嫦娥六号 人类首次月背“挖土”之旅
2024-08-28林泉
2024年 5月3日，嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场发射，开启了人类首次月球背面“挖土”之旅。6月25日，嫦娥六号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，标志着此次探月任务取得圆满成功，实现了世界首次月球背面采样返回。嫦娥六号为何选择去月球背面“挖土”？它又是如何在月球上“挖土”的？它带回了哪些月球“土特产”？
为何要去月背“挖土”
因为月球总以同一面朝向地球，所以月球才有了正面和背面之分。月球的正面和背面有着巨大的差异：正面大多是低洼的平原；而背面基本是密密麻麻的撞击坑，这是由于月球早期遭受了多次撞击所致，也正因如此，月球背面隐藏着月球形成和演化的秘密。
研究月球背面撞击记录将有助于解开一个有关“月球灾难”的谜团。距今大约41亿～39亿年前，月球上形成了大量撞击坑。撞击是一个突发事件，还是一个长期过程？科学家对此一直存在分歧。另外，有学者推测，在同一时期，一些富含水和有机物质的小行星或彗星撞击了地球，为原始生命的孕育提供了条件。因此，弄清楚当时的撞击情况，对探究地球生命起源有重大意义。嫦娥六号带回的样本将有望提供重要线索。
此次嫦娥六号探测器的着陆和采样地点，位于月球背面南极—艾特肯盆地边缘地区的阿波罗盆地。南极—艾特肯盆地是太阳系中已知的最大撞击坑之一，被公认为月球上最大、最古老和最深的盆地，可能保存了月球上古老的岩石。而阿波罗盆地是南极—艾特肯盆地中最大的艾肯纪峰环盆地，其整体的月壳厚度很薄，探测器可以挖掘到月壳甚至月幔的深部物质。在这里采集样品并进行分析研究，可以更大概率地找到月球深部物质、发现月球古老的矿物和岩石，以填补人类获取月球背面样本的空白。
在月背采样返回有多难
到月球背面去“挖土”， 世界上没有先例可循，面临着很多新情况、新问题，其难度前所未有。由于月球阻挡信号，任何飞到、落到月球背面的探测器，都无法直接跟地球建立联系。嫦娥六号要到月球背面工作，必须建立相应的数据中继通信链路，才能实现与地面的正常通信。2024年3月20日，鹊桥二号中继通信卫星成功发射，搭建起地月之间的“通信桥梁”。鹊桥二号中继通信卫星不仅能提高通信速率、提高对月球南极区域的通信覆盖能力，还具有很强的灵活性和任务扩展能力，是名副其实的“服务之星”，为嫦娥六号及后续任务提供稳定可靠的数据中继服务。
嫦娥六号任务涉及多项技术挑战，是我国航天领域迄今为止复杂程度最高、技术跨度最大的航天系统工程。在“嫦娥六号”为期约53天的任务周期内，逆行轨道、月背起降、智能采样是最为重要的几道“雄关险隘”。
逆行轨道 环月逆行轨道方案是此次任务的亮点和难点。由于太阳始终直射在月球赤道附近的区域，嫦娥六号如果仍然采用嫦娥五号的环月顺行轨道方案，会影响采样过程中的能源供给、采光等。针对这一难点，轨道设计师为嫦娥六号巧妙设计了环月逆行轨道方案，即嫦娥六号从东向西飞行。该方案通过调转飞行轨道的方向，化解了因采样区域位置变化带来的朝向变化问题，同时避免了构型布局和硬件产品的大幅度调整。
月背降落 月球背面的地形起伏不平，再加上人们对月球背面的情况又知之甚少，这都对探测器在月球背面安全软着陆提出了更高要求。嫦娥六号采用了多脉冲轨道控制策略，通过精确的自动化设计方式，使探测器如期到达预定着陆区。
智能采样 在月球背面采样过程中，当鹊桥二号中继通信卫星飞行至月球正面时，嫦娥六号着陆器与上升器组合体会有几个小时与地球处于“失联”状态。为此，研制团队通过提高探测器的自主控制能力，进行了智能采样设计，将月面采样的有效工作时间缩短至20个小时以内，大大提高了其采样的效率。同时，探测器经受住了月球背面温差考验，克服了测控、光照、电源等难题，通过钻取采样和表取采样两种方式，分别采集了月球样品。
月背起飞 与嫦娥五号月球正面起飞相比，嫦娥六号从月球背面起飞，无法直接得到地面测控支持，需要在鹊桥二号中继通信卫星辅助下，借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿，工程实施难度更大。首先，上升器的起飞入轨精度要求高，这样才能为其后续与“轨返组合体”交会对接创造良好的条件。其次，地面测控人员要根据着陆的位置和姿态、环月的轨道，为上升器计算出最佳飞行方向和参数，保障上升器以最省燃料的方式进入交会对接初始轨道。后续，上升器将与在环月轨道上等待的“轨返组合体”进行月球轨道的交会对接。由于上升器和“轨返组合体”的重量差距比较大，为了避免碰撞，两个飞行器的交会对接采用了一种“握手”加“抱紧”的方式。
如何在月背上“挖土”和“打包”
在月球背面“挖土”是个精细活，如何用最“省力”的方法采集更多的月壤？嫦娥六号探测器采用了两种方式：一是钻取采样，即用一根钻杆钻入月球表层预定深度，把较深层土壤采集出来；二是表取采样，即用一个机械臂携带采样装置采集月球表面的土壤。
钻取采样需要采集一定深度的月球次表层样品，其目的是为了让采样装置采得更深，让样品种类更为丰富。钻取采样装置设计长度为2.5米，由特殊的硬质合金制成，一共有三层结构。最外层是可以旋转钻进的外钻杆。研制团队设计了“百里挑一”的独特钻头，使其具备高硬度岩石的钻进能力。紧靠外钻杆的是取芯管。取芯管的外面包裹着一条长长的袋子，叫取芯袋。当钻头向下钻进时，取芯袋也会跟随着取芯管向下运动，而钻取到的月壤则会被顶进袋内，这个过程有点像“穿袜子”。
表取采样则是在一片区域里进行多次采样，主要采样目标是月球表面的风化层样品。表取采样是借助机械臂完成的，机械臂的伸展长度达到了3.7米，可以在120度的范围内实施月面采样，并且能连续多次采样。机械臂携带了一个“末端采样器”。采样器的一头兼具挖取、铲挖、抓取3种功能：可直接挖取颗粒细小的月壤，可以铲挖较小的石块，抓取更大尺寸的石块。采样器的另一头则能对一些相对坚硬的目标进行浅钻，并通过末端的特制结构实现样本提取。
无论是钻取还是表取，所得样品都将被严格密封保存。封装也是一个难点。要想在无人条件下将月球样品进行打包、封装，并保证其历经38万千米的空间飞行后不被污染，就需要一套专门的在月表自动承接、密封样品的装置。为保证取得的样品在提芯的过程中不发生掉落，研制团队经过多个方案的筛选验证，设计采用了特定的封口方案。封口器采用扭转密闭式结构、大应变材料设计，具有低力载、高可靠的特点，且具备长时间处于大变形承载状态下不发生应力松弛的能力。为将月壤封装容器与整形机构分离并传送至上升器内，研制团队设计了专门的分离和传送方案，不仅结构简单、操作易控、能耗低，还可实现不同着陆姿态下封装容器的精准传送。
月背带回的“土特产”会有啥
嫦娥六号实现了人类首次在月球背面采样返回。在此之前，人类在月球采样过10次，采样点全部位于月球正面。嫦娥六号之所以选择在月球背面南极—艾特肯盆地中的阿波罗盆地采样，就是想尽可能采到与过去不同的样品，从而帮助人类更全面地了解月球。根据中国科学院地球化学研究所杨溢博士的介绍，嫦娥六号的主要采集任务包括寻找新矿物、寻找月球深部物质、寻找古老矿物和岩石、揭开苏长岩成因之谜、寻找名义含水矿物、寻找高压矿物等。
寻找新矿物
2020年12月17日，嫦娥五号携带1731克月壤成功返回地球，中国科学家首次在月球上发现了新矿物“嫦娥石”，该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物。正如地球上不同地方的岩石、土壤成分会有所不同，月球背面与正面的月岩、月壤也会有所不同，因此嫦娥六号极有可能会带回新的矿物。
寻找月球深部物质
我们知道，南极—艾特肯盆地是月球已知最大、最古老的撞击盆地。一些理论认为，形成南极—艾特肯盆地的撞击事件可能撞出了月幔物质。因此嫦娥六号有可能发现这些来自月幔的深部物质，对我们了解月球的起源和演化起到重要作用。
寻找古老矿物和岩石
根据近期出版的1：250万月球地质图，月球地质年代被划分为“三宙六纪”。南极—艾特肯盆地形成于月球初步形成固体月壳的时代，代表月球艾肯纪的开始。根据撞击坑统计定年，南极—艾特肯盆地一带的年龄约为42亿年，可能分布有月表最古老的岩石。嫦娥六号的任务之一便是采集古老的月球岩石和可定年的矿物（包括锆石、斜锆石、磷灰石等）。
揭开苏长岩成因之谜
根据近期正式出版的1：250万月球岩石类型分布图，南极—艾特肯盆地内部主要岩石类型为苏长岩。采集阿波罗盆地的苏长岩，有助于揭开苏长岩成因之谜，从而有助于我们研究该盆地的演化历史。
寻找名义含水矿物
当月球运行到地球磁尾时，逃逸的地球大气分子会飘到月球，月球有可能受其影响形成名义含水矿物（以水合物或羟基等形式存在的矿物）。理论上说，月球背面不会像其正面那样“雨露丰沛”，但万一发现名义含水矿物，将会是重要的突破。
寻找高压矿物
阿波罗盆地既是撞击盆地，又可能是月球深部物质的暴露区。无论是大规模撞击还是月球深部高压环境，都是形成高压矿物的有利条件。
此外，一些需要借助嫦娥六号的热门研究还包括：空间风化特征，月尘电磁学性质，月壤成熟度新指标，原位资源利用方案等。
嫦娥六号有望带回年代更久远的月球样本，助力人类进一步分析月壤的结构、物理特性和物质组成等，并有望帮助人类在太阳系早期撞击史、月球形成及演化史、地球生命起源等研究领域取得新的突破。
【责任编辑】蒲 晖
