīng)于微引力環(huán)境的樣品收集方法，主要需解決如何約束樣品的運(yùn)動(dòng)方向等挑戰(zhàn)。

樣品轉(zhuǎn)移過程與樣品收集類似，需解決如何約束樣品運(yùn)動(dòng)方向的問題，需盡可能提高樣品轉(zhuǎn)移方法的適應(yīng)性。另外，為確保采樣成功并滿足任務(wù)要求，還需確認(rèn)樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)的最終狀態(tài)，測量樣品采集量。

小行星附著采樣過程復(fù)雜，接口約束多。上述各環(huán)節(jié)的技術(shù)挑戰(zhàn)給采樣機(jī)構(gòu)、樣品容器等系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面都帶來了較大的難度，需結(jié)合任務(wù)頂層需求，開展附著采樣系統(tǒng)一體化、精細(xì)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建集成驗(yàn)證環(huán)境，開展充分的地面試驗(yàn)及驗(yàn)證工作。

3）長壽命電推進(jìn)

探測器從地球飛行至主帶以遠(yuǎn)的目標(biāo)小行星開展繞飛探測，全過程需約8 km/s的速度增量要求。一方面探測器向主帶以遠(yuǎn)飛行，距離太陽越來越遠(yuǎn)，太陽翼功率輸出能力對應(yīng)下降，為了與不同太陽距離條件下太陽帆板輸出功率的大小相匹配，離子電推進(jìn)系統(tǒng)功率須能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行多工作點(diǎn)調(diào)節(jié)。另一方面，電推進(jìn)系統(tǒng)需具備長期連續(xù)開機(jī)工作的能力，如“黎明號”探測器離子電推力器在軌點(diǎn)火已超過3萬h；同時(shí)考慮任務(wù)過程中惡劣的環(huán)境條件，電推進(jìn)在熱設(shè)計(jì)、防塵設(shè)計(jì)等方面也需重點(diǎn)考慮。因此，小行星探測離子電推進(jìn)需能夠在寬功率范圍內(nèi)多工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，具備長期自主連續(xù)工作能力，需針對任務(wù)的具體需求和約束開展技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

4）輕小型化高速再入返回

小行星采樣返回任務(wù)中，返回器再入速度將超第二宇宙速度，達(dá)到約13 km/s；再入過程將承受最高約12 MW/m2的熱流。根據(jù)美國“星塵”“起源號”返回器的在軌數(shù)據(jù)研究，返回后體湍流熱流比層流熱流高數(shù)倍[29]。如果直接采用傳統(tǒng)的層流熱環(huán)境預(yù)測方法預(yù)估返回器再入熱環(huán)境，可能造成背風(fēng)面防熱結(jié)構(gòu)過于薄弱，再入時(shí)在湍流熱的條件下可能造成結(jié)構(gòu)燒穿，但按湍流熱設(shè)計(jì)則會(huì)造成結(jié)構(gòu)超重。針對小行星高速再入返回的任務(wù)需求和約束，需開展超高聲速超高雷諾數(shù)擾流下轉(zhuǎn)捩準(zhǔn)則研究和評估；攻關(guān)研制耐高焓、高熱流密度的功能梯度防隔熱材料和高強(qiáng)度超音速傘；開展返回器的輕量化、精細(xì)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

小行星探測“小中見大”，任務(wù)體現(xiàn)了多樣性和獨(dú)特性，聚焦探尋宇宙的起源演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)問題，反映公眾感興趣的工程基礎(chǔ)問題（資源開發(fā)及撞擊預(yù)警），已成為深空探測的熱點(diǎn)。對于開辟新疆域、揭示生命起源、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、開發(fā)天然資源、保護(hù)地球安全等方面有顯著意義，是推動(dòng)我國從航天大國走向航天強(qiáng)國，落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展國家戰(zhàn)略的重大實(shí)踐活動(dòng)之一。

小行星探測將面臨更多的新技術(shù)挑戰(zhàn)，前沿性和基礎(chǔ)性問題更多。我國利用“嫦娥2號”探測器，抓住機(jī)遇成功實(shí)現(xiàn)了對小行星“圖塔蒂斯”的飛越探測，積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)；“嫦娥5 號”飛行試驗(yàn)器”的成功實(shí)施，突破并掌握了高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)；“嫦娥5 號”將突破月球無人自動(dòng)采樣技術(shù)。這些工程成果證明我國已初步掌握了多目標(biāo)探測任務(wù)設(shè)計(jì)、探測器軌道測量、高可靠自主控制與管理、目標(biāo)捕獲等理論和技術(shù)，為開展小行星多目標(biāo)多任務(wù)探測奠定了較好的基礎(chǔ)。

小行星探測活動(dòng)能夠?yàn)閲H與區(qū)域空間合作提供良好的平臺，是我國在空間探測領(lǐng)域開展國際合作的有力抓手，科學(xué)成果和工程實(shí)踐的實(shí)現(xiàn)，能夠極大增強(qiáng)我國參與國際空間協(xié)調(diào)和活動(dòng)的能力。

小行星探測的實(shí)施將牽引我國空間科學(xué)與探測技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，在行星探測發(fā)展規(guī)劃中具有承前啟后的作用。選準(zhǔn)時(shí)機(jī)實(shí)施小行星探測任務(wù)，并獲得具有獨(dú)創(chuàng)性和世界影響力的科學(xué)成果，將進(jìn)一步推動(dòng)航天技術(shù)、空間科學(xué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破。