嫦娥六號：智力爆表的月球探險家

人類對于月球一直有著濃厚的興趣。這個距離地球最近的“鄰居”，因其獨特的地理位置和物質(zhì)資源，被我們當作地外探索的首要目標。由于地球的潮汐作用，月球始終只有一面正對著地球。因為技術(shù)的限制，在月球背面實現(xiàn)軟著陸的難度很大，令絕大多數(shù)國家望而卻步。2018年，中國派出嫦娥四號打前站，成功實現(xiàn)了人類航天史上首次在月球背面的軟著陸。

如今，嫦娥家族的“老六”成功從月球背面的南極- 艾特肯盆地采回了樣品。它需要在地面無法直接干預(yù)的情況下，完成月背著陸、地月通信、采樣和返程，嫦娥六號的智能化和自主化程度可不容小覷！

逆向而行的征途

嫦娥六號在發(fā)射后，通過地月軌道到達月球，在靠近月球的位置實施近月制動——也就是通過“太空剎車”實現(xiàn)減速，使其能夠被月球引力捕獲，進入月球軌道。在繞月飛行的路線規(guī)劃方面，與之前的嫦娥五號探月方式不同，嫦娥六號采用的是“逆行環(huán)月軌道”，這是怎么一回事呢？

逆行軌道指的是飛行器繞月飛行的方向與月球自轉(zhuǎn)方向相反。這一巧妙的設(shè)計在嫦娥六號任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。嫦娥六號和嫦娥五號的結(jié)構(gòu)設(shè)計大致相同，探測器都配有采樣裝置和鉆取裝置：采樣裝置設(shè)在陽面，光照條件適合其對月表拍照，確認采樣地點；鉆機則設(shè)置在陰面，有利于控制機器的運行溫度，不因為過熱而造成機器損耗。

如果嫦娥六號和嫦娥五號一樣采用環(huán)月順行的方式，當探測器在月球南半球著陸時，原本按設(shè)計應(yīng)該處于陰面的裝置會暴露在光照中，而應(yīng)該處于陽面的裝置會處于陰影下，這將影響探測器的正常運轉(zhuǎn)。航天設(shè)計師們經(jīng)過再三考慮，在不對硬件設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進行大幅度調(diào)整的情況下，通過調(diào)轉(zhuǎn)飛行軌道的方向，巧妙地化解了因著陸點變化而帶來的設(shè)備朝向問題。

自主執(zhí)行的硬實力

嫦娥六號由軌道器、著陸器、上升器、返回器四個部分組成。進入環(huán)月飛行階段后，“四兄弟”兩兩結(jié)對工作：著陸器和上升器的組合體將經(jīng)過多次變軌，做好降落準備；軌道器和返回器的組合體則在環(huán)月軌道上等待上升器的歸來。

嫦娥六號的落月位置頗有講究，需要在復(fù)雜的月表環(huán)境下找到一個既符合著陸要求，又滿足上升器月面起飛條件的落點。為了給取土和起飛創(chuàng)造良好條件，集制導(dǎo)（Guidance）、導(dǎo)航（Navigation） 與控制（Control） 功能于一身的GNC 系統(tǒng)功不可沒。有了它，嫦娥六號就好像擁有了“自動駕駛功能”，能明確知道自己“在哪兒”“要去哪兒”和“怎么去”。不僅如此，嫦娥六號還挾帶了許多敏感器，這些敏感器就像是探測器的眼睛和耳朵，通過光學(xué)、微波等方式進行多方位的分析，為選擇安全的著陸點提供準確的信息。

在這些好幫手的共同努力下，嫦娥六號更好地發(fā)揮了粗精接力避障技術(shù)。當下降到距離月球表面兩三千米的時候，“著上組合體”會利用光學(xué)成像敏感器（也就是我們常說的相機）進行粗避障，對預(yù)定著陸區(qū)域拍照分析，初步規(guī)避障礙物。當“著上組合體”下降到距離月球表面約110米到90米時，就進入懸停狀態(tài)，由激光三維成像敏感器實現(xiàn)精避障。這個敏感器可以在1/4 秒內(nèi)對一片50×50米的預(yù)選區(qū)域進行三維掃描，精度之高甚至可以識別0.2米的坑，從而精確避開障礙，選定嫦娥六號的最終落點。

通信傳話的小幫手

盡管嫦娥六號有強大的自主控制能力，但一些關(guān)鍵的指令還是需要地面中心來下達。嫦娥六號的落點在月背，最大的問題就是地月之間的通信不順暢。當探測器行至月球背面，不在地面站的觀測范圍內(nèi)，地面上的指令要怎樣傳達給它呢？

在這樣的情況下，就需要將一顆中繼衛(wèi)星安置在既能看到月球背面又能看到地球的地方，從而架起地月通信的“橋梁”。在本次探月任務(wù)中，鵲橋二號中繼衛(wèi)星就起到了“傳話筒”的關(guān)鍵作用。此次發(fā)射的鵲橋二號裝有一個直徑4.2米的“傘狀”天線，用于與在月球背面著陸的探測器通信，另外還有一個直徑0.6 米的天線，用于向地面站傳輸數(shù)據(jù)。

經(jīng)過精心的軌道設(shè)計和調(diào)相控制，在嫦娥六號著陸月球采樣的兩天內(nèi)，鵲橋二號中繼衛(wèi)星每天可以提供20 小時以上連續(xù)、穩(wěn)定的通信保障服務(wù)，同時還確保了探測器與地面控制中心之間的實時數(shù)據(jù)傳輸，將地面發(fā)出的各類指令快速傳達給嫦娥六號，使得月背探測“一切盡在掌握”。

“打著水漂兒”回地球

采樣成功后，上升器脫離著陸器，獨自進入環(huán)月飛行軌道，與軌道器返回器組合體相會，完成樣品的安全轉(zhuǎn)移。接下來，如何從月球安全返回地球，是對嫦娥六號的又一項艱巨挑戰(zhàn)。

在接近大氣層時，返回艙的速度接近第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。而地球表面有厚厚的大氣層，返回艙以極高的速度進入大氣時，因為摩擦會產(chǎn)生極大的熱量。如果不加以控制，樣本和設(shè)備都會面臨損毀的風險。

嫦娥六號的設(shè)計團隊采用了“半彈道跳躍式再入”的返回方式，這一過程類似于我們小時候玩的“ 打水漂兒”。返回艙進入大氣層時并不是一股腦兒沖下來，而是以一個相對較小的角度切入大氣層邊緣。利用自身的升力和大氣層密度的變化，返回艙在大氣層邊緣彈跳，逐漸降低返回的速度、減少熱量對返回艙的沖擊。

這樣做的另外一個好處是可以減少航天器的防熱層厚度和重量，能騰出空間挾帶更多的樣本回家。同時，整個減速的過程也為任務(wù)控制中心提供了更多時間進行計算和調(diào)整，確保返回艙保持在最佳的飛行軌跡上。

除了自身硬核的實力，嫦娥六號還搭載了來自法國的月球氡氣探測儀、歐空局的月表負離子分析儀、意大利的激光角反射器、巴基斯坦的立方星這些國際載荷。這是中國外空探索的又一重要里程碑，不僅為揭開月球的神秘面紗，也為人類未來在月球建設(shè)和探索提供了重要的參考依據(jù)。相信隨著技術(shù)的進步和人類對宇宙的探索不斷深入，我們在月球資源開發(fā)、太空旅游等領(lǐng)域會取得更多突破和進展。