經(jīng)過(guò)53天的太空“出差”,2024年6月25日,嫦娥六號(hào)探測(cè)器攜帶1935.3克月球樣品著陸在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng),成為世界第一個(gè)完成月球背面采樣返回的探測(cè)器。
飛向月球的大門(mén)一經(jīng)打開(kāi),深空探測(cè)的腳步就不會(huì)停止。一次次向著月球出發(fā),“嫦娥”的每一次抵達(dá),留給我們的都是驚嘆。
月球背面對(duì)于人類(lèi)而言,是“秘境中的秘境”。
由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等,所以人類(lèi)在地球上只能看見(jiàn)月球的正面。
從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,人類(lèi)陸續(xù)向月球發(fā)射了100多個(gè)探測(cè)器,但國(guó)外還從沒(méi)有探測(cè)器在月球背面著陸,開(kāi)展過(guò)就位探測(cè)、巡視探測(cè)或采樣返回探測(cè)。
1962年4月26日,美國(guó)“徘徊者4號(hào)”探測(cè)器撞擊月球背面,成為首個(gè)在月球背面硬著陸的探測(cè)器,但并未傳回任何數(shù)據(jù)。
2018年,中國(guó)通過(guò)發(fā)射嫦娥四號(hào)任務(wù)“鵲橋”中繼星,為次年在月球背面著陸的嫦娥四號(hào)提供地月信息聯(lián)通的“天橋”。2019年,嫦娥四號(hào)成功著陸在了月背,著陸區(qū)是月球南極-艾特肯盆地正面的馮·卡門(mén)撞擊坑。艾特肯盆地是太陽(yáng)系中已知最大的撞擊坑之一,也被公認(rèn)為月球上最古老、最深的撞擊盆地。
與月球正面相比,月球背面有更多撞擊坑,月背起伏大、地勢(shì)較高,表面更加粗糙,與月球正面元素分布也存在很大的差異,科學(xué)家對(duì)造成差異的原因給出了多種推論。雖然人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)展了100多次月球探測(cè),但對(duì)月球的起源和演化過(guò)程依然存在許多認(rèn)識(shí)空白。因此,對(duì)月球背面進(jìn)行采樣返回探測(cè)具有重要的科學(xué)意義。

嫦娥六號(hào)在月球背面的月球南極-艾特肯盆地的阿波羅撞擊坑內(nèi)進(jìn)行著陸采樣。該盆地的地質(zhì)年齡距今超過(guò)42億年,保存了月球上古老的巖石,在這里進(jìn)行采樣返回探測(cè)具有很高的科研價(jià)值。
從這里采集月球樣品返回后,科學(xué)家可在實(shí)驗(yàn)室用多種先進(jìn)儀器分析不同地域、不同年齡月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成,從而更加全面地認(rèn)識(shí)月球,深化對(duì)月球的成因和演化、太陽(yáng)系的起源等方面的研究。
嫦娥六號(hào)填補(bǔ)了人類(lèi)獲取月球背面樣本的空白,開(kāi)啟了月球正面與背面的演化差異、電磁場(chǎng)演化和地球大氣演化等重要科學(xué)研究的全新視角,對(duì)月球科學(xué)新突破具有獨(dú)特的價(jià)值,有望在太陽(yáng)系早期撞擊歷史、月球背面的火山活動(dòng)和月球地質(zhì)演化等重大科學(xué)問(wèn)題上取得新的認(rèn)識(shí),進(jìn)一步拓展人類(lèi)對(duì)月球乃至太陽(yáng)系的認(rèn)知。
嫦娥六號(hào)是我國(guó)探月工程四期的第二次重要任務(wù),任務(wù)的工程目標(biāo)包括突破月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù),月球背面智能快速采樣技術(shù)和月背起飛上升技術(shù),實(shí)現(xiàn)月球背面自動(dòng)采樣返回,同時(shí)開(kāi)展有效的國(guó)際合作。其科學(xué)目標(biāo)是在月球背面南極-艾特肯盆地著陸點(diǎn)開(kāi)展區(qū)域形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察,獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)據(jù),建立現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,以及對(duì)月球背面樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究,分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成等,深化月球成因和演化歷史的研究。

與嫦娥五號(hào)的構(gòu)造基本相同,嫦娥六號(hào)由軌道器、返回器、著陸器和上升器4部分組成。它比嫦娥五號(hào)搭載了更多的科學(xué)載荷,配置了3臺(tái)國(guó)內(nèi)科學(xué)載荷和4臺(tái)國(guó)外載荷,因此嫦娥六號(hào)不僅可以在月球背面采樣返回,也能在那里進(jìn)行廣泛的原位科學(xué)探測(cè)。
在著陸器上裝的國(guó)內(nèi)的全景相機(jī)用于獲取著陸區(qū)和采樣區(qū)的高分辨率月表圖像;月球礦物光譜分析儀用于獲取月表采樣區(qū)的光譜數(shù)據(jù),進(jìn)行著陸區(qū)的月表礦物組分的分析研究;月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀用于探測(cè)月表地下的月壤結(jié)構(gòu),同時(shí)為鉆取采樣過(guò)程提供信息支持。這些分析數(shù)據(jù)將和后續(xù)的樣品實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)系,能夠豐富和拓展月球樣品實(shí)驗(yàn)室的研究成果。
在著陸器上裝的法國(guó)的氡氣探測(cè)儀用于對(duì)月球表面氡氣同位素開(kāi)展原位探測(cè),研究揮發(fā)物在月球環(huán)境下傳輸和擴(kuò)散機(jī)制。在著陸器上裝的歐洲航天局的月表負(fù)離子分析儀用于對(duì)月球表面負(fù)離子進(jìn)行探測(cè),探測(cè)負(fù)離子對(duì)空間、表面和行星體的重要性,研究等離子體和月面的相互作用機(jī)制。巴基斯坦的立方星用于開(kāi)展在軌成像任務(wù)。在著陸器上裝的意大利的激光角反射器用于激光測(cè)距,作為在月球背面的定位絕對(duì)控制點(diǎn)。


與嫦娥五號(hào)任務(wù)在月球正面采樣返回相比,嫦娥六號(hào)任務(wù)是在鵲橋二號(hào)月球中繼星的支持下,在世界上首次實(shí)施月球背面采樣返回,為此突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、月球背面智能快速采樣和月球背面起飛上升三大關(guān)鍵技術(shù)。
由于是在月球背面著陸,嫦娥六號(hào)沒(méi)有沿著嫦娥五號(hào)開(kāi)辟的道路前往,而是重新選擇了一條最優(yōu)軌道。這是由于嫦娥六號(hào)是在月球背面著陸,而且著陸位置由嫦娥五號(hào)的北緯地區(qū)變?yōu)槟暇暤貐^(qū)。如用嫦娥五號(hào)的環(huán)月順行軌道方案,著陸時(shí)會(huì)比嫦娥五號(hào)出現(xiàn)受曬面調(diào)轉(zhuǎn)180°的情況,從而會(huì)影響采樣過(guò)程中的能源供給等。為了在不大幅調(diào)整探測(cè)器的構(gòu)型布局和硬件產(chǎn)品的前提下,順利化解因著陸點(diǎn)變化帶來(lái)的朝向、姿態(tài)等問(wèn)題,設(shè)計(jì)師們?yōu)殒隙鹆?hào)探測(cè)器重新設(shè)計(jì)了一條環(huán)月軌道—“逆行環(huán)月軌道”方案。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是探測(cè)器在環(huán)月軌道上的飛行方向與月球自轉(zhuǎn)方向相反。這樣一來(lái),無(wú)需調(diào)整探測(cè)器設(shè)計(jì)方案,就能保證它隨時(shí)隨地“能量十足”。


嫦娥六號(hào)完成世界首次月球背面采樣,且采樣區(qū)域靠近南極。與嫦娥五號(hào)相比,嫦娥六號(hào)的任務(wù)有三個(gè)特點(diǎn):月球背面相對(duì)地球不可見(jiàn),為保證數(shù)傳鏈路的連續(xù)性,需要靠鵲橋二號(hào)中繼星搭橋;由于著陸緯度更高一點(diǎn),與低緯度相比,月壤的風(fēng)化程度更加不充分,月壤中的石塊含量更多,這對(duì)地面的規(guī)劃以及采樣機(jī)構(gòu)的挑戰(zhàn)更大;采樣時(shí)間比嫦娥五號(hào)更短,整體工作流程更復(fù)雜。
因?yàn)樵虑虮趁嬷欣^通信時(shí)長(zhǎng)受限,嫦娥六號(hào)表取采樣時(shí)間比嫦娥五號(hào)縮短了許多。為此,“嫦娥”團(tuán)隊(duì)設(shè)法提高了采樣效率。與嫦娥五號(hào)相比,嫦娥六號(hào)在快速化、智能化和自主化方面有了很大的改進(jìn)。
為了提高采樣自主性和工作效率,“嫦娥”團(tuán)隊(duì)為表取采樣過(guò)程設(shè)計(jì)了17個(gè)獨(dú)立的序列程序,探測(cè)器能自主判讀遙測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)序列程序組合完成表取采樣全部工作。整個(gè)采樣任務(wù)減少了約500條探測(cè)器和地面實(shí)驗(yàn)室的指令交互,從而縮短了采樣時(shí)間。

針對(duì)月背著陸區(qū)月壤特性,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了適應(yīng)月球背面采樣的控制算法和采樣策略,進(jìn)一步提高了采樣的智能化、自動(dòng)化程度,進(jìn)一步增強(qiáng)了月壤采樣效率、采樣能力和在軌工作可靠性。同時(shí),還為著陸-上升組合體量身設(shè)計(jì)了自主月面工作狀態(tài)設(shè)置、自主定位、應(yīng)急自主采樣和自主起飛等功能,使工作效率得到大幅提升。
6月4日,嫦娥六號(hào)攜帶的“移動(dòng)相機(jī)”自主移動(dòng)并成功拍攝、回傳著陸器和上升器合影。該“移動(dòng)相機(jī)”是月面自主智能微小機(jī)器人,重5公斤,可在月表自主智能移動(dòng)。在嫦娥六號(hào)奔月和落月過(guò)程中,這臺(tái)小機(jī)器人一直被懸掛在著陸器的側(cè)板外。嫦娥六號(hào)完成月背采樣后,這臺(tái)小機(jī)器人自主分離到月球表面,自主移動(dòng)到合適的拍攝位置、自主選擇拍攝角度和自主構(gòu)圖并進(jìn)行成像位置的智能優(yōu)化,最終拍攝了著陸-上升組合體在月球背面的第三視角真實(shí)圖像。
嫦娥六號(hào)任務(wù)的完成,使中國(guó)成為世界上唯一一個(gè)兩度著陸月球背面的國(guó)家,也是人類(lèi)首次從月球背面成功采集月壤。中國(guó)的這一歷史性創(chuàng)舉,不僅代表著中國(guó)在航天領(lǐng)域的技術(shù)突破,更意味著為人類(lèi)探月補(bǔ)上了一塊重要拼圖。作為多個(gè)國(guó)家“集體勞動(dòng)”的成果,嫦娥六號(hào)的意義超越了國(guó)界。它標(biāo)志著人類(lèi)團(tuán)結(jié)合作、和平利用外空的歷史性進(jìn)步,它也讓人們對(duì)中國(guó)2030年前實(shí)現(xiàn)載人登月、2040年前建成一個(gè)完善型的國(guó)際月球科研站增添了更多信心與期待。

(本文作者系全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家,未署名圖片由國(guó)家航天局提供。)