1935.3克！世界首份月背樣品帶回

嫦娥六號為人類探月補(bǔ)上重要拼圖

2024年6月25日14時07分，嫦娥六號返回器準(zhǔn)確著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域，為這趟歷時53天的地月往返之旅畫上了圓滿的句號。6月28日，國家航天局在京舉行探月工程嫦娥六號任務(wù)月球樣品交接儀式，經(jīng)初步測算，此次采集到月球背面樣品1935.3克。隨后，月球樣品運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，正式開啟科研工作。

嫦娥六號任務(wù)的完成，使我國成為世界上唯一一個兩度著陸月球背面的國家，并實(shí)現(xiàn)了人類首次從月球背面采集月壤返回地球的宏愿。中國的這一歷史性創(chuàng)舉，不僅代表著中國在航天領(lǐng)域的技術(shù)突破，更意味著為人類探月補(bǔ)上了一塊重要拼圖。

1 “探月”國際合作的優(yōu)秀示范

當(dāng)前，科學(xué)家對月球起源和演化過程的認(rèn)知依然存在許多空白，在月背進(jìn)行采樣返回探測對研究月球甚至地球的早期歷史有重要價值。

與月球正面相比，月背有更多的撞擊坑，表面更粗糙，起伏大、地勢高。月表分為月海和月陸兩大地理單元，其中正面月海多，顏色暗，主要是玄武巖；背面月陸多，顏色亮，主要是斜長巖，比月海更古老。嫦娥六號是在月背南極-艾特肯盆地的阿波羅撞擊坑內(nèi)著陸采樣。該盆地的地質(zhì)年齡距今超過42億年，保存了月球上古老的巖石，所以有很高的科研價值。此前，嫦娥四號著陸于該盆地正面的馮·卡門撞擊坑內(nèi)。

嫦娥六號的工程目標(biāo)有四個：一是突破月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)；二是月球背面智能快速采樣技術(shù)；三是月背起飛上升技術(shù)，實(shí)現(xiàn)月球背面自動采樣返回；四是開展有效的國際合作。其科學(xué)目標(biāo)有兩個：一是在月球背面南極-艾特肯盆地預(yù)定著陸點(diǎn)開展區(qū)域形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；二是對月球背面樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長期的實(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，它有望在太陽系早期撞擊歷史、月背火山活動和月球地質(zhì)演化等重大科學(xué)問題上取得新的認(rèn)識。

嫦娥六號是嫦娥五號的備份，其整體結(jié)構(gòu)與嫦娥五號基本一致，由軌道器、返回器、著陸器和上升器4部分組成。但為了進(jìn)行月背采樣返回探測，以及開展更廣泛的科學(xué)探測和國際合作，嫦娥六號比嫦娥五號搭載了更多的科學(xué)載荷，配置了3臺國內(nèi)載荷和4臺國際載荷（嫦娥五號上沒有搭載國際載荷）。

此次，嫦娥六號做出了“探月”國際合作的優(yōu)秀示范。嫦娥六號的著陸器上搭載了來自法國、歐空局、意大利的3臺國外載荷，在軌道器上搭載了巴基斯坦獨(dú)立運(yùn)行的立方星。

其中，法國的氡氣探測儀（DORN）用于對月球表面氡氣同位素開展原位探測，研究揮發(fā)物在月球環(huán)境下的傳輸和擴(kuò)散機(jī)制，包括月球塵埃的遷移以及月球風(fēng)化石、月球水資源等之間的相互作用。

歐空局的月表負(fù)離子分析儀（NILS）用于對月球表面負(fù)離子進(jìn)行探測，探測負(fù)離子對空間、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（ICUBE-Q）搭載了兩臺拍攝月球的光學(xué)相機(jī)，用于開展在軌成像任務(wù)，驗(yàn)證納衛(wèi)星月球軌道探測技術(shù)，它不僅拍攝軌道器、月球和地球的圖像，還探測月球磁場。

意大利的激光角反射器（INRRI）用于激光測距，作為在月球背面的定位絕對控制點(diǎn)，它可以與其他月球探測任務(wù)開展聯(lián)合測距與定位研究。

2 突破三大關(guān)鍵技術(shù)

為了在“山脈中找平地”，嫦娥六號出發(fā)前，科研人員在選址上下足了功夫。其間，用嫦娥二號影像制成的全月7米分辨率數(shù)字正射影像及20米分辨率的數(shù)字高程模型產(chǎn)品發(fā)揮了重要作用，科研人員借助它們?yōu)殒隙鹆栔憣ふ业狡露容^小的平坦區(qū)域。

相比于嫦娥五號任務(wù)，嫦娥六號任務(wù)的落點(diǎn)范圍縮小了一半，而且由于嫦娥六號要在月球背面著陸，在整個落月和月面工作的過程中，只能用鵲橋二號中繼星進(jìn)行支持，所以風(fēng)險性比較高。這次落月的難度主要在于全程地面無法干預(yù)，完全為自主執(zhí)行。從嫦娥六號著陸-上升組合體實(shí)際的落月時間和落月姿態(tài)來看，都在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)，因此這次落月任務(wù)是圓滿的。

為確保世界首次在月球背面采樣返回成功，嫦娥六號任務(wù)突破了三大關(guān)鍵技術(shù)。

一是突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。由于嫦娥六號是在月球背面著陸，而且著陸位置由嫦娥五號的北緯地區(qū)變?yōu)槟暇暤貐^(qū)，如采用嫦娥五號的環(huán)月順行軌道方案，著陸時會出現(xiàn)比嫦娥五號受曬面調(diào)轉(zhuǎn)180°的情況，從而影響采樣過程中的能源供給等。為了不大幅調(diào)整嫦娥六號探測器，專家為嫦娥六號設(shè)計(jì)了逆行環(huán)月軌道方案，通過調(diào)轉(zhuǎn)飛行軌道的方向，化解了因采樣區(qū)域位置變化帶來的朝向、姿態(tài)變化問題，保證其隨時隨地“能量十足”，在動力下降初始姿態(tài)和落月后月面工作姿態(tài)與嫦娥五號基本一致。

二是突破了月球背面智能快速采樣技術(shù)。相比嫦娥五號，嫦娥六號面臨幾方面挑戰(zhàn)：需要靠鵲橋二號中繼星“搭橋”；由于緯度更高，月壤的風(fēng)化程度不充分，所以對采樣裝置挑戰(zhàn)更大；表取采樣時間從嫦娥五號的21小時縮短為14小時。這是由于月背中繼通信時長受限，為此，嫦娥六號表取采樣必須快速化、智能化和自主化，顯著提高采樣效率。因此，研制團(tuán)隊(duì)為表取采樣過程設(shè)計(jì)了17個獨(dú)立的序列程序，能自主判讀遙測數(shù)據(jù)，使表取采樣任務(wù)減少了約500條器地指令交互，從而縮短采樣時間。

三是突破了月背起飛上升技術(shù)。嫦娥六號從月背起飛，最大的難點(diǎn)是需在鵲橋二號中繼星的輔助下進(jìn)行智能自主控制。測控人員先根據(jù)著陸位置、姿態(tài)和環(huán)月軌道，為上升器計(jì)算出了最佳飛行方向和參數(shù)，以保障上升器以最省燃料的方式進(jìn)入交會對接初始軌道。

起飛時間是零窗口，必須按時起飛，因?yàn)樵虑蜃赞D(zhuǎn)周期是一個月，一旦錯過，對接窗口就得再等一個月。所以，到了起飛時間時，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)控制上升器主發(fā)動機(jī)自行點(diǎn)火起飛。

因?yàn)樵虑蛑扅c(diǎn)從正面改變到了背面，并受軌道設(shè)計(jì)和窗口的約束，所以大大增加了這次任務(wù)的飛行時間。嫦娥六號在環(huán)月飛行段和環(huán)月等待段都比嫦娥五號待得久，總飛行時間增加了30天。

3 月背“土特產(chǎn)”里有什么

嫦娥六號著陸-上升組合體在月背著陸后，很快就進(jìn)入了此次任務(wù)的重頭戲——采集月壤，它裝備了鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“挖土神器”。

采樣方式分為鉆取和表取。首先進(jìn)行鉆取，即對月表下的月壤采樣。鉆取采樣裝置長度為2.5米，材料是一種硬質(zhì)合金，內(nèi)外共有3層結(jié)構(gòu)，最外層是可以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的外鉆桿。緊靠外鉆桿的是取芯管，它被一個長長的取芯袋包裹著。當(dāng)鉆頭向下鉆進(jìn)時，取芯袋會跟隨著取芯管向下運(yùn)動，而鉆取到的月壤巖芯就會被頂進(jìn)袋內(nèi)，這個過程有點(diǎn)像“穿襪子”。

鉆取采集到的是月壤整體，也就是保持剖面層序的樣品。不過，這種采樣的量較少，方式也不能調(diào)節(jié)，因?yàn)樗潭ò惭b在著陸器下面。此次鉆取過程持續(xù)了約3個小時，獲取了月球背面不同深度的月壤樣品，于6月2日12時40分完成。

然后是表取，即對月表月壤采樣。與鉆取不同，表取是借助著陸器的機(jī)械臂，用14個小時從月表鏟取月球表層的月壤和石塊。機(jī)械臂可在120°的范圍內(nèi)實(shí)施月面采樣，并能連續(xù)多次、多點(diǎn)自動采樣。它的“末端采樣器”具有挖取、鏟挖、抓取3種功能，可像勺子一樣挖取表面細(xì)碎的月壤，也能像鏟子一樣鏟取顆粒較大的月壤，還能像手一樣抓取大塊的巖石狀月巖，同時，對于一些相對堅(jiān)硬的目標(biāo)能進(jìn)行淺鉆，并通過花瓣結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣本提取。

表取采集的樣品先放置在表取初級密封裝置中，待采樣工作結(jié)束后，表取初級密封裝置就會從著陸器上被提取出來，放置在上升器頂部的密封封裝裝置中進(jìn)行封裝。6月3日清晨，世界首次月球背面樣品表取及樣品封裝完成。

待月壤鉆取、表取結(jié)束后，嫦娥六號著陸器攜帶的五星紅旗在月球背面成功展開，這是我國首次在月球背面獨(dú)立動態(tài)展示國旗。該旗采用新型復(fù)合材料和特殊工藝，旗面是玄武巖熔融拉絲技術(shù)制作而成的，具有更強(qiáng)的耐腐蝕性、耐高溫和耐低溫等優(yōu)異性能。

根據(jù)任務(wù)計(jì)劃，嫦娥六號的主要科學(xué)任務(wù)集中在4個方面。一是尋找新礦物和巖石。此前，我國在嫦娥五號樣品中發(fā)現(xiàn)了新礦物，如嫦娥石，嫦娥六號極有可能發(fā)現(xiàn)更多新的礦物和巖石。二是尋找月球深部物質(zhì)。嫦娥六號著陸的阿波羅撞擊坑是多次撞擊形成的“盆中之盆”，可能是月殼最薄的位置之一。研究從這里采集的樣品有望發(fā)現(xiàn)來自月幔的深部物質(zhì)，這對理解月球深部結(jié)構(gòu)和月球的起源、演化有重要作用。三是尋找古老物質(zhì)。阿波羅撞擊坑年齡約42億年，可能分布有月表最古老的巖石，嫦娥六號的一個關(guān)鍵任務(wù)是采集古老的月球巖石和可定年的礦物。四是揭開蘇長巖成因之謎。蘇長巖在過去的月球樣品中極少發(fā)現(xiàn)，而阿波羅撞擊坑內(nèi)部就有蘇長巖，如有收獲，將有助于解開蘇長巖成因之謎。

此次，嫦娥六號任務(wù)采集到1935.3克月球背面樣品，很多人都關(guān)心月背挖回的“土特產(chǎn)”里究竟有什么？想要揭秘，還需等待科研人員完成對樣品的分析和研究，但我們不妨展望一二。

嫦娥六號從月球背面挖回的土壤中可能含有以下成分：

1.巖石碎片：這些碎片來自月球表面的巖石；

2.礦物顆粒：包括長石、輝石、鈦鐵礦等，這些是月表的主要組成部分；

3.玻璃物質(zhì)：月壤中可能含有由撞擊熔融形成的玻璃物質(zhì)；

4.微量元素：如銅、金等，雖含量較低，但對研究月球形成和演化有益；

5.氦-3：這是一種潛在的核聚變?nèi)剂?，在月壤中的含量較為豐富。

4 為何要采用“打水漂”的方式返回

2024年6月25日，嫦娥六號是用半彈道跳躍式返回，即“打水漂”的方式再入大氣層，最終通過傘降輔助成功著陸內(nèi)蒙古四子王旗的。

為什么要用這種方式返回呢？所謂“打水漂”就是返回器要兩次進(jìn)入地球大氣層。嫦娥六號返回器在第一次以10.9千米/秒進(jìn)入大氣層后，要經(jīng)歷一個從一步步親近地球到一點(diǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)離地球并穿出大氣層的過程，就像打了一個水漂。這種專門安排的在大氣層中進(jìn)行數(shù)千公里的飛行，就是要利用大氣的阻力和與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量快速消耗返回器的能量，以將返回器的速度降到7.9千米/秒以下，這樣，當(dāng)返回器沖出大氣層后便不再滿足成為一顆地球衛(wèi)星的基本條件，從而能夠第二次落入大氣層。

返回器返回地球時需要先通過第一次再入大氣層來減速，如果直接返回地面是會被燒毀的。用大氣層阻力將返回器速度降為第一宇宙速度后，通過第二次再入大氣層就能輕車熟路地返回地面了，但必須控制好返回器第一次再入大氣層的再入角和再入點(diǎn)，因?yàn)樗鼜淖畛踉偃氪髿鈱拥阶詈舐涞?，其間要在風(fēng)馳電掣和大起大落的狀態(tài)下飛行六七千千米，稍有偏差就有可能回不到地球或者無法準(zhǔn)確著陸預(yù)定地點(diǎn)。

在這個“打水漂”返回的過程中，地球大氣擔(dān)任雙重角色，一方面要充當(dāng)阻力盡量降低返回器的速度，另一方面還要充當(dāng)升力，保證返回器在速度降到一定程度后能順利躍起。所以，既不能讓返回器減速太多，又要確保不能減速太少，還要使返回器在固定的位置穿出大氣層，然后第二次再入大氣層。完成這一高難任務(wù)要靠制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。制導(dǎo)是根據(jù)當(dāng)前位置和速度并結(jié)合落點(diǎn)位置進(jìn)行制導(dǎo)處理，自動規(guī)劃出最佳飛行路線；導(dǎo)航是實(shí)時獲取自身位置和速度；控制是通過控制返回器外的發(fā)動機(jī)調(diào)整返回器姿態(tài)，使其沿規(guī)劃軌跡飛行。這三者協(xié)同工作，方能使返回器找到回家的路。

值得關(guān)注的是，嫦娥六號返回器采用半彈道跳躍式返回要兩次經(jīng)過黑障區(qū)（航天器高速返回大氣層時，在一定高度與地面通信聯(lián)絡(luò)中斷的區(qū)域），當(dāng)返回器距地面120千米時，它在2分鐘后進(jìn)入再入走廊，開始持續(xù)3分鐘的初次再入并進(jìn)入黑障區(qū)。此時返回器以較高升阻比的方式在大氣層中“滑行”，目的是讓返回器獲得足夠的“升力”。在返回器距地60千米時第一次升力控制結(jié)束，返回器在高超音速空氣動力作用下被反彈回大氣層外，此時返回器速度已降至7.9千米/秒以下。返回器第二次再入大氣層后再次進(jìn)入黑障區(qū)，4分鐘后飛出黑障區(qū)。

航天器經(jīng)過黑障區(qū)會面臨以下考驗(yàn)：黑障區(qū)的高溫和熱流可能會對航天器的結(jié)構(gòu)和材料造成嚴(yán)重?zé)釗p傷，甚至引發(fā)航天器解體；黑障區(qū)會導(dǎo)致航天器與地面控制中心之間的通信中斷，因?yàn)榉祷仄髦車纬傻牡入x子體鞘吸收和散射電磁波，使得信號無法傳輸，地面控制中心也無法對航天器進(jìn)行控制和指揮；航天器在黑障區(qū)所受到的氣動壓力和過載非常大，可能會對航天器的結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成損壞，導(dǎo)致航天器的姿態(tài)失控。

為了通過黑障區(qū)的考驗(yàn)，研制團(tuán)隊(duì)必須采取一系列措施，如使用耐高溫材料、優(yōu)化航天器外形設(shè)計(jì)等，以確保航天器能夠安全穿越黑障區(qū)并成功返回地球。其中，返回器金屬殼體的高質(zhì)量是確保返回成功的一個重要因素。另外，研制團(tuán)隊(duì)根據(jù)返回器不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標(biāo)，為其量身定制了一件“貼心防熱衣”。返回器大面積防熱結(jié)構(gòu)采用了航天材料及工藝研究所的輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)防熱材料，該材料具有密度低、重量輕、燒蝕防熱效果優(yōu)異、一致性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為嫦娥六號任務(wù)的成功提供了堅(jiān)實(shí)保障。輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)防熱材料采用創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)方法，解決了輕質(zhì)材料與長時復(fù)雜氣動加熱的矛盾，優(yōu)異的燒蝕性能使返回器氣動外形保持良好，同時為保護(hù)其內(nèi)部的月壤成功返回地面起到?jīng)Q定性作用。

作為多個國家“集體勞動”的成果，嫦娥六號成功月背采樣返回的意義超越了國界，它標(biāo)志著人類團(tuán)結(jié)合作、和平利用外空的歷史性進(jìn)步，也讓人們對中國2030年前實(shí)現(xiàn)載人登月、2040年前建成一個完善型的國際月球科研站增添了更多信心與期待。

（作者為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）