6月25日，攜帶約2千克采集自月球背面的月壤樣品，嫦娥六號(hào)返回器在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)回到了地球家園。至此，長達(dá)53天的嫦娥六號(hào)任務(wù)劃上了圓滿的句號(hào)。

從這一刻起，我國成為世界上唯一一個(gè)兩度著陸月球背面的國家，并在人類歷史上首次從月球背面成功采回月壤。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，更意味著我們為人類探月補(bǔ)上了一塊重要拼圖。

作為嫦娥五號(hào)的備份，嫦娥六號(hào)為這次史無前例的任務(wù)做了哪些改進(jìn)與準(zhǔn)備？實(shí)現(xiàn)了哪些技術(shù)突破？本報(bào)特邀全國空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩對(duì)此進(jìn)行解讀。

——編者

5月3日到6月25日，在這剛剛過去的53天中，中國航天又完成了一項(xiàng)歷史性創(chuàng)舉——在人類歷史上首次從月球背面成功采回了月壤。完成這一使命的嫦娥六號(hào)任務(wù)，經(jīng)歷了長達(dá)六年的等待。這次，它終于不負(fù)眾望，達(dá)成了既定的工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)。

作為嫦娥五號(hào)的備份，嫦娥六號(hào)的整體結(jié)構(gòu)與嫦娥五號(hào)基本一致，但與嫦娥五號(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，首次實(shí)施月球背面采樣返回。由于著陸點(diǎn)從正面改為背面，并受軌道設(shè)計(jì)及窗口的約束，嫦娥六號(hào)任務(wù)總的飛行時(shí)間比嫦娥五號(hào)增加了30天。

為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，同時(shí)開展更廣泛的科學(xué)探測(cè)和國際合作，相關(guān)研發(fā)人員對(duì)嫦娥六號(hào)探測(cè)器進(jìn)行了一系列適應(yīng)性改進(jìn)。除了檢測(cè)替換探測(cè)器上與嫦娥五號(hào)相同的部分產(chǎn)品外，航天科研人員還對(duì)導(dǎo)航控制指令進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并在工程上實(shí)現(xiàn)了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、月球背面智能快速采樣、月球背面起飛上升這三大關(guān)鍵技術(shù)的突破。

嫦娥六號(hào)拍攝的月背影像圖

逆行環(huán)月軌道

巧妙化解光照反轉(zhuǎn)難題

由于嫦娥六號(hào)任務(wù)是在月球背面著陸，著陸位置也由月球的北緯地區(qū)變?yōu)槟暇暤貐^(qū)，因此它不能沿用嫦娥五號(hào)開辟的路線前往，而是要重新選擇一條最優(yōu)軌道。

在月球上，太陽始終直射在月球赤道附近的區(qū)域，如果仍然采用原有的環(huán)月順行軌道方案，那么當(dāng)探測(cè)器在月球南半球著陸時(shí)，與嫦娥五號(hào)任務(wù)相比，就會(huì)出現(xiàn)受曬面調(diào)轉(zhuǎn)180°的情況——即探測(cè)器本應(yīng)朝陽的一側(cè)處于陰影中，而應(yīng)當(dāng)處于陰影環(huán)境的一側(cè)處于光照中。這會(huì)影響采樣過程中的能源供給和采光等。

然而，作為嫦娥五號(hào)的備份，嫦娥六號(hào)沿襲了"前輩"既有的構(gòu)型布局和硬件產(chǎn)品。為了不大幅調(diào)整探測(cè)器的構(gòu)型布局和硬件產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師們?yōu)?quot;六姐"重新設(shè)計(jì)了一條環(huán)月軌道，也就是"逆行環(huán)月軌道"方案。

簡(jiǎn)單來說，這個(gè)方案就是讓嫦娥六號(hào)在環(huán)月軌道上的飛行方向與月球自轉(zhuǎn)方向相反，這樣無需調(diào)整探測(cè)器設(shè)計(jì)方案，也能保證它隨時(shí)隨地"能量十足"，順利化解了因著陸點(diǎn)變化帶來的朝向、姿態(tài)等問題。

這條由東向西環(huán)月的逆行軌道，可為嫦娥六號(hào)探測(cè)器提供更加穩(wěn)定和均勻的空間外熱流環(huán)境，確保探測(cè)器姿態(tài)幅度調(diào)整最小，在飛行過程中技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定，動(dòng)力下降初始姿態(tài)和落月后月面工作姿態(tài)與嫦娥五號(hào)基本一致。為了能在預(yù)選位置著陸，研發(fā)人員還優(yōu)化了軌道設(shè)計(jì)和控制以及整個(gè)動(dòng)力下降和著陸過程的策略，從而提高了著陸安全性。

這次嫦娥六號(hào)著陸-上升組合體精準(zhǔn)而穩(wěn)當(dāng)?shù)耐昝缆湓?，凝聚了科研人員的無數(shù)心血。

相較于月球正面，月背隕石坑更多，地勢(shì)更為崎嶇。為了在"山脈中找平地"，在嫦娥六號(hào)出發(fā)前，科研人員在選址上下足了功夫。在選址過程中，用嫦娥二號(hào)獲取的影像所制成的全月7米分辨率數(shù)字正射影像、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?hào)尋找坡度較小的平坦區(qū)域。

與嫦娥五號(hào)任務(wù)相比，嫦娥六號(hào)任務(wù)落點(diǎn)范圍縮小了一半，而且在整個(gè)落月過程與月面工作過程中，只有鵲橋二號(hào)中繼星進(jìn)行支持，所以落月過程幾乎全程無法地面干預(yù)，完全靠探測(cè)器自主執(zhí)行。

嫦娥六號(hào)月背著陸影像

從嫦娥六號(hào)著陸-上升組合體實(shí)際的落月時(shí)間和落月姿態(tài)看，誤差都在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)，這次落月任務(wù)是圓滿的。尤其著上組合體在月背軟著陸之前，經(jīng)受住了"最后一落"的沖擊。

組合體上四條輕質(zhì)、高強(qiáng)的"纖纖美腿"讓它落月更輕盈。每條著陸腿都由一個(gè)主腿、兩個(gè)副腿和一個(gè)足墊組成。著陸前，由新型高強(qiáng)合金材料與特殊材料填充制成的主副腿協(xié)同工作，著陸時(shí)安全支撐住探測(cè)器的身體，將各種沖擊力傳遞、吸收。而著陸器搭配的四個(gè)"足墊"，好像四個(gè)臉盆大的圓形"大腳掌"，每個(gè)的直徑足有普通人腳掌的2倍，其盆狀結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)巧妙的"足弓"可起到更好的緩沖作用，防止著陸器在著陸月背時(shí)"摔倒"，提升落月時(shí)的"腳感"舒適度。

月背智能采樣

采得著、鉆得動(dòng)、封得住、回得來

此行是世界首次在月球背面靠近南極的區(qū)域進(jìn)行采樣，嫦娥六號(hào)遇到了三大挑戰(zhàn)：

一是月球背面相對(duì)地球不可見，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；

二是由于采樣地點(diǎn)所處的緯度較嫦娥五號(hào)更高，月壤的風(fēng)化程度相較于低緯度更加不充分，月壤中石塊含量更多，這對(duì)地面規(guī)劃及采樣機(jī)構(gòu)是一個(gè)更大挑戰(zhàn)；

三是采樣時(shí)間比嫦娥五號(hào)更短，整體工作流程更復(fù)雜，任務(wù)難度非常大。

智能采樣是嫦娥六號(hào)任務(wù)的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。與嫦娥五號(hào)相比，鵲橋二號(hào)中繼星支持地月之間聯(lián)系的時(shí)間，由48小時(shí)縮短到40小時(shí)。受此限制，著陸器的月表采樣時(shí)間從嫦娥五號(hào)的21小時(shí)縮短為14小時(shí)。

機(jī)械臂進(jìn)行月背表取

為此，研制團(tuán)隊(duì)設(shè)法提高了采樣效率，使嫦娥六號(hào)在月面采樣的快速化、智能化和自主化方面有了很大改進(jìn)。他們?yōu)楸砣〔蓸舆^程設(shè)計(jì)了17個(gè)獨(dú)立的序列，器上設(shè)備能自主判讀遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過序列組合完成表取采樣全部工作。這使得整個(gè)采樣任務(wù)減少了約500條器地指令交互，從而縮短了采樣時(shí)間。

月背表取不是直接用鏟子鏟，而是要經(jīng)過拍照、重建三維地形、生成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)策略等一系列的智能操作。例如，負(fù)責(zé)挖土的機(jī)械臂有4個(gè)自由發(fā)揮的空間，選定區(qū)域后，它會(huì)在面積約七八平方米的范圍內(nèi)完成鏟土。最后，采樣機(jī)構(gòu)要把鉆取和表取的月壤分類打包。

針對(duì)月背更加復(fù)雜的環(huán)境和著陸區(qū)月壤特性，研制團(tuán)隊(duì)在繼承嫦娥五號(hào)相關(guān)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，為嫦娥六號(hào)采樣封裝分系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)升級(jí)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)月球背面采樣的控制算法和采樣策略，以確保月背采樣"采得著、鉆得動(dòng)、封得住、回得來"。

為了能"鉆得動(dòng)"，研制團(tuán)隊(duì)通過對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案，"百里挑一"確定了鉆頭、取芯機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)構(gòu)型。例如，鉆頭被設(shè)計(jì)為多個(gè)切削面，具備高硬度巖石鉆進(jìn)能力，針對(duì)不同顆粒度月壤具備切削、撥、擠、排等能力，在實(shí)現(xiàn)高效取芯的同時(shí)具有良好的層序保持特性。這些鉆頭功率高達(dá)1000瓦，不僅具備對(duì)八級(jí)硬度巖石的鉆孔能力，還配有反復(fù)捶打裝置和沖擊能力，能一邊松動(dòng)月表深層土壤、一邊向深層鉆取。這些采樣機(jī)構(gòu)還能一邊鉆土、一邊打包，像做香腸一樣，把鉆取的月壤有層次地自動(dòng)裹進(jìn)打包袋里。

為了保證"封得住"，獲取的樣品在提芯過程中不發(fā)生掉落，封口器采用了扭轉(zhuǎn)密閉式結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行大應(yīng)變材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單可靠的封口——哪怕長時(shí)間處于大變形承載狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。針對(duì)采集的月壤樣品具有可變形特征，研究人員還專門設(shè)計(jì)了特殊的提芯拉繩，確保取芯軟袋具有確定的幾何形狀，方便了樣品傳送和轉(zhuǎn)移。

表取完成后，嫦娥六號(hào)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(dòng)態(tài)展示國旗。這面國旗采用新型復(fù)合材料和特殊工藝，其中旗面是由玄武巖熔融拉絲技術(shù)制作而成，具有更強(qiáng)的耐腐蝕性、耐高溫和耐低溫等優(yōu)異性能。

嫦娥六號(hào)著陸器在月球背面展示國旗

月背起飛上升

自主準(zhǔn)備零窗口點(diǎn)火

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、回傳了著陸器和上升器合影。該"移動(dòng)相機(jī)"是由中國空間技術(shù)研究院研制的月面自主智能微小機(jī)器人，質(zhì)量為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、自主構(gòu)圖，并進(jìn)行成像位置的智能優(yōu)化，最終拍攝了這幅著陸器上升器組合體在月球背面的第三視角真實(shí)圖像。

嫦娥六號(hào)著陸器和上升器在月背合影

與嫦娥五號(hào)月面起飛相比，嫦娥六號(hào)從月球背面起飛，無法直接得到地面測(cè)控支持，需要在鵲橋二號(hào)中繼星輔助下，借助自身攜帶的特殊敏感器，實(shí)現(xiàn)自主定位、定姿，工程實(shí)施難度更大。

嫦娥六號(hào)的月面起飛分為起飛準(zhǔn)備、垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道入射四個(gè)階段，最大的難點(diǎn)是智能自主控制，尤其是在月面起飛的第一階段——月背起飛必須考慮到和中繼星通信不暢的情況，所以嫦娥六號(hào)智能自主起飛準(zhǔn)備是與嫦娥五號(hào)最為不同的地方。

進(jìn)入起飛準(zhǔn)備程序后，嫦娥六號(hào)開始進(jìn)行自主位置確定、自主姿態(tài)確定和自主起飛參數(shù)計(jì)算等。嫦娥六號(hào)起飛的整個(gè)過程都是由制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)來控制的。

由于月面起飛的時(shí)間點(diǎn)是零窗口，要求上升器必須按時(shí)起飛。這是因?yàn)樵虑蜃赞D(zhuǎn)周期是一個(gè)月，一旦錯(cuò)過這個(gè)對(duì)接窗口，就得再等上一個(gè)月。所以，到了起飛時(shí)間，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)就會(huì)控制上升器主發(fā)動(dòng)機(jī)，自行點(diǎn)火起飛。

所有月面起飛參數(shù)是由地面精準(zhǔn)計(jì)算的。地面測(cè)控人員根據(jù)著陸的位置和姿態(tài)、環(huán)月的軌道，為嫦娥六號(hào)上升器計(jì)算出最佳飛行方向和參數(shù)，以保障上升器以這種方式起飛。這樣，它才能以最省燃料的方式進(jìn)入交會(huì)對(duì)接初始軌道，與一直在月球軌道運(yùn)行的軌道-返回組合體交會(huì)對(duì)接。

哪些國際載荷同去月球背面

與嫦娥五號(hào)相比，嫦娥六號(hào)搭載了更多的科學(xué)載荷。除了3臺(tái)國內(nèi)載荷外，還有4臺(tái)國際載荷，而嫦娥五號(hào)沒有搭載國際載荷。

由此可見，嫦娥六號(hào)此行的意義超越了國界，標(biāo)志著人類團(tuán)結(jié)合作、和平利用外太空的歷史性進(jìn)步，也讓人們對(duì)中國2030年前實(shí)現(xiàn)載人登月、2040年前建成一個(gè)完善型的國際月球科研站有了更多信心與期待。

嫦娥六號(hào)著陸器搭載了來自法國、歐洲航天局、意大利的3臺(tái)載荷，軌道器則搭載了巴基斯坦獨(dú)立運(yùn)行的立方星。為了確保搭載設(shè)備可靠工作，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)國際搭載進(jìn)行了專門的國際搭載設(shè)計(jì)，并對(duì)搭載安全進(jìn)行了特殊考慮和充分驗(yàn)證。

法國的氡氣探測(cè)儀（DORN）用于對(duì)月球表面氡氣同位素開展原位探測(cè)，研究揮發(fā)物在月球環(huán)境下傳輸和擴(kuò)散機(jī)制，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，它在地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月階段和月面工作段均進(jìn)行了開機(jī)工作。

歐空局的月表負(fù)離子分析儀（NILS）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，它在月面工作段進(jìn)行了開機(jī)工作

意大利的激光角反射器（INRRI）由兩個(gè)被動(dòng)激光逆反射器組成，用于激光測(cè)距。作為在月球背面的定位絕對(duì)控制點(diǎn)，它安裝在著陸器頂部，可與其他月球探測(cè)任務(wù)開展聯(lián)合測(cè)距與定位研究。

巴基斯坦的立方星（ICUBE-Q）重達(dá)7千克，搭載了兩臺(tái)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(cè)技術(shù)。它不僅拍攝軌道器、月球和地球的圖像，還探測(cè)月球磁場(chǎng)。

嫦娥六號(hào)上搭載的3臺(tái)國內(nèi)載荷，分別是用于獲取著陸區(qū)和采樣區(qū)高分辨率月表圖像的全景相機(jī)，用于獲取月表采樣區(qū)光譜數(shù)據(jù)、進(jìn)行著陸區(qū)月表礦物組分分析研究的月球礦物光譜分析儀，以及用于探測(cè)月表地下月壤結(jié)構(gòu)、為鉆取采樣過程提供信息支持的月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀。這些分析數(shù)據(jù)將與后續(xù)的月球樣品實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而豐富和拓展月球樣品實(shí)驗(yàn)室的研究成果。

>>>53天飛行實(shí)錄

嫦娥六號(hào)任務(wù)飛行全過程約53天，由11個(gè)飛行階段組成：

發(fā)射入軌段

5月3日17時(shí)27分19秒，嫦娥六號(hào)由長征五號(hào)遙八火箭發(fā)射。

地月轉(zhuǎn)移段

器箭分離后嫦娥六號(hào)沿近地點(diǎn)高度約200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約38萬千米的地月轉(zhuǎn)移軌道飛行約5天，期間進(jìn)行了中途修正。

近月制動(dòng)段

5月8日10時(shí)12分，在離月面高度200千米的近月點(diǎn)附近，嫦娥六號(hào)實(shí)施了第一次近月制動(dòng)減速，進(jìn)入軌道周期12小時(shí)的環(huán)月橢圓軌道，開始環(huán)月飛行。

在這一階段，它共進(jìn)行了3次"剎車"，比嫦娥五號(hào)多了一次，這樣可在下降前的20多天里不斷調(diào)整軌道參數(shù)，高精度瞄準(zhǔn)著陸點(diǎn)，等待降落最佳時(shí)機(jī)。

5月21日，釋放巴基斯坦立方星。

環(huán)月飛行段

從5月8日探測(cè)器進(jìn)入環(huán)月橢圓軌道開始，直至著上組合體到達(dá)動(dòng)力下降初始點(diǎn)為止。

6月1日，嫦娥六號(hào)上的火工裝置起爆，在環(huán)月圓軌道上完成了著陸-上升組合體、軌道-返回組合體兩兩分離。分離后，軌道-返回組合體繼續(xù)環(huán)月飛行，等待上升器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接；著陸-上升組合體則通過實(shí)施兩次降軌變軌，進(jìn)入到近月點(diǎn)約15千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)約200千米的橢圓軌道。

著陸下降段

6月2日6時(shí)23分，著陸-上升組合體在鵲橋二號(hào)中繼星支持下成功著陸在月球背面南極-艾特肯盆地預(yù)選著陸區(qū)。

在動(dòng)力下降前，著陸-上升組合體先與鵲橋二號(hào)建立通信鏈路，然后經(jīng)過主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩沖下降段和著陸緩沖段7個(gè)階段，用時(shí)約15分鐘，最終在月面預(yù)定區(qū)域軟著陸。

月面工作段

著陸-上升組合體著陸后，先后采用鉆取和表取兩種采樣方式對(duì)月壤取樣。

首先進(jìn)行持續(xù)3小時(shí)的世界首次月球背面樣品鉆取，獲取了月背不同深度的月壤樣品，于6月2日12時(shí)40分完成。

然后對(duì)月表月壤取樣（即表?。饕蓸幽繕?biāo)是月球表面的風(fēng)化層樣品。操作進(jìn)行了約20個(gè)小時(shí)，采集的樣品轉(zhuǎn)移至位于上升器頂部的樣品容器內(nèi)。6月3日清晨，完成世界首次月球背面樣品表取及樣品封裝。

之后，國旗展開，上升器完成起飛準(zhǔn)備。

與此同時(shí)，國內(nèi)載荷、國際載荷開展就位探測(cè)；在月球軌道運(yùn)行的軌道-返回組合體通過實(shí)施4次調(diào)相機(jī)動(dòng)，準(zhǔn)備迎接上升器與之交會(huì)對(duì)接。

月面上升段

6月4日7時(shí)38分，攜帶月球樣品的上升器以著陸器為平臺(tái)，通過3000牛主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，在月面起飛加速至月球逃逸速度（約2.4千米/秒）。點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的上千攝氏度高溫使著陸器壽命終止。

上升器月面完美起飛后，在鵲橋二號(hào)中繼星輔助下，經(jīng)歷了垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道射入三個(gè)階段，順利進(jìn)入上升目標(biāo)軌道。

交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移段

6月6日14時(shí)48分，上升器與軌道-返回組合體采用了"握手+抱緊"的方式，完成月球軌道交會(huì)對(duì)接。這是本世紀(jì)第2次月軌交會(huì)對(duì)接。

完成交會(huì)對(duì)接后，上升器于15時(shí)24分將月球樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中，完成月壤樣品轉(zhuǎn)交。此后，完成使命的上升器及對(duì)接艙段被軌道-返回組合體擇機(jī)分離。

環(huán)月等待段

軌道-返回組合體在環(huán)月軌道停留約14天，等待月地轉(zhuǎn)移窗口。6月20日，通過軌道器上的3000牛主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施兩次月地轉(zhuǎn)移入射機(jī)動(dòng)進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。

月地轉(zhuǎn)移段

軌道-返回組合體在月地轉(zhuǎn)移軌道飛行5天后，于6月25日抵達(dá)地球附近，期間進(jìn)行了中途修正。

再入回收段

當(dāng)軌道-返回組合體飛行到達(dá)距地球約5000千米高度處，返回器與軌道器分離，并進(jìn)入高速再入返回跟蹤測(cè)量鏈跟蹤范圍。

6月25日，在距地表120千米高度時(shí)，返回器以10.9千米/秒速度用半彈道跳躍式再入大氣層，最終通過傘降輔助降落著陸于內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)，歷時(shí)53天的地月往返之旅完成。

作者：龐之浩

文：龐之浩圖：國家航天局編輯：許琦敏責(zé)任編輯：任荃

轉(zhuǎn)載此文請(qǐng)注明出處。

轉(zhuǎn)自https://www.163.com/dy/article/J5HLTB4L05506BEH.html