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太空探索无止境 九天揽月启新程

2024-07-17      特约撰文 庞之浩

  2024年6月25日14时7分,嫦娥六号返回器携带来自月背的月球样品安全着陆在内蒙古四子王旗预定区域,探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功。 摄影 贝赫/新华社

  经过53天的太空“出差”,2024年6月25日,嫦娥六号探测器携带1935.3克月球样品着陆在内蒙古四子王旗着陆场,成为世界第一个完成月球背面采样返回的探测器。

  飞向月球的大门一经打开,深空探测的脚步就不会停止。一次次向着月球出发,“嫦娥”的每一次抵达,留给我们的都是惊叹。

  2024年5月3日,嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射,之后准确进入地月转移轨道,发射任务取得圆满成功。 视觉中国 供图

  月球探秘 意义非凡

  嫦娥六号探测器由中国航天科技集团五院抓总研制。嫦娥六号的研制团队突破了包括月球逆行轨道的设计与控制、月背智能采样、月背自主起飞等相关关键技术,实现了可靠、安全的月背采样返回。

  月球背面对于人类而言,是“秘境中的秘境”。

  由于月球自转周期和公转周期相等,所以人类在地球上只能看见月球的正面。

  从20世纪50年代开始,人类陆续向月球发射了100多个探测器,但国外还从没有探测器在月球背面着陆,开展过就位探测、巡视探测或采样返回探测。

  1962年4月26日,美国“徘徊者4号”探测器撞击月球背面,成为首个在月球背面硬着陆的探测器,但并未传回任何数据。

  2018年,中国通过发射嫦娥四号任务“鹊桥”中继星,为次年在月球背面着陆的嫦娥四号提供地月信息联通的“天桥”。2019年,嫦娥四号成功着陆在了月背,着陆区是月球南极-艾特肯盆地正面的冯·卡门撞击坑。艾特肯盆地是太阳系中已知最大的撞击坑之一,也被公认为月球上最古老、最深的撞击盆地。

  与月球正面相比,月球背面有更多撞击坑,月背起伏大、地势较高,表面更加粗糙,与月球正面元素分布也存在很大的差异,科学家对造成差异的原因给出了多种推论。虽然人类已经开展了100多次月球探测,但对月球的起源和演化过程依然存在许多认识空白。因此,对月球背面进行采样返回探测具有重要的科学意义。

  嫦娥六号在月球背面的月球南极-艾特肯盆地的阿波罗撞击坑内进行着陆采样。该盆地的地质年龄距今超过42亿年,保存了月球上古老的岩石,在这里进行采样返回探测具有很高的科研价值。

  从这里采集月球样品返回后,科学家可在实验室用多种先进仪器分析不同地域、不同年龄月壤的结构、物理特性、物质组成,从而更加全面地认识月球,深化对月球的成因和演化、太阳系的起源等方面的研究。

  嫦娥六号填补了人类获取月球背面样本的空白,开启了月球正面与背面的演化差异、电磁场演化和地球大气演化等重要科学研究的全新视角,对月球科学新突破具有独特的价值,有望在太阳系早期撞击历史、月球背面的火山活动和月球地质演化等重大科学问题上取得新的认识,进一步拓展人类对月球乃至太阳系的认知。

  嫦娥六号是我国探月工程四期的第二次重要任务,任务的工程目标包括突破月球逆行轨道设计与控制技术,月球背面智能快速采样技术和月背起飞上升技术,实现月球背面自动采样返回,同时开展有效的国际合作。其科学目标是在月球背面南极-艾特肯盆地着陆点开展区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系,以及对月球背面样品进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成等,深化月球成因和演化历史的研究。

  与嫦娥五号的构造基本相同,嫦娥六号由轨道器、返回器、着陆器和上升器4部分组成。它比嫦娥五号搭载了更多的科学载荷,配置了3台国内科学载荷和4台国外载荷,因此嫦娥六号不仅可以在月球背面采样返回,也能在那里进行广泛的原位科学探测。

  在着陆器上装的国内的全景相机用于获取着陆区和采样区的高分辨率月表图像;月球矿物光谱分析仪用于获取月表采样区的光谱数据,进行着陆区的月表矿物组分的分析研究;月壤结构探测仪用于探测月表地下的月壤结构,同时为钻取采样过程提供信息支持。这些分析数据将和后续的样品实验室分析数据进行联系,能够丰富和拓展月球样品实验室的研究成果。

  在着陆器上装的法国的氡气探测仪用于对月球表面氡气同位素开展原位探测,研究挥发物在月球环境下传输和扩散机制。在着陆器上装的欧洲航天局的月表负离子分析仪用于对月球表面负离子进行探测,探测负离子对空间、表面和行星体的重要性,研究等离子体和月面的相互作用机制。巴基斯坦的立方星用于开展在轨成像任务。在着陆器上装的意大利的激光角反射器用于激光测距,作为在月球背面的定位绝对控制点。

  落月成功 挖宝归来

  嫦娥六号任务飞行全过程共53天,由11个飞行阶段组成。

  (1)发射入轨段。2024年5月3日,嫦娥六号由长征五号遥八火箭发射,使嫦娥六号直接进入地月转移轨道。 

  (2)地月转移段。器箭分离后嫦娥六号沿近地点高度约200千米、远地点高度约38万千米的地月转移轨道飞行约5天,期间进行了中途修正。 

  (3)近月制动段。5月8日,在高度200千米的近月点附近,通过嫦娥六号轨道器上的3000牛主发动机实施了第1次近月制动减速,使嫦娥六号进入近月点高度200千米、远月点高度8600千米、轨道周期12小时的环月椭圆轨道。相对于嫦娥五号,嫦娥六号的近月制动也有些许不同,因为其近月制动点火时间是在月球背面,所以它与地面的所有信息传递需要由鹊桥二号来转发。5月21日,嫦娥六号释放了巴基斯坦立方星。此后,嫦娥六号又先后进行了两次近月制动减速,最终,嫦娥六号进入到高度200千米、周期2小时的环月圆轨道。

  (4)环月飞行段。此阶段从5月8日探测器进入环月轨道开始,直至着陆-上升组合体到达动力下降初始点为止。6月1日,嫦娥六号在环月圆轨道上完成了着陆-上升组合体与轨道-返回组合体两两的分离,分离后轨道-返回组合体继续环月飞行,等待上升器进行交会对接;着陆-上升组合体通过变轨,进入近月点约15千米、远月点约200千米的椭圆轨道。

  (5)着陆下降段。6月2日6时23分,着陆-上升组合体在鹊桥二号支持下通过7500牛变推力主发动机着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区。

  (6)月面工作段。着陆-上升组合体着陆后,采用钻取和表取两种采样方式对月壤取样。它装备了钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等挖土神器。首先进行钻取,即对月表下的月壤取样。钻取过程持续了约3个小时,获取了月球背面不同深度的月壤样品。随后进行表取,即对月表月壤取样。表取是使用着陆器的机械臂完成,通过表面铲取的方式来采集月球表层的月壤和石块。表取进行了大约14小时。最终,采集的样品都转移至位于上升器顶部的样品容器内。6月3日清晨,完成了世界首次月球背面样品表取及样品封装。与此同时,国内载荷、国际载荷也开展了2天的就位探测。之后进行了国旗展开。

  (7)月面上升段。6月4日7时38分,携带月球样品的上升器在月面起飞。经过约6分钟的飞行,它进入到近月点15千米、远月点180千米的上升目标轨道。接着,实施4次轨道机动,最终导引至高度为210千米的环月圆轨道上。在这里,轨道-返回组合体正等待着上升器。

  (8)交会对接与样品转移段。6月6日14时48分,嫦娥六号上升器成功与轨道器和返回器组合体完成月球轨道交会对接,并于15时24分将月球样品容器安全转移至返回器中。这是本世纪第2次月轨交会对接。完成样品转移后,轨道-返回组合体择机分离了完成使命的上升器及对接舱段。

  (9)环月等待段。轨道-返回组合体在环月轨道停留约14天,等待月地转移窗口。然后在6月20日通过轨道器上的发动机实施两次月地转移入射机动进入月地转移轨道。

  (10)月地转移段。轨道-返回组合体在月地转移轨道飞行5天后于6月25日抵达地球附近,期间进行了中途修正。

  (11)再入回收段。当轨道-返回组合体飞行到达距地球约5000千米高度处,返回器与轨道器分离。6月25日13时41分许,返回器以10.9千米/秒速度用半弹道跳跃式再入大气层,最终在6月25日14时07分通过伞降辅助降落着陆于内蒙古四子王旗着陆场预定区域。

  月球之旅新突破

  2024年5月8日10时12分,在北京航天飞行控制中心的精确控制下,嫦娥六号探测器成功实施近月制动,顺利进入环月轨道飞行。北京航天飞行控制中心的工作人员正在讨论。 视觉中国 供图

  与嫦娥五号任务在月球正面采样返回相比,嫦娥六号任务是在鹊桥二号月球中继星的支持下,在世界上首次实施月球背面采样返回,为此突破了月球逆行轨道设计与控制、月球背面智能快速采样和月球背面起飞上升三大关键技术。

  由于是在月球背面着陆,嫦娥六号没有沿着嫦娥五号开辟的道路前往,而是重新选择了一条最优轨道。这是由于嫦娥六号是在月球背面着陆,而且着陆位置由嫦娥五号的北纬地区变为南纬地区。如用嫦娥五号的环月顺行轨道方案,着陆时会比嫦娥五号出现受晒面调转180°的情况,从而会影响采样过程中的能源供给等。为了在不大幅调整探测器的构型布局和硬件产品的前提下,顺利化解因着陆点变化带来的朝向、姿态等问题,设计师们为嫦娥六号探测器重新设计了一条环月轨道—“逆行环月轨道”方案。简单来说,就是探测器在环月轨道上的飞行方向与月球自转方向相反。这样一来,无需调整探测器设计方案,就能保证它随时随地“能量十足”。

  2024年6月2日至3日,嫦娥六号顺利完成在月背南极-艾特肯盆地的智能快速采样,并按预定形式将月球背面样品封装存放在上升器携带的贮存装置中。表取完成后,月表呈现一个“中”字。 

  嫦娥六号完成世界首次月球背面采样,且采样区域靠近南极。与嫦娥五号相比,嫦娥六号的任务有三个特点:月球背面相对地球不可见,为保证数传链路的连续性,需要靠鹊桥二号中继星搭桥;由于着陆纬度更高一点,与低纬度相比,月壤的风化程度更加不充分,月壤中的石块含量更多,这对地面的规划以及采样机构的挑战更大;采样时间比嫦娥五号更短,整体工作流程更复杂。

  因为月球背面中继通信时长受限,嫦娥六号表取采样时间比嫦娥五号缩短了许多。为此,“嫦娥”团队设法提高了采样效率。与嫦娥五号相比,嫦娥六号在快速化、智能化和自主化方面有了很大的改进。

  为了提高采样自主性和工作效率,“嫦娥”团队为表取采样过程设计了17个独立的序列程序,探测器能自主判读遥测数据,通过序列程序组合完成表取采样全部工作。整个采样任务减少了约500条探测器和地面实验室的指令交互,从而缩短了采样时间。

  嫦娥六号着陆器全景相机拍摄的影像图。

  针对月背着陆区月壤特性,团队设计了适应月球背面采样的控制算法和采样策略,进一步提高了采样的智能化、自动化程度,进一步增强了月壤采样效率、采样能力和在轨工作可靠性。同时,还为着陆-上升组合体量身设计了自主月面工作状态设置、自主定位、应急自主采样和自主起飞等功能,使工作效率得到大幅提升。

  2024年6月3日,嫦娥六号携带的“移动相机”,自主移动并成功拍摄、回传着陆器和上升器合影。

  6月4日,嫦娥六号携带的“移动相机”自主移动并成功拍摄、回传着陆器和上升器合影。该“移动相机”是月面自主智能微小机器人,重5公斤,可在月表自主智能移动。在嫦娥六号奔月和落月过程中,这台小机器人一直被悬挂在着陆器的侧板外。嫦娥六号完成月背采样后,这台小机器人自主分离到月球表面,自主移动到合适的拍摄位置、自主选择拍摄角度和自主构图并进行成像位置的智能优化,最终拍摄了着陆-上升组合体在月球背面的第三视角真实图像。

  2024年6月26日,在中国航天科技集团五院举行的嫦娥六号返回器开舱仪式现场,科研人员取出月球样品容器准备称重。 摄影 金立旺/新华社

  嫦娥六号任务的完成,使中国成为世界上唯一一个两度着陆月球背面的国家,也是人类首次从月球背面成功采集月壤。中国的这一历史性创举,不仅代表着中国在航天领域的技术突破,更意味着为人类探月补上了一块重要拼图。作为多个国家“集体劳动”的成果,嫦娥六号的意义超越了国界。它标志着人类团结合作、和平利用外空的历史性进步,它也让人们对中国2030年前实现载人登月、2040年前建成一个完善型的国际月球科研站增添了更多信心与期待。

 

(本文作者系全国空间探测技术首席科学传播专家,未署名图片由国家航天局提供。)

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