嫦娥六號如何帶回世界首份月背“土特產(chǎn)”

人們對月背一直充滿好奇。

1959年，蘇聯(lián)月球三號探測器成功拍攝到了月球背面的第一張照片，人們首次目睹月球背面的真容。在這張模糊的照片中，人們意識到月球背面與正面不太一樣——它的地形更加復(fù)雜，有更多的隕石坑和山脈。而且月球背面比正面要更厚，這意味著它的地殼構(gòu)造可能也不同。

近幾十年來，通過美國阿波羅系列任務(wù)、蘇聯(lián)月球系列任務(wù)和中國嫦娥系列任務(wù)，人類從月球采回了數(shù)百公斤樣品，但目前還缺乏從月球背面帶回的原位樣本，科學(xué)家們提出的一系列基本問題仍未得到解決，比如月球背面的地殼成分和結(jié)構(gòu)是什么？月球地幔的成分是什么？月球背面撞擊盆地的形成年齡是什么？

月球背面是一個巨大的謎題，等待著我們?nèi)ソ议_。其探測對于人類了解月球結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征以及宇宙起源具有重要意義。

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5月3日，嫦娥六號探測器帶著我們的好奇心出發(fā)，執(zhí)行人類首次月球背面采樣返回任務(wù)。

月背采樣返回難在哪？

過五關(guān)斬六將，精準(zhǔn)落月背

嫦娥六號和嫦娥五號就像一對“雙胞胎”，身高一樣，體重也差不多。從頭到腳打量，嫦娥六號探測器主要由上升器、著陸器、返回器、軌道器組成，四器功能各不相同。

嫦娥六號探測器（來源：航天科技集團五院）

軌道器像一輛運輸車，它承擔(dān)著探測器在不同軌道上的飛行任務(wù)，嫦娥六號飛抵月球附近，軌道器要及時“剎車”，幫助探測器進入環(huán)繞月球軌道，采樣結(jié)束完成交會對接和樣品轉(zhuǎn)移后，軌道器將在合適的時機進入月地轉(zhuǎn)移軌道，護送返回器回到地球。

返回器頭尖尖、肚圓圓，負責(zé)保護月壤，與軌道器分離后，它將獨自躍進稠密的地球大氣層，最終降落地球，平安帶回世界第一份月背“土特產(chǎn)”。

嫦娥六號探測器各部分示意（來源：@中國的航天）

上升器的主要作用是攜帶采集的月壤樣品，從月球背面起飛上升，把月壤順利交給返回器。著陸器則具備多重功能，在降落時“背負”上升器落在月球表面，降落后通過鉆取和表取兩種方式，完成月壤的采樣和封裝，采樣結(jié)束后變身發(fā)射塔架，幫助上升器完成點火起飛。

這次的月球之旅，采樣地點從月球正面變?yōu)樵虑虮趁妫虼随隙鹆柡玩隙鹚奶栆粯?，必須通過中繼星進行地月連線。同時，研制人員對嫦娥六號探測器上的部分產(chǎn)品進行檢測替換，并對導(dǎo)航控制指令進行重新設(shè)計，更好地適應(yīng)月背采樣任務(wù)需求。

鵲橋二號中繼星已經(jīng)提前2個月出發(fā)，在環(huán)月凍結(jié)軌道上等待多時。

中繼星環(huán)繞月球一圈需要24小時，當(dāng)衛(wèi)星飛到月球背面和南極上空，4.2米口徑天線指向月球背面，衛(wèi)星分別與嫦娥六號上升器、著陸器、軌道器建立聯(lián)系，0.6米口徑天線通過自帶的“手臂”轉(zhuǎn)動方向指向地球，與地面站傳遞信息；當(dāng)中繼星飛到月球正面和北極，與嫦娥六號著陸器上升器組合體短暫失聯(lián)，此時的嫦娥六號需要根據(jù)程序自主開展工作。

中繼通信示意（來源：@中國的航天）

為確保嫦娥六號探測器更可靠地工作，來自航天科技集團五院的研制人員在采樣效率方面進行改進設(shè)計，使探測器有更高的自主能力，比如，表取采樣過程設(shè)計了17個獨立的序列，器上可以自主判讀遙測數(shù)據(jù)，通過序列組合完成表取采樣全部工作，整個采樣任務(wù)可以減少約500條器地指令交互，節(jié)省約6個小時的時間……總之，探測器上的“自主”設(shè)計體現(xiàn)在全流程的方方面面。

從發(fā)表在《科學(xué)》的一篇論文中可以看到，南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常復(fù)雜，著陸區(qū)附近遍布著大大小小的高地。“作為航天工程師，我們的任務(wù)就是權(quán)衡我們的設(shè)計是不是能夠滿足任務(wù)需求。”五院嫦娥六號探測器研制人員介紹，嫦娥六號任務(wù)從技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)之一，就是探測器如何實現(xiàn)高精度地、安全地著陸。

為了充分利用已有條件，減少嫦娥六號技術(shù)狀態(tài)的變化，研制團隊突破了月球逆行軌道設(shè)計與控制技術(shù)，使嫦娥六號探測器在自東向西的環(huán)月逆行軌道上飛行，確保探測器姿態(tài)幅度調(diào)整最小、在飛行過程中技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定。

為了能夠準(zhǔn)確落在預(yù)定區(qū)域，五院研制團隊優(yōu)化軌道設(shè)計和控制，使其在預(yù)定時間精準(zhǔn)著陸在預(yù)選位置；優(yōu)化整個動力下降和著陸過程的策略，提高著陸安全性，在沒有地面控制的直接幫助下，使其能夠獨立完成任務(wù)。

為什么要進行月背采樣？

破解月球二分性之謎

由于潮汐鎖定的效應(yīng)，月球的自轉(zhuǎn)周期與繞地公轉(zhuǎn)周期保持一致，使得地球上始終只能看到月球近地一側(cè)，于是月球可見的一側(cè)被稱為月球正面，而看不到的另一側(cè)被稱為月球背面，正面和背面在表面地形地貌、元素分布和月殼厚度特征等方面均存在著巨大差異——也就是“二分性”現(xiàn)象。

著陸點要選在哪里呢？南極-艾特肯盆地吸引了眾多科學(xué)家的注意，它是月球公認(rèn)最大、最古老、最深的盆地，面積大小接近半個中國。嫦娥四號的著陸位置就位于這個大盆地里面。這個巨大區(qū)域是整個月球最令人著迷的區(qū)域。

在月球形成初期，許多大型的撞擊會破壞月殼，使深部的巖漿涌出并充填撞擊盆地而形成月海。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，南極-艾特肯盆地中并沒有像其他大型撞擊坑一樣被來自月幔的巖漿覆蓋。

“南極-艾特肯盆地是小天體直接撞擊形成的，按照現(xiàn)有的撞擊理論和模擬，這次撞擊挖掘的深度很大，應(yīng)該把深部月幔的物質(zhì)都拋射到了月球表面，但是到目前為止還未發(fā)現(xiàn)大面積出露的月幔橄欖巖，其原因還不得而知。”中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)研究所教授肖龍表示。

此外，南極-艾特肯盆地深達13公里，一些靠近南極的區(qū)域會長時間地處在陰暗之中而未受到陽光的照射，被稱為永久陰影區(qū)，那里極有可能有“水冰”存在，這為科學(xué)家們在月球上找水，甚至建立月球基地帶來了希望。

但“半個中國”的范圍太大了，具體如何選擇去哪里采集樣本？在嫦娥六號的任務(wù)中，科學(xué)家們希望在樣品中發(fā)現(xiàn)有記錄月球地質(zhì)歷史的“記憶石”，能夠記載月球上發(fā)生的火山噴發(fā)、隕石撞擊、太空風(fēng)化等一系列活動。

于是他們進一步縮小著陸區(qū)域，從科學(xué)價值和工程實現(xiàn)的角度考慮，共同鎖定了一塊位于南極-艾特肯盆地的平坦地形區(qū)域——阿波羅撞擊坑內(nèi)部平原。

“確定阿波羅盆地內(nèi)部火山活動的時間和成分特征，就可以推斷出在那個時間段月球的熱狀態(tài)，以及深部的物質(zhì)組成，從而反演月球的形成及演化歷史，這是一環(huán)套一環(huán)的過程。”肖龍介紹。

從科學(xué)認(rèn)知角度來看，科學(xué)家們通過分析阿波羅撞擊坑樣品數(shù)據(jù)，可以建立全月火山活動的年齡框架，更好地分析月球背面和正面在火山活動方面存在的差異，進一步解開月球二分性之謎。而從應(yīng)用價值角度來看，科學(xué)家們還會在這里繼續(xù)尋找可能存在的氦-3和水冰等揮發(fā)物資源，為未來的深空探索提供重要的科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

如何做到人類首次？

“嫦娥”書寫人類探月新篇章

千里之行，始于足下。今年是中國探月工程立項20周年，憑借此前扎實的積累，中國航天踏上人類首次月背采樣的征途。

2007年，嫦娥一號環(huán)月飛行，全方位研究了月球的總體情況。

3年后，備份星嫦娥二號再出發(fā)，獲得了當(dāng)時世界上最清晰的7米分辨率全月球影像圖和三維立體模型圖，重點區(qū)域的影像分辨率達到1米，為后續(xù)落月任務(wù)打下基礎(chǔ)。

2013年，嫦娥三號成功著陸在月球正面，中國成為世界上第三個實現(xiàn)地外天體軟著陸的國家。

時隔5年，在鵲橋中繼星的協(xié)助下，備份星嫦娥四號順利登陸月球背面南極-艾特肯盆地，實現(xiàn)了人類首次在月球背面的軟著陸，并開展著陸器的就位探測和月球車的巡視勘察。

2020年，嫦娥五號順利采樣返回，人類在時隔44年后再次獲取月球樣品，對月球的開發(fā)利用進入新一輪熱潮。

中國科學(xué)院院士、中國探月工程月球科學(xué)應(yīng)用首任首席科學(xué)家歐陽自遠在公開演講中介紹，我國對于月球探測的整體戰(zhàn)略部署可以歸納為“探、登、駐”，探指的是無人月球探測，登指的是建立月球科研站，實現(xiàn)載人登月，駐指的是建設(shè)月球基地開發(fā)和駐扎。探月工程“繞、落、回”圓滿完成，未來，“登”和“駐”將成為新的時代課題。

站在前輩的肩膀上，嫦娥六號有能力完成月背采樣返回任務(wù)，中國航天有勇氣不斷超越自我、探索未知。

探測月球的意義在哪里？正如中國科學(xué)院院士、航天科技集團五院技術(shù)顧問葉培建所言，面對當(dāng)今世界局勢，探月、探火的意義已經(jīng)遠遠超過科學(xué)探索本身，它是大國力量的象征。

嫦娥六號任務(wù)積極開展國際合作，最終確定了歐空局月表負離子分析儀、法國月球氡氣探測儀、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4個國際搭載項目。

巴基斯坦的立方星搭載在軌道器上，在嫦娥六號進入月球軌道后，立方星將被釋放，獨立進行科學(xué)探測。

意大利的激光角反射鏡，將成為人類第一個放置在月球背面的固定標(biāo)識點。此前，人類曾將激光反射鏡放置在月球正面，科學(xué)家由此開展了地月距離測量等一系列長期實驗，并發(fā)現(xiàn)了月球以每年3.8厘米的速度離開地球。

氡是地球土壤和月球土壤都會釋放的一種放射性氣體，氡氣探測器可以讓我們更了解星球土壤和大氣中氣體的遷移，從而進一步追蹤月球上水的蹤跡。

月表負離子分析儀，將進行月表原位反向散射和濺射負離子探測，由此開展行星科學(xué)的基礎(chǔ)問題研究。

中國探月工程向來重視國際合作，中國探月的合作之門始終敞開。國家航天局《中國的航天》白皮書中指出，和平探索、開發(fā)和利用外層空間是世界各國都享有的平等權(quán)利。中國已向國際開放嫦娥五號月球科研樣品申請，并將在后續(xù)探月工程四期、行星探測工程相關(guān)任務(wù)中面向世界公開征集合作機遇。

伴隨新一輪探月熱潮，嫦娥六號月背采樣任務(wù)將拓展人類對月球的認(rèn)知邊界，中國也將再一次為世界月球科學(xué)作出新的重大貢獻。嫦娥六號探測任務(wù)，不僅是中國探月計劃的一部分，更是人類對宇宙的探索之旅。

未來，嫦娥七號、嫦娥八號也將繼續(xù)前行。它們的目標(biāo)，或許是月球南極的極地區(qū)域，或許是月球上的洞穴。它們將帶著更先進的科學(xué)儀器、更精準(zhǔn)的任務(wù)目標(biāo)，繼續(xù)揭開月球的神秘面紗。

（原標(biāo)題：嫦娥六號如何帶回世界首份月背“土特產(chǎn)”）

【責(zé)任編輯：李彥昆】

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