嫦娥六號(hào)奔赴月背“挖土”

周游

5月3日，嫦娥六號(hào)探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。圖/國(guó)家航天局網(wǎng)站

5月3日17時(shí)27分，嫦娥六號(hào)探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，之后準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，發(fā)射任務(wù)取得成功。嫦娥六號(hào)將執(zhí)行全球首次月球背面采樣返回任務(wù)，預(yù)計(jì)將帶回月球背面樣品。

國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光告訴《中國(guó)新聞周刊》，單從采樣來(lái)說(shuō)，嫦娥六號(hào)的任務(wù)與此前成功在月球正面采樣歸來(lái)的嫦娥五號(hào)相比，難度相仿。新增難度在于，月背降落、采樣、起飛都需要通過(guò)中繼衛(wèi)星測(cè)控，而無(wú)法通過(guò)地面站直接監(jiān)控。雖然月背起飛前可以做各種準(zhǔn)備工作，但一旦起飛，飛行器進(jìn)入正確軌道只有一次機(jī)會(huì)。

首次月背采樣返回

5月3日發(fā)射后2000多秒，火箭將嫦娥六號(hào)送入預(yù)定軌道，完成星箭分離。嫦娥六號(hào)正式開(kāi)啟奔月之旅。按計(jì)劃，嫦娥六號(hào)將前往月球背面南極－艾特肯盆地，進(jìn)行形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察等工作，重點(diǎn)采集不同地域、不同年齡的月球土壤、巖石樣品。從火箭發(fā)射到取樣返回，嫦娥六號(hào)任務(wù)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)53天。

嫦娥六號(hào)是中國(guó)嫦娥探月計(jì)劃的第六個(gè)探測(cè)器，本是嫦娥五號(hào)的備份，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成。探測(cè)器全重超過(guò)8噸，比它的“姐姐”嫦娥五號(hào)還要重100公斤。其搭乘的長(zhǎng)征五號(hào)是大型低溫液體捆綁式運(yùn)載火箭，主要用于發(fā)射空間站、探月探測(cè)器、地球靜止軌道衛(wèi)星等任務(wù)，曾送嫦娥五號(hào)上天，被航天愛(ài)好者稱為“胖五”。楊宇光表示，長(zhǎng)征五號(hào)是國(guó)內(nèi)目前唯一奔月軌道能力超過(guò)8噸的火箭，嫦娥上天只能靠“胖五”出馬。

4月27日，嫦娥六號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)被轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，對(duì)發(fā)射窗口的選擇，楊宇光表示，探月需要關(guān)注的是月球和地球發(fā)射場(chǎng)間的相對(duì)位置關(guān)系，以月相為周期，每個(gè)月都有合適的發(fā)射窗口。

經(jīng)過(guò)數(shù)日奔月路程，嫦娥六號(hào)在快到達(dá)月球時(shí)，需要“踩一腳剎車”，進(jìn)入環(huán)月軌道。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的位置調(diào)整，嫦娥六號(hào)將完成落月。在月球表面，嫦娥六號(hào)將采用表面取樣的方式，在月面多個(gè)位置鏟取月壤或拾取月巖。此外，還會(huì)采用鉆取方式，探查淺層月壤，采集樣品。月面工作后，由軌道器、返回器組成的組合體將在軌道上環(huán)繞，等待接應(yīng)完成工作后的著陸器和上升器的組合體。二者軌道交會(huì)、對(duì)接過(guò)程中，嫦娥六號(hào)還將在環(huán)月軌道開(kāi)展多項(xiàng)科學(xué)探測(cè)。最后經(jīng)過(guò)返程飛行，嫦娥六號(hào)將再入大氣層，返回著陸場(chǎng)。

此前，嫦娥四號(hào)已于2019年成功降落在月球背面，在人類歷史上首次實(shí)現(xiàn)了航天器在月背的巡視勘察。嫦娥五號(hào)則于2020年帶回了1731克月球正面的樣品，使得一系列重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)誕生。2021年，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所團(tuán)隊(duì)僅用0.15克月壤，100天內(nèi)在《自然》雜志上連發(fā)3篇文章，將科學(xué)界認(rèn)知的月球巖漿活動(dòng)結(jié)束時(shí)間推遲了8～9億年。2023年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)月樣品的研究，發(fā)現(xiàn)了全新的月球礦物，被命名為“嫦娥石”，這也是人類在月球發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物。

在楊宇光看來(lái)，此次任務(wù)將嫦娥四號(hào)去月背與嫦娥五號(hào)月表采樣兩項(xiàng)任務(wù)相結(jié)合，意義重大。在月球3800萬(wàn)平方公里的表面上，人類目前只采樣過(guò)10次，美國(guó)6次，蘇聯(lián)3次，中國(guó)1次，且采樣點(diǎn)全部位于月球正面。月球背面和正面地形地貌差異很大，形成過(guò)程中有自身的特殊性，地質(zhì)、火山活動(dòng)等方面的研究需要更多樣品的支持。

嫦娥六號(hào)將降落的南極－艾特肯盆地，是月球背面一座直徑約2500公里的撞擊坑，是月球上最古老和最大的撞擊坑。嫦娥六號(hào)任務(wù)工程總體發(fā)射場(chǎng)工程技術(shù)組組長(zhǎng)胡震宇接受采訪時(shí)表示，嫦娥六號(hào)實(shí)施月背著陸區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，獲取月球樣品，對(duì)于人類加深對(duì)月球成因和演化、太陽(yáng)系起源等研究具有重要的意義。

嫦娥六號(hào)任務(wù)還搭載了4個(gè)他國(guó)探測(cè)器或衛(wèi)星，包括法國(guó)的氡氣探測(cè)儀、歐空局的負(fù)離子探測(cè)儀、意大利的激光角反射鏡、巴基斯坦的立方星。楊宇光表示，在深空探測(cè)任務(wù)中讓他國(guó)載荷“搭便車”是普遍現(xiàn)象，是出于整個(gè)飛行任務(wù)回報(bào)最大化、促進(jìn)國(guó)際合作的考慮。嫦娥六號(hào)任務(wù)涉及進(jìn)入奔月軌道、進(jìn)入繞月軌道、到達(dá)月球表面、返回繞月軌道等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)都有不同的科學(xué)意義，因此可以利用設(shè)計(jì)余量來(lái)搭載其他科學(xué)儀器。

對(duì)接或成最大難點(diǎn)

據(jù)悉，嫦娥六號(hào)任務(wù)將突破月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、月背智能采樣和月背起飛上升等關(guān)鍵技術(shù)。在技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，嫦娥六號(hào)依然面臨諸多難點(diǎn)。

月球背面的地形比正面更加崎嶇，這為月背降落帶來(lái)了困難。楊宇光表示，月球表面90％以上的低洼平坦區(qū)域都在月球的正面，這些區(qū)域稱為月海，嫦娥五號(hào)就曾降落在月球正面的一片月海中。而月球背面除了莫斯科海以外，基本上沒(méi)有大型月海，地形限制了探測(cè)器著陸的選點(diǎn)。歷史上，蘇聯(lián)在1969～1970年間連續(xù)遭遇了5次無(wú)人探月失敗，其中“月球－15”號(hào)采樣返回飛行器在降落過(guò)程中撞上了山脈?！霸虑颍?5號(hào)”的失敗源于其對(duì)復(fù)雜地形缺乏準(zhǔn)確認(rèn)知，在探索新區(qū)域時(shí)風(fēng)險(xiǎn)尤其高。

這一困難在月背還因地月通信問(wèn)題而被放大。從月球正面登陸月球，地面可以和飛行器保持聯(lián)系，地面測(cè)控站也可以提供軌道測(cè)量數(shù)據(jù)等支持。但由于月球阻擋信號(hào)，月球背面著陸的飛行器難以獲得這些支持，只能靠中繼衛(wèi)星。為了架設(shè)地月通信“鵲橋”，今年3月，探月工程提前發(fā)射了鵲橋二號(hào)中繼衛(wèi)星，為嫦娥六號(hào)及后續(xù)月背任務(wù)服務(wù)。

楊宇光指出，從測(cè)控專業(yè)角度推測(cè)，鵲橋二號(hào)不僅是信號(hào)中繼衛(wèi)星，還是一個(gè)測(cè)控站，有測(cè)軌預(yù)報(bào)功能。在飛行器著陸和上升過(guò)程中，采樣點(diǎn)、上升軌道等測(cè)量工作都可能需要通過(guò)鵲橋二號(hào)完成。測(cè)控站就像人的眼睛，為飛行器執(zhí)行操作提供依據(jù)，是最重要的一步。即使執(zhí)行出了問(wèn)題，例如飛行軌道偏離，但若有及時(shí)的測(cè)量和修正，還可以挽回。

在楊宇光看來(lái)，最大的技術(shù)難點(diǎn)不在于月背起飛，而在于實(shí)現(xiàn)對(duì)接。著陸器和上升器的組合體需要和軌道器、返回器組合體對(duì)接，后者在環(huán)月軌道上有轉(zhuǎn)到月球正面、讓地面站測(cè)軌和通信的機(jī)會(huì)，但前者在月球表面得不到任何地面站的支持，只能跟鵲橋二號(hào)通信。在軌對(duì)接最基本的要求是，著陸器和上升器的組合體要進(jìn)入和軌返組合體相同的軌道面，然后通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)近距離交會(huì)、靠近和對(duì)接，對(duì)接軌道的測(cè)量需要非常精確。著陸器和上升器的組合體在繞月軌道上的飛行速度是一千六七百米每秒，如此的高速意味著極小的對(duì)接窗口。如果軌道都錯(cuò)了，將很難校正并實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

此外，月背采樣在有“鵲橋”的情況下依然難度不小。鵲橋二號(hào)在繞月飛行中存在視覺(jué)盲區(qū)，因此，嫦娥六號(hào)需在鵲橋二號(hào)的可視階段加緊工作。嫦娥六號(hào)副總設(shè)計(jì)師王瓊向媒體介紹，受限于中繼星覆蓋時(shí)長(zhǎng)，嫦娥六號(hào)的工作時(shí)間較嫦娥五號(hào)更短，對(duì)地面人員以及探測(cè)器的工作效率要求更高。著陸點(diǎn)是否符合科研人員預(yù)期，能否采到足夠深的月球樣品，都要等嫦娥六號(hào)抵達(dá)月球后才能準(zhǔn)確探測(cè)。

根據(jù)國(guó)家航天局已公布的消息，今年是中國(guó)探月工程20年，工程規(guī)劃已完成三期，分別是以嫦娥一號(hào)為代表的繞月，以嫦娥三號(hào)為代表的落月，和嫦娥五號(hào)的采樣返回。這意味著中國(guó)探月工程已經(jīng)完全掌握了“繞、落、回”的技術(shù)體系。嫦娥六號(hào)為國(guó)家探月工程四期的項(xiàng)目之一，此后還將組織嫦娥七號(hào)和八號(hào)的發(fā)射。四期的主要目標(biāo)為“登”和“駐”。嫦娥七號(hào)以月球科研站站址勘察為主，是不返回的飛行器。嫦娥八號(hào)涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，包括資源原位利用技術(shù)的驗(yàn)證等。二者預(yù)計(jì)將在2030年前構(gòu)成中國(guó)月球科研站的基本型。楊宇光表示，在完整建成科研站前，還有許多技術(shù)難關(guān)等待攻克。