首次月背“挖土”歸來！嫦娥六號實現三大技術突破，人類探月補上重要拼圖
6月25日，攜帶約2千克採集自月球背面的月壤樣品，嫦娥六號返回器在內蒙古四子王旗着陸場回到了地球家園。至此，長達53天的嫦娥六號任務劃上了圓滿的句號。
從這一刻起，我國成爲世界上唯一一個兩度着陸月球背面的國家，並在人類歷史上首次從月球背面成功採回月壤。這一歷史性創舉不僅代表着中國在航天領域的技術突破，更意味着我們爲人類探月補上了一塊重要拼圖。
作爲嫦娥五號的備份，嫦娥六號爲這次史無前例的任務做了哪些改進與準備？實現了哪些技術突破？本報特邀全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩對此進行解讀。
——編者
5月3日到6月25日，在這剛剛過去的53天中，中國航天又完成了一項歷史性創舉——在人類歷史上首次從月球背面成功採回了月壤。完成這一使命的嫦娥六號任務，經歷了長達六年的等待。這次，它終於不負衆望，達成了既定的工程目標和科學目標。
作爲嫦娥五號的備份，嫦娥六號的整體結構與嫦娥五號基本一致，但與嫦娥五號任務在月球正面採樣返回相比，嫦娥六號任務是在鵲橋二號月球中繼星的支持下，首次實施月球背面採樣返回。由於着陸點從正面改爲背面，並受軌道設計及窗口的約束，嫦娥六號任務總的飛行時間比嫦娥五號增加了30天。
爲了實現這一壯舉，同時開展更廣泛的科學探測和國際合作，相關研發人員對嫦娥六號探測器進行了一系列適應性改進。除了檢測替換探測器上與嫦娥五號相同的部分產品外，航天科研人員還對導航控制指令進行了重新設計，並在工程上實現了月球逆行軌道設計與控制、月球背面智能快速採樣、月球背面起飛上升這三大關鍵技術的突破。
嫦娥六號拍攝的月背影像圖
逆行環月軌道
巧妙化解光照反轉難題
由於嫦娥六號任務是在月球背面着陸，着陸位置也由月球的北緯地區變爲南緯地區，因此它不能沿用嫦娥五號開闢的路線前往，而是要重新選擇一條最優軌道。
在月球上，太陽始終直射在月球赤道附近的區域，如果仍然採用原有的環月順行軌道方案，那麼當探測器在月球南半球着陸時，與嫦娥五號任務相比，就會出現受曬面調轉180°的情況——即探測器本應朝陽的一側處於陰影中，而應當處於陰影環境的一側處於光照中。這會影響採樣過程中的能源供給和採光等。
然而，作爲嫦娥五號的備份，嫦娥六號沿襲了"前輩"既有的構型佈局和硬件產品。爲了不大幅調整探測器的構型佈局和硬件產品，設計師們爲"六姐"重新設計了一條環月軌道，也就是"逆行環月軌道"方案。
簡單來說，這個方案就是讓嫦娥六號在環月軌道上的飛行方向與月球自轉方向相反，這樣無需調整探測器設計方案，也能保證它隨時隨地"能量十足"，順利化解了因着陸點變化帶來的朝向、姿態等問題。
這條由東向西環月的逆行軌道，可爲嫦娥六號探測器提供更加穩定和均勻的空間外熱流環境，確保探測器姿態幅度調整最小，在飛行過程中技術狀態穩定，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。爲了能在預選位置着陸，研發人員還優化了軌道設計和控制以及整個動力下降和着陸過程的策略，從而提高了着陸安全性。
這次嫦娥六號着陸-上升組合體精準而穩當的完美落月，凝聚了科研人員的無數心血。
相較於月球正面，月背隕石坑更多，地勢更爲崎嶇。爲了在"山脈中找平地"，在嫦娥六號出發前，科研人員在選址上下足了功夫。在選址過程中，用嫦娥二號獲取的影像所製成的全月7米分辨率數字正射影像、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尋找坡度較小的平坦區域。
與嫦娥五號任務相比，嫦娥六號任務落點範圍縮小了一半，而且在整個落月過程與月面工作過程中，只有鵲橋二號中繼星進行支持，所以落月過程幾乎全程無法地面干預，完全靠探測器自主執行。
嫦娥六號月揹着陸影像
從嫦娥六號着陸-上升組合體實際的落月時間和落月姿態看，誤差都在設計指標內，這次落月任務是圓滿的。尤其着上組合體在月背軟着陸之前，經受住了"最後一落"的衝擊。
組合體上四條輕質、高強的"纖纖美腿"讓它落月更輕盈。每條着陸腿都由一個主腿、兩個副腿和一個足墊組成。着陸前，由新型高強合金材料與特殊材料填充製成的主副腿協同工作，着陸時安全支撐住探測器的身體，將各種衝擊力傳遞、吸收。而着陸器搭配的四個"足墊"，好像四個臉盆大的圓形"大腳掌"，每個的直徑足有普通人腳掌的2倍，其盆狀結構及設計巧妙的"足弓"可起到更好的緩衝作用，防止着陸器在着陸月背時"摔倒"，提升落月時的"腳感"舒適度。
月背智能採樣
採得着、鑽得動、封得住、回得來
此行是世界首次在月球背面靠近南極的區域進行採樣，嫦娥六號遇到了三大挑戰：
一是月球背面相對地球不可見，爲保證數傳鏈路的連續性，需要靠鵲橋二號中繼星搭橋；
二是由於採樣地點所處的緯度較嫦娥五號更高，月壤的風化程度相較於低緯度更加不充分，月壤中石塊含量更多，這對地面規劃及採樣機構是一個更大挑戰；
三是採樣時間比嫦娥五號更短，整體工作流程更復雜，任務難度非常大。
智能採樣是嫦娥六號任務的核心關鍵環節之一。與嫦娥五號相比，鵲橋二號中繼星支持地月之間聯繫的時間，由48小時縮短到40小時。受此限制，着陸器的月表採樣時間從嫦娥五號的21小時縮短爲14小時。
機械臂進行月背表取
爲此，研製團隊設法提高了採樣效率，使嫦娥六號在月面採樣的快速化、智能化和自主化方面有了很大改進。他們爲表取採樣過程設計了17個獨立的序列，器上設備能自主判讀遙測數據，通過序列組合完成表取採樣全部工作。這使得整個採樣任務減少了約500條器地指令交互，從而縮短了採樣時間。
月背表取不是直接用鏟子鏟，而是要經過拍照、重建三維地形、生成機械臂運動策略等一系列的智能操作。例如，負責挖土的機械臂有4個自由發揮的空間，選定區域後，它會在面積約七八平方米的範圍內完成剷土。最後，採樣機構要把鑽取和表取的月壤分類打包。
針對月背更加複雜的環境和着陸區月壤特性，研製團隊在繼承嫦娥五號相關技術方案的基礎上，爲嫦娥六號採樣封裝分系統進行了多項升級，設計了適應月球背面採樣的控制算法和採樣策略，以確保月背採樣"採得着、鑽得動、封得住、回得來"。
爲了能"鑽得動"，研製團隊通過對比多種設計方案，"百裡挑一"確定了鑽頭、取芯機構以及相應構型。例如，鑽頭被設計爲多個切削麪，具備高硬度岩石鑽進能力，針對不同顆粒度月壤具備切削、撥、擠、排等能力，在實現高效取芯的同時具有良好的層序保持特性。這些鑽頭功率高達1000瓦，不僅具備對八級硬度岩石的鑽孔能力，還配有反覆捶打裝置和衝擊能力，能一邊鬆動月表深層土壤、一邊向深層鑽取。這些採樣機構還能一邊鑽土、一邊打包，像做香腸一樣，把鑽取的月壤有層次地自動裹進打包袋裡。
爲了保證"封得住"，獲取的樣品在提芯過程中不發生掉落，封口器採用了扭轉密閉式結構，並進行大應變材料設計，實現了簡單可靠的封口——哪怕長時間處於大變形承載狀態也不會發生應力鬆弛現象。針對採集的月壤樣品具有可變形特徵，研究人員還專門設計了特殊的提芯拉繩，確保取芯軟袋具有確定的幾何形狀，方便了樣品傳送和轉移。
表取完成後，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。這面國旗採用新型複合材料和特殊工藝，其中旗面是由玄武岩熔融拉絲技術製作而成，具有更強的耐腐蝕性、耐高溫和耐低溫等優異性能。
嫦娥六號着陸器在月球背面展示國旗
月背起飛上升
自主準備零窗口點火
6月4日，嫦娥六號攜帶的"移動相機"自主移動併成功拍攝、回傳了着陸器和上升器合影。該"移動相機"是由中國空間技術研究院研製的月面自主智能微小機器人，質量爲5公斤，可在月表自主智能移動。
在嫦娥六號奔月和落月過程中，這臺小機器人一直被懸掛在着陸器的側板外。嫦娥六號完成月背採樣後，這臺小機器人自主分離到月球表面、自主移動到合適的拍攝位置、自主選擇拍攝角度、自主構圖，並進行成像位置的智能優化，最終拍攝了這幅着陸器上升器組合體在月球背面的第三視角真實圖像。
嫦娥六號着陸器和上升器在月背合影
與嫦娥五號月面起飛相比，嫦娥六號從月球背面起飛，無法直接得到地面測控支持，需要在鵲橋二號中繼星輔助下，藉助自身攜帶的特殊敏感器，實現自主定位、定姿，工程實施難度更大。
嫦娥六號的月面起飛分爲起飛準備、垂直上升、姿態調整和軌道入射四個階段，最大的難點是智能自主控制，尤其是在月面起飛的第一階段——月背起飛必須考慮到和中繼星通信不暢的情況，所以嫦娥六號智能自主起飛準備是與嫦娥五號最爲不同的地方。
進入起飛準備程序後，嫦娥六號開始進行自主位置確定、自主姿態確定和自主起飛參數計算等。嫦娥六號起飛的整個過程都是由制導、導航與控制系統來控制的。
由於月面起飛的時間點是零窗口，要求上升器必須按時起飛。這是因爲月球自轉週期是一個月，一旦錯過這個對接窗口，就得再等上一個月。所以，到了起飛時間，制導、導航與控制系統就會控制上升器主發動機，自行點火起飛。
所有月面起飛參數是由地面精準計算的。地面測控人員根據着陸的位置和姿態、環月的軌道，爲嫦娥六號上升器計算出最佳飛行方向和參數，以保障上升器以這種方式起飛。這樣，它才能以最省燃料的方式進入交會對接初始軌道，與一直在月球軌道運行的軌道-返回組合體交會對接。
哪些國際載荷同去月球背面
與嫦娥五號相比，嫦娥六號搭載了更多的科學載荷。除了3臺國內載荷外，還有4臺國際載荷，而嫦娥五號沒有搭載國際載荷。
由此可見，嫦娥六號此行的意義超越了國界，標誌着人類團結合作、和平利用外太空的歷史性進步，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有了更多信心與期待。
嫦娥六號着陸器搭載了來自法國、歐洲航天局、意大利的3臺載荷，軌道器則搭載了巴基斯坦獨立運行的立方星。爲了確保搭載設備可靠工作，研製團隊對國際搭載進行了專門的國際搭載設計，並對搭載安全進行了特殊考慮和充分驗證。
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，它在地月轉移、環月階段和月面工作段均進行了開機工作。
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，它在月面工作段進行了開機工作
意大利的激光角反射器（INRRI）由兩個被動激光逆反射器組成，用於激光測距。作爲在月球背面的定位絕對控制點，它安裝在着陸器頂部，可與其他月球探測任務開展聯合測距與定位研究。
巴基斯坦的立方星（ICUBE-Q）重達7千克，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。
嫦娥六號上搭載的3臺國內載荷，分別是用於獲取着陸區和採樣區高分辨率月表圖像的全景相機，用於獲取月表採樣區光譜數據、進行着陸區月表礦物組分分析研究的月球礦物光譜分析儀，以及用於探測月表地下月壤結構、爲鑽取採樣過程提供信息支持的月壤結構探測儀。這些分析數據將與後續的月球樣品實驗室分析數據進行關聯，從而豐富和拓展月球樣品實驗室的研究成果。
>>>53天飛行實錄
嫦娥六號任務飛行全過程約53天，由11個飛行階段組成：
發射入軌段
5月3日17時27分19秒，嫦娥六號由長征五號遙八火箭發射。
地月轉移段
器箭分離後嫦娥六號沿近地點高度約200千米、遠地點高度約38萬千米的地月轉移軌道飛行約5天，期間進行了中途修正。
近月制動段
5月8日10時12分，在離月面高度200千米的近月點附近，嫦娥六號實施了第一次近月制動減速，進入軌道週期12小時的環月橢圓軌道，開始環月飛行。
在這一階段，它共進行了3次"剎車"，比嫦娥五號多了一次，這樣可在下降前的20多天裡不斷調整軌道參數，高精度瞄準着陸點，等待降落最佳時機。
5月21日，釋放巴基斯坦立方星。
環月飛行段
從5月8日探測器進入環月橢圓軌道開始，直至着上組合體到達動力下降初始點爲止。
6月1日，嫦娥六號上的火工裝置起爆，在環月圓軌道上完成了着陸-上升組合體、軌道-返回組合體兩兩分離。分離後，軌道-返回組合體繼續環月飛行，等待上升器進行交會對接；着陸-上升組合體則通過實施兩次降軌變軌，進入到近月點約15千米、遠月點約200千米的橢圓軌道。
着陸下降段
6月2日6時23分，着陸-上升組合體在鵲橋二號中繼星支持下成功着陸在月球背面南極-艾特肯盆地預選着陸區。
在動力下降前，着陸-上升組合體先與鵲橋二號建立通信鏈路，然後經過主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩衝下降段和着陸緩衝段7個階段，用時約15分鐘，最終在月面預定區域軟着陸。
月面工作段
着陸-上升組合體着陸後，先後採用鑽取和表取兩種採樣方式對月壤取樣。
首先進行持續3小時的世界首次月球背面樣品鑽取，獲取了月背不同深度的月壤樣品，於6月2日12時40分完成。
然後對月表月壤取樣（即表取），主要採樣目標是月球表面的風化層樣品。操作進行了約20個小時，採集的樣品轉移至位於上升器頂部的樣品容器內。6月3日清晨，完成世界首次月球背面樣品表取及樣品封裝。
之後，國旗展開，上升器完成起飛準備。
與此同時，國內載荷、國際載荷開展就位探測；在月球軌道運行的軌道-返回組合體通過實施4次調相機動，準備迎接上升器與之交會對接。
月面上升段
6月4日7時38分，攜帶月球樣品的上升器以着陸器爲平臺，通過3000牛主發動機點火，在月面起飛加速至月球逃逸速度（約2.4千米/秒）。點火時產生的上千攝氏度高溫使着陸器壽命終止。
上升器月面完美起飛後，在鵲橋二號中繼星輔助下，經歷了垂直上升、姿態調整和軌道射入三個階段，順利進入上升目標軌道。
交會對接與樣品轉移段
6月6日14時48分，上升器與軌道-返回組合體採用了"握手+抱緊"的方式，完成月球軌道交會對接。這是本世紀第2次月軌交會對接。
完成交會對接後，上升器於15時24分將月球樣品容器安全轉移至返回器中，完成月壤樣品轉交。此後，完成使命的上升器及對接艙段被軌道-返回組合體擇機分離。
環月等待段
軌道-返回組合體在環月軌道停留約14天，等待月地轉移窗口。6月20日，通過軌道器上的3000牛主發動機實施兩次月地轉移入射機動進入月地轉移軌道。
月地轉移段
軌道-返回組合體在月地轉移軌道飛行5天后，於6月25日抵達地球附近，期間進行了中途修正。
再入回收段
當軌道-返回組合體飛行到達距地球約5000千米高度處，返回器與軌道器分離，並進入高速再入返回跟蹤測量鏈跟蹤範圍。
6月25日，在距地表120千米高度時，返回器以10.9千米/秒速度用半彈道跳躍式再入大氣層，最終通過傘降輔助降落着陸於內蒙古四子王旗着陸場，歷時53天的地月往返之旅完成。
作者：龐之浩
文：龐之浩圖：國家航天局編輯：許琦敏責任編輯：任荃
轉載此文請註明出處。