史上最複雜的探測器嫦娥六號，如何採取人類首份月背樣品？
作者：LM-51D-YZ4D2，航天愛好者
今天，長征五號遙八火箭即將從海南文昌航天發射場點火起飛，把嫦娥六號探測器送入預定軌道。作爲嫦娥五號的備份器，嫦娥六號繼承了嫦娥五號的結構，又針對月球背面着陸進行了優化，涉及多器月球軌道集合和月背中繼通信等，是人類歷史上最複雜的無人月球任務。在21世紀成功着陸月球的國家中僅有中美還有開展此類複雜着陸任務的能力，而美國在CLPS構架下的商業月球任務對採樣返回並不特別注重，我國在基於嫦娥五號成功的基礎上開展擴展任務，這也使得我們在首次月揹着陸的成就後，即將返回首份月背樣本。
嫦娥六號是嫦娥五號的備份。在嫦娥五號實現了中國首次月球無人採樣返回後，繼續讓嫦娥六號復刻嫦娥五號的成功有些過於平淡了，在去月球南極或者月球背面兩個方案之間，最終嫦娥六號的任務變成前往月球背面採集月球樣品並帶回地球，這是人類首次開展月球背面取樣。
嫦娥六號任務器箭組合體 圖片來源：國家航天局
嫦娥六號的着陸點位於南極-艾特肯盆地的阿波羅撞擊坑南側。南極-艾特肯盆地形成的年代古老（43億年）、尺度巨大（直徑達2400km，最南到達南極）、組分分佈異常和後續火山活動造就的複雜地貌，成爲了月球背面科研價值最高的地區。而阿波羅撞擊坑形成於39-41億年前，很可能含有形成南極-艾特肯盆地的撞擊物質的殘留產物和後續火山活動的產物，阿波羅撞擊坑中一些子撞擊坑如德萊頓撞擊坑的輝巖更富含鎂，很可能保留了在形成南極-艾特肯盆地的撞擊中從月球地幔中攪出來的物質。
嫦娥六號探測器將試圖在阿波羅撞擊坑收集年輕的、小於25億年噴出的玄武岩，並且測量這些樣本的年齡。目前根據撞擊坑尺寸-頻率分佈法的年代測定研究，月球正面直到12億年前還有火山活動，而月球背面的火山活動可能在30億年前就停止了，而該方法只能確定一些沉積物在25億年前形成，這也是月球正反面不對稱性的重要體現。如果嫦娥六號樣本中發現了生成年齡小於25億年的玄武岩，將擴展對月球背面玄武岩形成的年齡和月球背面熱演化的認識。
嫦娥六號很可能獲得一些南極-艾特肯盆地形成撞擊噴發的物質。阿波羅撞擊坑的形成很可能摧毀了大部分來自南極-艾特肯盆地形成撞擊產生的物質，然而這些物質仍然可能保存在阿波羅盆地的側壁和邊緣，特別是南部邊緣。嫦娥六號探測器返回的南極-艾特肯盆地形成撞擊物的噴出物年齡可能超過39億年，這將爲南極-艾特肯盆地和阿波羅撞擊坑形成事件的時間提供基本信息，大大提高對月球和整個太陽系內部撞擊年表的認識。此外，通過嫦娥六號獲得的任何深層地殼和可能的地幔物質，都將徹底改變我們對月球內部的組成、月球的熱演化以及月球形成地球撞擊事件後原始月球累積源物質的作用的思考。
受到月球的遮擋，登陸月球的探測器無法直接與地球通信。爲了實現月球背面航天器與地球的通信，3月20日，鵲橋二號中繼通信衛星已提前升空。
鵲橋二號 圖片來自央視
鵲橋二號原本打算爲嫦娥七號提供數據中繼，將搭乘嫦娥七號發射。在嫦娥六號選定月背43°S的着陸區後，考慮到鵲橋一號對着陸區的覆蓋有限，並且其配置的X波段對地/月天線數傳速率有限，因此最後決定將鵲橋二號和嫦娥七號任務解耦，單獨發射月球極軌道中繼星，以增強對嫦娥六號的服務。
鵲橋二號對月高速率通信採用一個4.2米口徑的X/UHF波段傘天線，X波段用於和嫦娥六號、嫦娥七號着陸器通信，UHF波段是爲未來嫦娥七號攜帶的玉兔三號月球車服務。當然了，在測試階段它也和嫦娥四號進行了通信。對地採用一個帶有云臺的0.6米固定反射器，採用S/Ka波段。Ka波段的引入使得鵲橋二號可以以最高500Mbps的速率實現地月通信，比只有S波段的鵲橋一號高到不知道哪裡去了。
鵲橋二號是人類首顆使用外三體效應軌道的航天器，其軌道設計考慮了來自地球和太陽引力的干擾，並將其作爲航天器軌道拱線轉變的手段。航天器進入環月軌道後進行一次點火，進入一條L1族NRHO軌道，隨後再點一次火離開NRHO，進入遠地點在嫦娥六號着陸點上方的大橢圓24小時軌道，爲嫦娥六號提供每天超過21小時的數據中繼。直到2024年6月嫦娥六號任務結束後，鵲橋二號將通過幾次機動最後進入12小時大橢圓軌道，等待裝滿科學載荷的嫦娥七號在2026年抵達。
嫦娥六號可以說是人類歷史上最複雜的無人探測器。不僅繼承了嫦娥五號一樣的複雜組件，有63臺/套機構分系統、119個火工裝置、655臺/套儀器設備，還涉及多航天器月球軌道協同操作和無人月球軌道對接等世界級難點，甚至還將在月球軌道分離一顆巴基斯坦立方星。嫦娥六號的環月軌道階段也大幅增長，任務時間相比嫦娥五號任務翻倍，而且着陸點在月背南極-艾特肯盆地阿波羅撞擊坑的南側，直接產生了多器對鵲橋二號中繼通信這一新難點，整個任務前後涉及4類組合體，總計7個航天器單體。
嫦娥五號探測器結構圖，六號和五號結構相同
爲了在月背獲取預期樣品，嫦娥六號配置了一系列表取、鑽取、封裝等裝置，並有相關的採樣點和採樣策略驗證。嫦娥六號的採樣封裝系統不僅需要適應月面高溫、月面風化層，還需要在月面着陸姿態、月面地形和月面地質等不可提前預知的複雜工作環境下準確可靠的完成2000多個動作的採樣封裝任務，爲此航天五院還專門在地面設置了對應的模擬器，探測器的每個取樣動作都需要先在地面驗證過再上行指令由探測器執行。
採樣過程實拍圖
嫦娥六號着陸月背後，開展圖像獲取與分析，利用採樣過程監視相機A/B/C/D和鑽取採樣機構監視相機完成採樣封裝設備的視覺信息，進行採樣區和裝置的分析等，隨後立即實施採樣點確定與採樣初始策略驗證。着陸採用監視相機A/B獲得表取採樣區圖像，加載表取機械臂可採樣區域，隨後進行數字地形重構。隨後由地面驗證器鑽取模擬月壤驗證可行性，再由探測器鑽取裝置運行鑽取。表取地面測試採用AR投影技術進行物理構建，由地面驗證器表取機構運行取樣，再根據仿真分析和物理驗證確定採樣點。
嫦娥五號表取區域成像圖
全景相機拍攝的取樣器運行和月表
嫦娥六號的表取裝置具備多次表面採樣能力，月面工作時間不小於24小時。表取裝置爲四自由度表取採樣機械臂，由四自由度表取採樣機械臂、末端採樣器（採樣器甲、採樣器乙）、微小相機（遠攝相機，近攝像機）和壓緊釋放機構等組成，集成了鏟、挖、納、抓等多種功能。採樣器甲主要實現月球樣品的鏟挖採集，採樣器乙實現月球樣品的旋挖和定點抓取採集，這兩者通過T形三通件形成一個整體組件，機械臂腕關節外部安裝有觸月組件，可在機械臂觸及月表時發出觸月信號。
表取裝置取樣器和機械臂
嫦娥六號的鑽取採樣裝置是軟管取芯的單杆鑽取，其中2.5m長的鑽桿主體採用鋁基碳化硅材料，能夠鑽挖硬度8的岩石。根據可行性分析，在不影響起飛的極限傾斜着陸條件下鑽機可鑽取最小700mm、最大2376mm的月壤，在探測器着陸姿態水平的着陸狀態下可鑽取2009.5mm的月壤。這套機構在嫦娥五號任務中順利展開並且實施了採樣，但可惜由於着陸點月表下方0.9m就是堅硬而複雜的多層岩石，並且深層月壤糊住了鑽頭，無法繼續向下鑽取。爲避免持續高功率鑽挖岩石導致鑽取電機故障，甚至導致整器掉電，嫦娥五號沒有強行向下鑽探而是在有效深度1004mm處終止了鑽取採樣，嫦娥六號鑽取採樣裝置繼承嫦娥五號，尺寸並沒有太大的變化，但鑽頭經過了優化避免發生嫦娥五號任務中的意外事件再次發生。
鑽取採樣裝置的鑽桿
考慮到着陸區環境不可預測的地質特性，嫦娥六號的表取裝置和鑽取裝置完全獨立，顯著降低了採樣封裝失敗的概率。因爲採取到的月球樣品存在差異，也對鑽取月球樣品與表取月球樣品分立式初級封裝，確保鑽取和表取樣本不混雜。密封圈採用金屬擠壓密封爲主、橡膠圈密封爲輔的方案，綜合漏率爲3.6×10-10 Pa·m3/s，遠低於密封漏率指標的5×10-9 Pa·m3/s。
樣本密封過程實拍圖
科學載荷方面，嫦娥六號攜帶有4臺國內儀器、3臺國外儀器，全部位於着陸器上。由於嫦娥六號的熱控管路主系統位於上升器內，上升器飛離後熱控管路隨即被切斷，因此上升器起飛後這些儀器將失去熱控，停止運行。
國內的LCAM降落相機爲嫦娥六號動力下降提供圖像，PACM全景相機在着陸後提供着陸點的月球全景圖像，LMS月球礦物光譜分析儀和LRPR月壤結構探測儀將爲月面採樣服務，其中LRPR可以探測着陸點下方2米的月壤，爲探測器鑽取月壤提供數據支持。法國DORN氡氣探測儀將探測月壤中鈾衰變產生的氡氣。這是人類首次在月球表面測量氡氣濃度的科學實驗，同時測量氡衰變形成的釙元素來研究月塵的散佈和沉積。歐空局NILS負離子探測儀則是人類首臺不運行在近地軌道附近的負離子探測儀，旨在檢測由於與太陽風相互作用而從月球表面發射的負離子，並確定其通量的上限。
嫦娥六號還攜帶了一枚上海交通大學爲巴基斯坦開發的3U立方星——ICUBE-Q，也叫“思源一號”，以探測月球表面水冰存在過的痕跡。衛星將在嫦娥六號進入環月軌道後分離。這是首次嫦娥系列月球探測器攜帶並在月球軌道釋放的小衛星，也代表着我國探月工程和外國形成了更緊密、充分的合作。
嫦娥六號是人類目前最複雜的無人月球任務，一旦成功從阿波羅撞擊坑南側取回樣本，將同時擴展我們對月球演化和太陽系起源的認識。作爲探月四期的首次正式着陸任務，它也將嫦娥工程從工程先導逐步轉向科學先導，通過幾次重要任務以探索月球最核心的問題，再逐步發展爲月球南極科研站（ILRS）和未來的嫦娥9、10號任務等，讓我們更好的理解這顆距離我們最近的天體。