2024年 5月3日，嫦娥六號探測器由長征五號遙八運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射，開啟了人類首次月球背面“挖土”之旅。6月25日，嫦娥六號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區(qū)域安全著陸，標志著此次探月任務取得圓滿成功，實現(xiàn)了世界首次月球背面采樣返回。嫦娥六號為何選擇去月球背面“挖土”？它又是如何在月球上“挖土”的？它帶回了哪些月球“土特產(chǎn)”？

為何要去月背“挖土”

因為月球總以同一面朝向地球，所以月球才有了正面和背面之分。月球的正面和背面有著巨大的差異：正面大多是低洼的平原；而背面基本是密密麻麻的撞擊坑，這是由于月球早期遭受了多次撞擊所致，也正因如此，月球背面隱藏著月球形成和演化的秘密。

研究月球背面撞擊記錄將有助于解開一個有關“月球災難”的謎團。距今大約41億～39億年前，月球上形成了大量撞擊坑。撞擊是一個突發(fā)事件，還是一個長期過程？科學家對此一直存在分歧。另外，有學者推測，在同一時期，一些富含水和有機物質的小行星或彗星撞擊了地球，為原始生命的孕育提供了條件。因此，弄清楚當時的撞擊情況，對探究地球生命起源有重大意義。嫦娥六號帶回的樣本將有望提供重要線索。

此次嫦娥六號探測器的著陸和采樣地點，位于月球背面南極—艾特肯盆地邊緣地區(qū)的阿波羅盆地。南極—艾特肯盆地是太陽系中已知的最大撞擊坑之一，被公認為月球上最大、最古老和最深的盆地，可能保存了月球上古老的巖石。而阿波羅盆地是南極—艾特肯盆地中最大的艾肯紀峰環(huán)盆地，其整體的月殼厚度很薄，探測器可以挖掘到月殼甚至月幔的深部物質。在這里采集樣品并進行分析研究，可以更大概率地找到月球深部物質、發(fā)現(xiàn)月球古老的礦物和巖石，以填補人類獲取月球背面樣本的空白。

在月背采樣返回有多難

到月球背面去“挖土”， 世界上沒有先例可循，面臨著很多新情況、新問題，其難度前所未有。由于月球阻擋信號，任何飛到、落到月球背面的探測器，都無法直接跟地球建立聯(lián)系。嫦娥六號要到月球背面工作，必須建立相應的數(shù)據(jù)中繼通信鏈路，才能實現(xiàn)與地面的正常通信。2024年3月20日，鵲橋二號中繼通信衛(wèi)星成功發(fā)射，搭建起地月之間的“通信橋梁”。鵲橋二號中繼通信衛(wèi)星不僅能提高通信速率、提高對月球南極區(qū)域的通信覆蓋能力，還具有很強的靈活性和任務擴展能力，是名副其實的“服務之星”，為嫦娥六號及后續(xù)任務提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)中繼服務。

嫦娥六號任務涉及多項技術挑戰(zhàn)，是我國航天領域迄今為止復雜程度最高、技術跨度最大的航天系統(tǒng)工程。在“嫦娥六號”為期約53天的任務周期內，逆行軌道、月背起降、智能采樣是最為重要的幾道“雄關險隘”。

逆行軌道 環(huán)月逆行軌道方案是此次任務的亮點和難點。由于太陽始終直射在月球赤道附近的區(qū)域，嫦娥六號如果仍然采用嫦娥五號的環(huán)月順行軌道方案，會影響采樣過程中的能源供給、采光等。針對這一難點，軌道設計師為嫦娥六號巧妙設計了環(huán)月逆行軌道方案，即嫦娥六號從東向西飛行。該方案通過調轉飛行軌道的方向，化解了因采樣區(qū)域位置變化帶來的朝向變化問題，同時避免了構型布局和硬件產(chǎn)品的大幅度調整。

月背降落 月球背面的地形起伏不平，再加上人們對月球背面的情況又知之甚少，這都對探測器在月球背面安全軟著陸提出了更高要求。嫦娥六號采用了多脈沖軌道控制策略，通過精確的自動化設計方式，使探測器如期到達預定著陸區(qū)。

智能采樣 在月球背面采樣過程中，當鵲橋二號中繼通信衛(wèi)星飛行至月球正面時，嫦娥六號著陸器與上升器組合體會有幾個小時與地球處于“失聯(lián)”狀態(tài)。為此，研制團隊通過提高探測器的自主控制能力，進行了智能采樣設計，將月面采樣的有效工作時間縮短至20個小時以內，大大提高了其采樣的效率。同時，探測器經(jīng)受住了月球背面溫差考驗，克服了測控、光照、電源等難題，通過鉆取采樣和表取采樣兩種方式，分別采集了月球樣品。

月背起飛 與嫦娥五號月球正面起飛相比，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通信衛(wèi)星輔助下，借助自身攜帶的特殊敏感器實現(xiàn)自主定位、定姿，工程實施難度更大。首先，上升器的起飛入軌精度要求高，這樣才能為其后續(xù)與“軌返組合體”交會對接創(chuàng)造良好的條件。其次，地面測控人員要根據(jù)著陸的位置和姿態(tài)、環(huán)月的軌道，為上升器計算出最佳飛行方向和參數(shù)，保障上升器以最省燃料的方式進入交會對接初始軌道。后續(xù)，上升器將與在環(huán)月軌道上等待的“軌返組合體”進行月球軌道的交會對接。由于上升器和“軌返組合體”的重量差距比較大，為了避免碰撞，兩個飛行器的交會對接采用了一種“握手”加“抱緊”的方式。

如何在月背上“挖土”和“打包”

在月球背面“挖土”是個精細活，如何用最“省力”的方法采集更多的月壤？嫦娥六號探測器采用了兩種方式：一是鉆取采樣，即用一根鉆桿鉆入月球表層預定深度，把較深層土壤采集出來；二是表取采樣，即用一個機械臂攜帶采樣裝置采集月球表面的土壤。

鉆取采樣需要采集一定深度的月球次表層樣品，其目的是為了讓采樣裝置采得更深，讓樣品種類更為豐富。鉆取采樣裝置設計長度為2.5米，由特殊的硬質合金制成，一共有三層結構。最外層是可以旋轉鉆進的外鉆桿。研制團隊設計了“百里挑一”的獨特鉆頭，使其具備高硬度巖石的鉆進能力。緊靠外鉆桿的是取芯管。取芯管的外面包裹著一條長長的袋子，叫取芯袋。當鉆頭向下鉆進時，取芯袋也會跟隨著取芯管向下運動，而鉆取到的月壤則會被頂進袋內，這個過程有點像“穿襪子”。

表取采樣則是在一片區(qū)域里進行多次采樣，主要采樣目標是月球表面的風化層樣品。表取采樣是借助機械臂完成的，機械臂的伸展長度達到了3.7米，可以在120度的范圍內實施月面采樣，并且能連續(xù)多次采樣。機械臂攜帶了一個“末端采樣器”。采樣器的一頭兼具挖取、鏟挖、抓取3種功能：可直接挖取顆粒細小的月壤，可以鏟挖較小的石塊，抓取更大尺寸的石塊。采樣器的另一頭則能對一些相對堅硬的目標進行淺鉆，并通過末端的特制結構實現(xiàn)樣本提取。

無論是鉆取還是表取，所得樣品都將被嚴格密封保存。封裝也是一個難點。要想在無人條件下將月球樣品進行打包、封裝，并保證其歷經(jīng)38萬千米的空間飛行后不被污染，就需要一套專門的在月表自動承接、密封樣品的裝置。為保證取得的樣品在提芯的過程中不發(fā)生掉落，研制團隊經(jīng)過多個方案的篩選驗證，設計采用了特定的封口方案。封口器采用扭轉密閉式結構、大應變材料設計，具有低力載、高可靠的特點，且具備長時間處于大變形承載狀態(tài)下不發(fā)生應力松弛的能力。為將月壤封裝容器與整形機構分離并傳送至上升器內，研制團隊設計了專門的分離和傳送方案，不僅結構簡單、操作易控、能耗低，還可實現(xiàn)不同著陸姿態(tài)下封裝容器的精準傳送。

月背帶回的“土特產(chǎn)”會有啥

嫦娥六號實現(xiàn)了人類首次在月球背面采樣返回。在此之前，人類在月球采樣過10次，采樣點全部位于月球正面。嫦娥六號之所以選擇在月球背面南極—艾特肯盆地中的阿波羅盆地采樣，就是想盡可能采到與過去不同的樣品，從而幫助人類更全面地了解月球。根據(jù)中國科學院地球化學研究所楊溢博士的介紹，嫦娥六號的主要采集任務包括尋找新礦物、尋找月球深部物質、尋找古老礦物和巖石、揭開蘇長巖成因之謎、尋找名義含水礦物、尋找高壓礦物等。

尋找新礦物

2020年12月17日，嫦娥五號攜帶1731克月壤成功返回地球，中國科學家首次在月球上發(fā)現(xiàn)了新礦物“嫦娥石”，該礦物是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物。正如地球上不同地方的巖石、土壤成分會有所不同，月球背面與正面的月巖、月壤也會有所不同，因此嫦娥六號極有可能會帶回新的礦物。

尋找月球深部物質

我們知道，南極—艾特肯盆地是月球已知最大、最古老的撞擊盆地。一些理論認為，形成南極—艾特肯盆地的撞擊事件可能撞出了月幔物質。因此嫦娥六號有可能發(fā)現(xiàn)這些來自月幔的深部物質，對我們了解月球的起源和演化起到重要作用。

尋找古老礦物和巖石

根據(jù)近期出版的1：250萬月球地質圖，月球地質年代被劃分為“三宙六紀”。南極—艾特肯盆地形成于月球初步形成固體月殼的時代，代表月球艾肯紀的開始。根據(jù)撞擊坑統(tǒng)計定年，南極—艾特肯盆地一帶的年齡約為42億年，可能分布有月表最古老的巖石。嫦娥六號的任務之一便是采集古老的月球巖石和可定年的礦物（包括鋯石、斜鋯石、磷灰石等）。

揭開蘇長巖成因之謎

根據(jù)近期正式出版的1：250萬月球巖石類型分布圖，南極—艾特肯盆地內部主要巖石類型為蘇長巖。采集阿波羅盆地的蘇長巖，有助于揭開蘇長巖成因之謎，從而有助于我們研究該盆地的演化歷史。

尋找名義含水礦物

當月球運行到地球磁尾時，逃逸的地球大氣分子會飄到月球，月球有可能受其影響形成名義含水礦物（以水合物或羥基等形式存在的礦物）。理論上說，月球背面不會像其正面那樣“雨露豐沛”，但萬一發(fā)現(xiàn)名義含水礦物，將會是重要的突破。

尋找高壓礦物

阿波羅盆地既是撞擊盆地，又可能是月球深部物質的暴露區(qū)。無論是大規(guī)模撞擊還是月球深部高壓環(huán)境，都是形成高壓礦物的有利條件。

此外，一些需要借助嫦娥六號的熱門研究還包括：空間風化特征，月塵電磁學性質，月壤成熟度新指標，原位資源利用方案等。

嫦娥六號有望帶回年代更久遠的月球樣本，助力人類進一步分析月壤的結構、物理特性和物質組成等，并有望幫助人類在太陽系早期撞擊史、月球形成及演化史、地球生命起源等研究領域取得新的突破。

【責任編輯】蒲 暉