嫦娥六號爲何"打水漂"式返回? 月背"土特產"裡有什麼?

2024年6月25日14時07分，嫦娥六號返回器準確着陸於內蒙古四子王旗預定區域，爲這趟歷時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月球樣品交接儀式，經初步測算，此次採集到月球背面樣品1935.3克。隨後，月球樣品運輸至實驗室，正式開啓科研工作。

嫦娥六號任務的完成，使我國成爲世界上唯一一個兩度着陸月球背面的國家，並實現了人類首次從月球背面採集月壤返回地球的宏願。中國的這一歷史性創舉，不僅代表着中國在航天領域的技術突破，更意味着爲人類探月補上了一塊重要拼圖。

“探月”國際合作的優秀示範

當前，科學家對月球起源和演化過程的認知依然存在許多空白，在月背進行採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。月表分爲月海和月陸兩大地理單元，其中正面月海多，顏色暗，主要是玄武岩；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着陸採樣。該盆地的地質年齡距今超過42億年，保存了月球上古老的岩石，所以有很高的科研價值。此前，嫦娥四號着陸於該盆地正面的馮·卡門撞擊坑內。

嫦娥六號的工程目標有四個：一是突破月球逆行軌道設計與控制技術；二是月球背面智能快速採樣技術；三是月背起飛上升技術，實現月球背面自動採樣返回；四是開展有效的國際合作。其科學目標有兩個：一是在月球背面南極-艾特肯盆地預定着陸點開展區域形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯繫；二是對月球背面樣品進行系統、長期的實驗室研究，分析月壤的結構、物理特性、物質組成等，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演化等重大科學問題上取得新的認識。

嫦娥六號是嫦娥五號的備份，其整體結構與嫦娥五號基本一致，由軌道器、返回器、着陸器和上升器4部分組成。但爲了進行月背採樣返回探測，以及開展更廣泛的科學探測和國際合作，嫦娥六號比嫦娥五號搭載了更多的科學載荷，配置了3臺國內載荷和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”國際合作的優秀示範。嫦娥六號的着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立運行的立方星。

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

歐空局的月表負離子分析儀（NILS）用於對月球表面負離子進行探測，探測負離子對空間、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制。

巴基斯坦的立方星（ICUBE-Q）搭載了兩臺拍攝月球的光學相機，用於開展在軌成像任務，驗證納衛星月球軌道探測技術，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）用於激光測距，作爲在月球背面的定位絕對控制點，它可以與其他月球探測任務開展聯合測距與定位研究。

突破三大關鍵技術

爲了在“山脈中找平地”，嫦娥六號出發前，科研人員在選址上下足了功夫。其間，用嫦娥二號影像製成的全月7米分辨率數字正射影像及20米分辨率的數字高程模型產品發揮了重要作用，科研人員藉助它們爲嫦娥六號着陸尋找到坡度較小的平坦區域。

相比於嫦娥五號任務，嫦娥六號任務的落點範圍縮小了一半，而且由於嫦娥六號要在月球背面着陸，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行支持，所以風險性比較高。這次落月的難度主要在於全程地面無法干預，完全爲自主執行。從嫦娥六號着陸-上升組合體實際的落月時間和落月姿態來看，都在設計指標內，因此這次落月任務是圓滿的。

爲確保世界首次在月球背面採樣返回成功，嫦娥六號任務突破了三大關鍵技術。

一是突破了月球逆行軌道設計與控制技術。由於嫦娥六號是在月球背面着陸，而且着陸位置由嫦娥五號的北緯地區變爲南緯地區，如採用嫦娥五號的環月順行軌道方案，着陸時會出現比嫦娥五號受曬面調轉180°的情況，從而影響採樣過程中的能源供給等。爲了不大幅調整嫦娥六號探測器，專家爲嫦娥六號設計了逆行環月軌道方案，通過調轉飛行軌道的方向，化解了因採樣區域位置變化帶來的朝向、姿態變化問題，保證其隨時隨地“能量十足”，在動力下降初始姿態和落月後月面工作姿態與嫦娥五號基本一致。

二是突破了月球背面智能快速採樣技術。相比嫦娥五號，嫦娥六號面臨幾方面挑戰：需要靠鵲橋二號中繼星“搭橋”；由於緯度更高，月壤的風化程度不充分，所以對採樣裝置挑戰更大；表取採樣時間從嫦娥五號的21小時縮短爲14小時。這是由於月背中繼通信時長受限，爲此，嫦娥六號表取採樣必須快速化、智能化和自主化，顯著提高採樣效率。因此，研製團隊爲表取採樣過程設計了17個獨立的序列程序，能自主判讀遙測數據，使表取採樣任務減少了約500條器地指令交互，從而縮短採樣時間。

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

起飛時間是零窗口，必須按時起飛，因爲月球自轉週期是一個月，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、導航與控制系統控制上升器主發動機自行點火起飛。

因爲月球着陸點從正面改變到了背面，並受軌道設計和窗口的約束，所以大大增加了這次任務的飛行時間。嫦娥六號在環月飛行段和環月等待段都比嫦娥五號待得久，總飛行時間增加了30天。

月背“土特產”裡有什麼

嫦娥六號着陸-上升組合體在月揹着陸後，很快就進入了此次任務的重頭戲——採集月壤，它裝備了鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“挖土神器”。

採樣方式分爲鑽取和表取。首先進行鑽取，即對月表下的月壤採樣。鑽取採樣裝置長度爲2.5米，材料是一種硬質合金，內外共有3層結構，最外層是可以旋轉鑽進的外鑽桿。緊靠外鑽桿的是取芯管，它被一個長長的取芯袋包裹着。當鑽頭向下鑽進時，取芯袋會跟隨着取芯管向下運動，而鑽取到的月壤巖芯就會被頂進袋內，這個過程有點像“穿襪子”。

鑽取採集到的是月壤整體，也就是保持剖面層序的樣品。不過，這種採樣的量較少，方式也不能調節，因爲它固定安裝在着陸器下面。此次鑽取過程持續了約3個小時，獲取了月球背面不同深度的月壤樣品，於6月2日12時40分完成。

然後是表取，即對月表月壤採樣。與鑽取不同，表取是藉助着陸器的機械臂，用14個小時從月表鏟取月球表層的月壤和石塊。機械臂可在120°的範圍內實施月面採樣，並能連續多次、多點自動採樣。它的“末端採樣器”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岩石狀月岩，同時，對於一些相對堅硬的目標能進行淺鑽，並通過花瓣結構進行樣本提取。

表取採集的樣品先放置在表取初級密封裝置中，待採樣工作結束後，表取初級密封裝置就會從着陸器上被提取出來，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。

待月壤鑽取、表取結束後，嫦娥六號着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立動態展示國旗。該旗採用新型複合材料和特殊工藝，旗面是玄武岩熔融拉絲技術製作而成的，具有更強的耐腐蝕性、耐高溫和耐低溫等優異性能。

根據任務計劃，嫦娥六號的主要科學任務集中在4個方面。一是尋找新礦物和岩石。此前，我國在嫦娥五號樣品中發現了新礦物，如嫦娥石，嫦娥六號極有可能發現更多新的礦物和岩石。二是尋找月球深部物質。嫦娥六號着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。研究從這裡採集的樣品有望發現來自月幔的深部物質，這對理解月球深部結構和月球的起源、演化有重要作用。三是尋找古老物質。阿波羅撞擊坑年齡約42億年，可能分佈有月表最古老的岩石，嫦娥六號的一個關鍵任務是採集古老的月球岩石和可定年的礦物。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現，而阿波羅撞擊坑內部就有蘇長巖，如有收穫，將有助於解開蘇長巖成因之謎。

此次，嫦娥六號任務採集到1935.3克月球背面樣品，很多人都關心月背挖回的“土特產”裡究竟有什麼？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.岩石碎片：這些碎片來自月球表面的岩石；

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：月壤中可能含有由撞擊熔融形成的玻璃物質；

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燃料，在月壤中的含量較爲豐富。

爲何要採用“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着陸內蒙古四子王旗的。

爲什麼要用這種方式返回呢？所謂“打水漂”就是返回器要兩次進入地球大氣層。嫦娥六號返回器在第一次以10.9千米/秒進入大氣層後，要經歷一個從一步步親近地球到一點點遠離地球並穿出大氣層的過程，就像打了一個水漂。這種專門安排的在大氣層中進行數千公里的飛行，就是要利用大氣的阻力和與大氣摩擦產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，當返回器衝出大氣層後便不再滿足成爲一顆地球衛星的基本條件，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燬的。用大氣層阻力將返回器速度降爲第一宇宙速度後，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，因爲它從最初再入大氣層到最後落地，其間要在風馳電掣和大起大落的狀態下飛行六七千千米，稍有偏差就有可能回不到地球或者無法準確着陸預定地點。

在這個“打水漂”返回的過程中，地球大氣擔任雙重角色，一方面要充當阻力盡量降低返回器的速度，另一方面還要充當升力，保證返回器在速度降到一定程度後能順利躍起。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，然後第二次再入大氣層。完成這一高難任務要靠制導、導航與控制系統。制導是根據當前位置和速度並結合落點位置進行制導處理，自動規劃出最佳飛行路線；導航是實時獲取自身位置和速度；控制是通過控制返回器外的發動機調整返回器姿態，使其沿規劃軌跡飛行。這三者協同工作，方能使返回器找到回家的路。

值得關注的是，嫦娥六號返回器採用半彈道跳躍式返回要兩次經過黑障區（航天器高速返回大氣層時，在一定高度與地面通信聯絡中斷的區域），當返回器距地面120千米時，它在2分鐘後進入再入走廊，開始持續3分鐘的初次再入並進入黑障區。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後再次進入黑障區，4分鐘後飛出黑障區。

航天器經過黑障區會面臨以下考驗：黑障區的高溫和熱流可能會對航天器的結構和材料造成嚴重熱損傷，甚至引發航天器解體；黑障區會導致航天器與地面控制中心之間的通信中斷，因爲返回器周圍形成的等離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行控制和指揮；航天器在黑障區所受到的氣動壓力和過載非常大，可能會對航天器的結構和設備造成損壞，導致航天器的姿態失控。

爲了通過黑障區的考驗，研製團隊必須採取一系列措施，如使用耐高溫材料、優化航天器外形設計等，以確保航天器能夠安全穿越黑障區併成功返回地球。其中，返回器金屬殼體的高質量是確保返回成功的一個重要因素。另外，研製團隊根據返回器不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，爲其量身定製了一件“貼心防熱衣”。返回器大面積防熱結構採用了航天材料及工藝研究所的輕質蜂窩增強防熱材料，該材料具有密度低、重量輕、燒蝕防熱效果優異、一致性好、可靠性高等優點，爲嫦娥六號任務的成功提供了堅實保障。輕質蜂窩增強防熱材料採用創新的材料設計方法，解決了輕質材料與長時複雜氣動加熱的矛盾，優異的燒蝕性能使返回器氣動外形保持良好，同時爲保護其內部的月壤成功返回地面起到決定性作用。

作爲多個國家“集體勞動”的成果，嫦娥六號成功月背採樣返回的意義超越了國界，它標誌着人類團結合作、和平利用外空的歷史性進步，也讓人們對中國2030年前實現載人登月、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。（作者爲全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩）

（來源：北京日報）