嫦娥六號(hào)：去月球背面挖寶

2024年5月3日17時(shí)27分，長(zhǎng)征五號(hào)火箭攜帶嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器，從我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器的核心使命是實(shí)現(xiàn)世界上首次月球背面采樣，從月背采集約2千克樣本并帶回地球進(jìn)行分析。

月球背面啥模樣

月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)也在自轉(zhuǎn)，在地-月系統(tǒng)長(zhǎng)期演化過程中，月球被地球潮汐鎖定，自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相同，此后月球總是以同一面朝向著地球。從地球上始終不能完全看見的月球另一面，被稱為月球背面。

盡管月球背面始終無法被直接看到，但人類通過月球探測(cè)器獲得了大量關(guān)于月球背面的信息。近年來，中國(guó)對(duì)月球背面深入探測(cè)方面成績(jī)斐然。其中，2020年2月26日，中國(guó)“玉兔二號(hào)”首次揭示月背地下40米地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)。

月球正面和月球背面有著明顯的不同，無論是物質(zhì)成分、形貌構(gòu)造還是巖石年齡都有很大差異。月球正面地形平坦，月海居多。月海是指月球上大片顏色較深的黑斑區(qū)域，實(shí)際上一滴水也沒有，是寬廣的平原。這些區(qū)域?qū)μ?yáng)光的反射比較弱，因此看上去比周圍更暗一些。早期天文學(xué)家覺得這樣的區(qū)域像地球上的海洋，因此稱之為月海，一直沿用至今。

月球背面則是月陸居多，月陸是指月面上比月海高的地區(qū)，一般高出2～3千米。月陸主要由淺色斜長(zhǎng)巖組成，其反照率較高。通過同位素測(cè)定，月陸比月海古老得多，是月球上最古老的地形特征。如果能獲取它們的成分信息，可以更進(jìn)一步了解月球的化學(xué)成分演化過程。與此同時(shí)，勘測(cè)月球背面，能夠獲取集地形地貌、物質(zhì)成分、淺層結(jié)構(gòu)于一體的綜合地質(zhì)剖面。這個(gè)剖面的建立，對(duì)揭示著陸區(qū)域地質(zhì)演化歷史、演化細(xì)節(jié)有重大貢獻(xiàn)。

采樣意義不尋常

為了監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)，天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧?kù)o的地區(qū)。這在地球上無法辦到，因?yàn)槿藗內(nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。月球背面能夠屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號(hào)。在這里開展低頻射電天文觀測(cè)，可以為研究恒星起源和星云演化提供重要資料，甚至有可能尋覓到大爆炸后宇宙如何擺脫黑暗、點(diǎn)亮第一代恒星的信息。

月球背面南極-艾特肯盆地被認(rèn)為是最有可能撞穿月殼、暴露出月球深部物質(zhì)的區(qū)域，是月球科學(xué)的突破口之一。

嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器開啟的世界首次月球背面采樣返回之旅，預(yù)選著陸和采樣區(qū)就在這里。

南極-艾特肯盆地形成于大約39億年前，直徑約2500千米，深度約13千米，比馬里亞納海溝更深。這個(gè)盆地的形成與早期撞擊歷史的研究，對(duì)于揭示月球外動(dòng)力演化歷史、建立月球演化的精確時(shí)間標(biāo)尺、理解太陽(yáng)系天體軌道動(dòng)力學(xué)演化以及地球宜居環(huán)境演化等具有重大科學(xué)意義。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器自主著陸在南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑里，這是人類月球探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。之后，它通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。

迎接挑戰(zhàn)闖難關(guān)

按計(jì)劃，嫦娥六號(hào)探測(cè)器與運(yùn)載火箭分離后，在環(huán)月軌道上完成著陸上升組合體和軌返組合體的分離。

著陸上升組合體著陸后，采用鉆取和表取這兩種采樣方式，完成月壤的取樣和封裝，與此同時(shí)開展就位探測(cè)。月面工作時(shí)間約48小時(shí)，完全后上升器攜帶月球樣品起飛，通過4次軌道機(jī)動(dòng)，在環(huán)月圓軌道與軌返組合體實(shí)施交會(huì)對(duì)接。

交會(huì)對(duì)接完成后，月球樣品轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)。軌返組合體擇機(jī)與上升器及對(duì)接艙段分離，在環(huán)月軌道上巡航飛行，等待月地轉(zhuǎn)移窗口后，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。

6月25日，在距地球約5000千米高度處，返回器與軌道器分離，以半彈道跳躍方式進(jìn)入地球大氣層，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)精準(zhǔn)著陸。

去月球背面采集樣品并不容易，逆行軌道、智能采樣、月背起降等技術(shù)環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵。一方面，月背無法與地球直接通信，需要解決月球探測(cè)器和地球之間的測(cè)控通信及數(shù)據(jù)傳輸問題；另一方面，月背遍布隕石坑，地形復(fù)雜，起伏較大，月球短訊：6月28日，國(guó)家航天局在京舉行探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)月球樣品交接儀式。經(jīng)初步測(cè)算，嫦娥六號(hào)任務(wù)采集月球探測(cè)器著陸下降、開展月面工作、起飛上升等環(huán)節(jié)都存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

這時(shí)，中繼衛(wèi)星“鵲橋”就扮演了重要的角色。它是探測(cè)器執(zhí)行任務(wù)中與地球通信的唯一通道。不過，采樣過程中，“鵲橋”會(huì)飛行至月球正面，這期間嫦娥六號(hào)著陸器與上升器組合體會(huì)有幾個(gè)小時(shí)處于失聯(lián)狀態(tài)。為此，研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行智能采樣設(shè)計(jì)，提高月球探測(cè)器的自主控制能力，也大大提高了月面工作效率。

2020年12月，嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器降落在月球正面，選擇的是環(huán)月順行軌道，沿著月球自轉(zhuǎn)方向，從西向東飛行。而此次嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器采用環(huán)月逆行軌道，也就是從東向西飛行，以此適應(yīng)月球背面的采樣任務(wù)。兩次飛行路線大致呈現(xiàn)出中心對(duì)稱關(guān)系。

起伏不平的地形地貌對(duì)嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器安全軟著陸提出了更高要求。月球探測(cè)器采用了多脈沖軌道控制策略，通過精確的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方式，如期到達(dá)預(yù)定著陸區(qū)。

下一步，研究人員將對(duì)新采集的月球樣本進(jìn)行分析，這一次又會(huì)有什么新發(fā)現(xiàn)呢，讓我們拭目以待。