嫦娥六号：智力爆表的月球探险家
2024-11-03夕冉
人类对于月球一直有着浓厚的兴趣。这个距离地球最近的“邻居”，因其独特的地理位置和物质资源，被我们当作地外探索的首要目标。由于地球的潮汐作用，月球始终只有一面正对着地球。因为技术的限制，在月球背面实现软着陆的难度很大，令绝大多数国家望而却步。2018年，中国派出嫦娥四号打前站，成功实现了人类航天史上首次在月球背面的软着陆。
如今，嫦娥家族的“老六”成功从月球背面的南极- 艾特肯盆地采回了样品。它需要在地面无法直接干预的情况下，完成月背着陆、地月通信、采样和返程，嫦娥六号的智能化和自主化程度可不容小觑！
逆向而行的征途
嫦娥六号在发射后，通过地月轨道到达月球，在靠近月球的位置实施近月制动——也就是通过“太空刹车”实现减速，使其能够被月球引力捕获，进入月球轨道。在绕月飞行的路线规划方面，与之前的嫦娥五号探月方式不同，嫦娥六号采用的是“逆行环月轨道”，这是怎么一回事呢？
逆行轨道指的是飞行器绕月飞行的方向与月球自转方向相反。这一巧妙的设计在嫦娥六号任务中发挥着重要作用。嫦娥六号和嫦娥五号的结构设计大致相同，探测器都配有采样装置和钻取装置：采样装置设在阳面，光照条件适合其对月表拍照，确认采样地点；钻机则设置在阴面，有利于控制机器的运行温度，不因为过热而造成机器损耗。
如果嫦娥六号和嫦娥五号一样采用环月顺行的方式，当探测器在月球南半球着陆时，原本按设计应该处于阴面的装置会暴露在光照中，而应该处于阳面的装置会处于阴影下，这将影响探测器的正常运转。航天设计师们经过再三考虑，在不对硬件设备的技术状态进行大幅度调整的情况下，通过调转飞行轨道的方向，巧妙地化解了因着陆点变化而带来的设备朝向问题。
自主执行的硬实力
嫦娥六号由轨道器、着陆器、上升器、返回器四个部分组成。进入环月飞行阶段后，“四兄弟”两两结对工作：着陆器和上升器的组合体将经过多次变轨，做好降落准备；轨道器和返回器的组合体则在环月轨道上等待上升器的归来。
嫦娥六号的落月位置颇有讲究，需要在复杂的月表环境下找到一个既符合着陆要求，又满足上升器月面起飞条件的落点。为了给取土和起飞创造良好条件，集制导（Guidance）、导航（Navigation） 与控制（Control） 功能于一身的GNC 系统功不可没。有了它，嫦娥六号就好像拥有了“自动驾驶功能”，能明确知道自己“在哪儿”“要去哪儿”和“怎么去”。不仅如此，嫦娥六号还挟带了许多敏感器，这些敏感器就像是探测器的眼睛和耳朵，通过光学、微波等方式进行多方位的分析，为选择安全的着陆点提供准确的信息。
在这些好帮手的共同努力下，嫦娥六号更好地发挥了粗精接力避障技术。当下降到距离月球表面两三千米的时候，“着上组合体”会利用光学成像敏感器（也就是我们常说的相机）进行粗避障，对预定着陆区域拍照分析，初步规避障碍物。当“着上组合体”下降到距离月球表面约110米到90米时，就进入悬停状态，由激光三维成像敏感器实现精避障。这个敏感器可以在1/4 秒内对一片50×50米的预选区域进行三维扫描，精度之高甚至可以识别0.2米的坑，从而精确避开障碍，选定嫦娥六号的最终落点。
通信传话的小帮手
尽管嫦娥六号有强大的自主控制能力，但一些关键的指令还是需要地面中心来下达。嫦娥六号的落点在月背，最大的问题就是地月之间的通信不顺畅。当探测器行至月球背面，不在地面站的观测范围内，地面上的指令要怎样传达给它呢？
在这样的情况下，就需要将一颗中继卫星安置在既能看到月球背面又能看到地球的地方，从而架起地月通信的“桥梁”。在本次探月任务中，鹊桥二号中继卫星就起到了“传话筒”的关键作用。此次发射的鹊桥二号装有一个直径4.2米的“伞状”天线，用于与在月球背面着陆的探测器通信，另外还有一个直径0.6 米的天线，用于向地面站传输数据。
经过精心的轨道设计和调相控制，在嫦娥六号着陆月球采样的两天内，鹊桥二号中继卫星每天可以提供20 小时以上连续、稳定的通信保障服务，同时还确保了探测器与地面控制中心之间的实时数据传输，将地面发出的各类指令快速传达给嫦娥六号，使得月背探测“一切尽在掌握”。
“打着水漂儿”回地球
采样成功后，上升器脱离着陆器，独自进入环月飞行轨道，与轨道器返回器组合体相会，完成样品的安全转移。接下来，如何从月球安全返回地球，是对嫦娥六号的又一项艰巨挑战。
在接近大气层时，返回舱的速度接近第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米。而地球表面有厚厚的大气层，返回舱以极高的速度进入大气时，因为摩擦会产生极大的热量。如果不加以控制，样本和设备都会面临损毁的风险。
嫦娥六号的设计团队采用了“半弹道跳跃式再入”的返回方式，这一过程类似于我们小时候玩的“ 打水漂儿”。返回舱进入大气层时并不是一股脑儿冲下来，而是以一个相对较小的角度切入大气层边缘。利用自身的升力和大气层密度的变化，返回舱在大气层边缘弹跳，逐渐降低返回的速度、减少热量对返回舱的冲击。
这样做的另外一个好处是可以减少航天器的防热层厚度和重量，能腾出空间挟带更多的样本回家。同时，整个减速的过程也为任务控制中心提供了更多时间进行计算和调整，确保返回舱保持在最佳的飞行轨迹上。
除了自身硬核的实力，嫦娥六号还搭载了来自法国的月球氡气探测仪、欧空局的月表负离子分析仪、意大利的激光角反射器、巴基斯坦的立方星这些国际载荷。这是中国外空探索的又一重要里程碑，不仅为揭开月球的神秘面纱，也为人类未来在月球建设和探索提供了重要的参考依据。相信随着技术的进步和人类对宇宙的探索不断深入，我们在月球资源开发、太空旅游等领域会取得更多突破和进展。
