“六姑娘”月背探險(xiǎn)之旅

小編：小新，最近全國(guó)各地都在“曬”的“超級(jí)月亮”你看了嗎？

小新：當(dāng)然，今年我國(guó)共有四次“超級(jí)月亮”，我每次都看得“沉醉不知?dú)w路”。

小編：古往今來，無數(shù)文人墨客望月抒懷，但時(shí)至今日我們對(duì)這位“近鄰”的認(rèn)識(shí)依然有限，尤其對(duì)月球的背面知之甚少。

小新：的確如此，月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，既幸運(yùn)也不幸地被地球潮汐“鎖定”，使得它的自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度逐步趨同，始終只能“直面”地球。但別著急！繼嫦娥五號(hào)奔月采樣后，我國(guó)探月工程又派出了一位勇敢的探路者——嫦娥六號(hào)，圓滿完成了人類前所未有的月背采樣任務(wù)。我們距離解開月球的奧秘又近了一步。

小編：哇，據(jù)說這次“嫦娥家族”“六姑娘”的壯舉不僅科技范兒十足，搭載的4個(gè)國(guó)際載荷也展現(xiàn)出滿滿的國(guó)際范兒。本期，就讓我們一起來重溫我國(guó)的探月足跡，走近這次看似輕松浪漫，實(shí)則驚險(xiǎn)刺激的月背探險(xiǎn)之旅吧。

月球承載著太陽(yáng)系起源和演化的奧秘，蘊(yùn)藏著豐富的資源，是人類開拓太空新領(lǐng)域、走向深空的“前哨站”。1958年，蘇聯(lián)發(fā)射了首個(gè)月球探測(cè)器，拉開了人類探測(cè)月球的序幕。2004年，我國(guó)“嫦娥工程”探月計(jì)劃正式啟動(dòng)，從此，科學(xué)家們對(duì)月球的探索越來越深入。

從嫦娥一號(hào)拍攝的世界首張全月球影像圖，到嫦娥三號(hào)成功實(shí)現(xiàn)落月夢(mèng)想，從嫦娥四號(hào)叩問“廣寒”，實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸，到嫦娥五號(hào)“蟾宮”折桂，首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)地外天體采樣返回，再到本次“六姑娘”又赴“霄漢”實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回，“嫦娥家族”派出的精兵強(qiáng)將個(gè)個(gè)戰(zhàn)績(jī)輝煌，中國(guó)探月之旅精彩紛呈。

月面、月背大不同

在此次月背采樣之前，人類已開展100多次月球探測(cè)和10次月球正面采樣返回，但仍然對(duì)月球起源和演化過程存在眾多疑問，月背或藏著更多新知。

月球由月核、月幔、月殼等結(jié)構(gòu)組成，月面地勢(shì)總體較平緩，環(huán)形山較少，從地球上看，這些區(qū)域的反射光線亮度較其他區(qū)域弱，呈陰暗狀態(tài)，被科學(xué)家稱為“月海”。相比之下，月背的“月海”地形較少，取而代之的是緊密分布的撞擊坑、環(huán)形山，地勢(shì)起伏劇烈，高山、高原、溝壑隨處可見。

月背有著月球三大地體之一的南極-艾特肯盆地，它大約形成于42億年前的一次巨大撞擊，是被公認(rèn)的月球上最大、最古老、最深的盆地。月面采樣通常只能獲取最外層的風(fēng)化層月壤樣品，而此次去到的月背南極-艾特肯盆地，或在遭受撞擊時(shí)將原本存在于月球深部的物質(zhì)“翻”到月表，有助于人類采集到年代更久遠(yuǎn)的月壤樣品，更好地研究月球演化等科學(xué)問題。

嫦娥六號(hào)此次的著陸點(diǎn)位于南極-艾特肯盆地中的一個(gè)“盆中之盆”，如果以月核為圓心將月球一分為二，這里剛好與嫦娥五號(hào)的落點(diǎn)大致呈中心對(duì)稱關(guān)系。

將月背采集的土壤樣品與月面的土壤樣品進(jìn)行比照研究，有助于進(jìn)一步分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成等，深化人類對(duì)月球成因和太陽(yáng)系演化歷史的認(rèn)知，為進(jìn)一步解開地月的一系列奧秘強(qiáng)勢(shì)助力。

月背采樣不容易

受限于月背險(xiǎn)峻的地形和通信障礙，“六姑娘”此行時(shí)間緊、任務(wù)重，要想取回“宇宙快遞”可謂困難重重。從地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)到環(huán)月飛行、下降著陸，再到重返地球，此次任務(wù)共花費(fèi)了53天，先后經(jīng)歷了11個(gè)環(huán)環(huán)相扣的飛行階段，好比一場(chǎng)深空“接力賽”。

上天之“頭等大事”

為適應(yīng)新的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為“六姑娘”量身定制了由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成的升級(jí)版“戰(zhàn)袍”，全重超過8噸，成為我國(guó)迄今最重的一顆深空探測(cè)器。如何將“六姑娘”送往月背，成為頭等大事。

為滿足這位重量級(jí)“乘客”的需求，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭進(jìn)行了多項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝改進(jìn)。借助“窄窗口多軌道”發(fā)射技術(shù)，連續(xù)兩天、每天50分鐘的窗口內(nèi)設(shè)計(jì)的10條奔月軌道，更好地把握住了發(fā)射窗口，助其順利進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

萬里通信“鵲橋”牽

月背不僅難以從地球上觀測(cè)到，還常常“不在服務(wù)區(qū)”，任何飛往月背的探測(cè)器都無法直接實(shí)現(xiàn)與地球的測(cè)控通信和數(shù)據(jù)傳輸。要想抵達(dá)月背并實(shí)施采樣，建立可靠的通信鏈路是關(guān)鍵。預(yù)先部署在軌道上的“鵲橋二號(hào)”不僅提高了地月之間的通信覆蓋能力，還有著較強(qiáng)的靈活性和任務(wù)擴(kuò)展能力，作為探秘月球的最強(qiáng)“傳聲筒”，為地球與月背的互通互聯(lián)“牽線搭橋”。

“太空剎車”是關(guān)鍵

為使自身相對(duì)速度低于月球逃逸速度，從而被月球引力捕獲，“六姑娘”在飛臨月球附近時(shí)，通過“太空剎車”成功投入了月球的“懷抱”。然而，實(shí)現(xiàn)“太空剎車”并不簡(jiǎn)單：若“剎車”力度不夠，未能成功減速的“六姑娘”很可能滑入太空“流浪”；若“剎車”過猛，“六姑娘”則可能撞向月球。因此，這腳“太空剎車”是成功落月的關(guān)鍵。

近月制動(dòng)后，嫦娥六號(hào)就進(jìn)入了環(huán)月逆行軌道，意味著其環(huán)月飛行的方向與月球的自轉(zhuǎn)方向相反，這樣能提升探測(cè)器與月球之間的相對(duì)速度，讓探測(cè)器更好地穩(wěn)定在環(huán)月軌道上。

“兩次避障”算法強(qiáng)

“六姑娘”先后兩次的障礙識(shí)別與落點(diǎn)選擇，得益于“粗精接力避障”技術(shù)，這其中，算法是精髓。月背不如月面那樣平坦，著陸區(qū)的選擇及精準(zhǔn)著陸是任務(wù)的難題之一。

在落月過程中，著陸器和上升器組合體（著上組合體）通過隨時(shí)修正降落姿勢(shì)，在對(duì)預(yù)定著陸區(qū)域進(jìn)行拍照分析后再前往著陸區(qū)域，完成第一次“粗避障”。在距離月面更近的預(yù)定高度時(shí)，著上組合體還能實(shí)現(xiàn)短暫懸停，再次對(duì)月面進(jìn)行拍照并精準(zhǔn)規(guī)避障礙，確定最終落點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)第二次“精避障”。

“纖纖美腿”落輕盈

從發(fā)射到返回地面，嫦娥六號(hào)整個(gè)任務(wù)時(shí)長(zhǎng)較嫦娥五號(hào)多了30天，這主要是用于等待合適的落月時(shí)機(jī)。

“六姑娘”落月前需調(diào)整環(huán)月軌道高度和傾角，再選擇時(shí)機(jī)使軌道器和返回器組合體（軌返組合體）與著上組合體分離。隨后，著上組合體實(shí)施月球背面著陸。最后一落還得益于四條輕質(zhì)、高強(qiáng)的“纖纖美腿”——“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”的助力。每條著陸腿都由主腿、副腿和足墊組成，它們各有分工，協(xié)同工作。主、副腿在著陸時(shí)能支撐探測(cè)器，有效吸收沖擊能量。搭配的四個(gè)盆狀結(jié)構(gòu)的足墊，不僅能起到很好的緩沖作用，還能防止探測(cè)器在著陸時(shí)“摔倒”。

成功采樣我看“中”

受限于中繼通信的通信時(shí)長(zhǎng)，“六姑娘”在月面停留的48小時(shí)里，實(shí)際“挖土”的時(shí)間不到14小時(shí)，她不僅要克服測(cè)控、光照、電源等難題，還要“快、準(zhǔn)、狠”地完成多點(diǎn)、多樣化自動(dòng)采樣。隨著采樣步驟的序列化合并，一個(gè)指令即可助她完成多步操作。機(jī)械臂的同步提速以及采樣路徑的優(yōu)化共同提高了采樣效率。

此外，首次獨(dú)立動(dòng)態(tài)展示用玄武巖熔融拉絲技術(shù)制成的國(guó)旗，在月背“自拍”打卡發(fā)“朋友圈”……“六姑娘”一件也沒落下。

從月背飛離，“六姑娘”還需借助中繼星，在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)這位經(jīng)驗(yàn)豐富的“駕駛員”的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)自主定位、定姿，完成上升器上升和入軌的動(dòng)作。飛離時(shí)留下的“中”字印記，正是她完美表現(xiàn)的最好見證。

“太空水漂”助回歸

返回階段，“六姑娘”還利用半彈道跳躍式返回技術(shù)在星際上演了一場(chǎng)“太空水漂”。“太空水漂”的最大風(fēng)險(xiǎn)在于第一次進(jìn)入大氣層。其間，既要利用大氣層阻力盡量降低返回器速度，又要保證返回器有足夠“力氣”再次躍入太空，同時(shí)還要讓返回器保持一定的飛行路徑，并能在固定位置穿過大氣層。

高速進(jìn)入大氣層的嫦娥六號(hào)返回器，穿著加工難度極高的“金鐘罩鐵布衫”，經(jīng)受住了高溫?zé)频目简?yàn)，在降落傘兩次綻放的“紅白傘花”的護(hù)佑下，載譽(yù)歸來。

2024年6月25日14時(shí)07分，嫦娥六號(hào)返回器準(zhǔn)確著陸于內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗預(yù)定區(qū)域，圓滿完成了既定任務(wù)。本次任務(wù)搭載了歐空局月表負(fù)離子分析儀、法國(guó)氡氣探測(cè)儀、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4個(gè)國(guó)際載荷，務(wù)實(shí)高效的國(guó)際合作受到國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注和好評(píng)，更彰顯了我國(guó)作為航天大國(guó)自信、開放、包容的心態(tài)。未來，深空探測(cè)越發(fā)成為大國(guó)空間戰(zhàn)略博弈的主戰(zhàn)場(chǎng)，圍繞深空科技制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，新一輪載人登月任務(wù)正在拉開大幕。

（本文由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任倪向貴審核把關(guān)）

（欄目編輯" 方郁芝）