嫦娥六号为何"打水漂"式返回? 月背"土特产"里有什么?

2024年6月25日14时07分，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王旗预定区域，为这趟历时53天的地月往返之旅画上了圆满的句号。6月28日，国家航天局在京举行探月工程嫦娥六号任务月球样品交接仪式，经初步测算，此次采集到月球背面样品1935.3克。随后，月球样品运输至实验室，正式开启科研工作。

嫦娥六号任务的完成，使我国成为世界上唯一一个两度着陆月球背面的国家，并实现了人类首次从月球背面采集月壤返回地球的宏愿。中国的这一历史性创举，不仅代表着中国在航天领域的技术突破，更意味着为人类探月补上了一块重要拼图。

“探月”国际合作的优秀示范

当前，科学家对月球起源和演化过程的认知依然存在许多空白，在月背进行采样返回探测对研究月球甚至地球的早期历史有重要价值。

与月球正面相比，月背有更多的撞击坑，表面更粗糙，起伏大、地势高。月表分为月海和月陆两大地理单元，其中正面月海多，颜色暗，主要是玄武岩；背面月陆多，颜色亮，主要是斜长岩，比月海更古老。嫦娥六号是在月背南极-艾特肯盆地的阿波罗撞击坑内着陆采样。该盆地的地质年龄距今超过42亿年，保存了月球上古老的岩石，所以有很高的科研价值。此前，嫦娥四号着陆于该盆地正面的冯·卡门撞击坑内。

嫦娥六号的工程目标有四个：一是突破月球逆行轨道设计与控制技术；二是月球背面智能快速采样技术；三是月背起飞上升技术，实现月球背面自动采样返回；四是开展有效的国际合作。其科学目标有两个：一是在月球背面南极-艾特肯盆地预定着陆点开展区域形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；二是对月球背面样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成等，深化月球成因和演化历史的研究，它有望在太阳系早期撞击历史、月背火山活动和月球地质演化等重大科学问题上取得新的认识。

嫦娥六号是嫦娥五号的备份，其整体结构与嫦娥五号基本一致，由轨道器、返回器、着陆器和上升器4部分组成。但为了进行月背采样返回探测，以及开展更广泛的科学探测和国际合作，嫦娥六号比嫦娥五号搭载了更多的科学载荷，配置了3台国内载荷和4台国际载荷（嫦娥五号上没有搭载国际载荷）。

此次，嫦娥六号做出了“探月”国际合作的优秀示范。嫦娥六号的着陆器上搭载了来自法国、欧空局、意大利的3台国外载荷，在轨道器上搭载了巴基斯坦独立运行的立方星。

其中，法国的氡气探测仪（DORN）用于对月球表面氡气同位素开展原位探测，研究挥发物在月球环境下的传输和扩散机制，包括月球尘埃的迁移以及月球风化石、月球水资源等之间的相互作用。

欧空局的月表负离子分析仪（NILS）用于对月球表面负离子进行探测，探测负离子对空间、表面和行星体的重要性，研究等离子体和月面的相互作用机制。

巴基斯坦的立方星（ICUBE-Q）搭载了两台拍摄月球的光学相机，用于开展在轨成像任务，验证纳卫星月球轨道探测技术，它不仅拍摄轨道器、月球和地球的图像，还探测月球磁场。

意大利的激光角反射器（INRRI）用于激光测距，作为在月球背面的定位绝对控制点，它可以与其他月球探测任务开展联合测距与定位研究。

突破三大关键技术

为了在“山脉中找平地”，嫦娥六号出发前，科研人员在选址上下足了功夫。其间，用嫦娥二号影像制成的全月7米分辨率数字正射影像及20米分辨率的数字高程模型产品发挥了重要作用，科研人员借助它们为嫦娥六号着陆寻找到坡度较小的平坦区域。

相比于嫦娥五号任务，嫦娥六号任务的落点范围缩小了一半，而且由于嫦娥六号要在月球背面着陆，在整个落月和月面工作的过程中，只能用鹊桥二号中继星进行支持，所以风险性比较高。这次落月的难度主要在于全程地面无法干预，完全为自主执行。从嫦娥六号着陆-上升组合体实际的落月时间和落月姿态来看，都在设计指标内，因此这次落月任务是圆满的。

为确保世界首次在月球背面采样返回成功，嫦娥六号任务突破了三大关键技术。

一是突破了月球逆行轨道设计与控制技术。由于嫦娥六号是在月球背面着陆，而且着陆位置由嫦娥五号的北纬地区变为南纬地区，如采用嫦娥五号的环月顺行轨道方案，着陆时会出现比嫦娥五号受晒面调转180°的情况，从而影响采样过程中的能源供给等。为了不大幅调整嫦娥六号探测器，专家为嫦娥六号设计了逆行环月轨道方案，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、姿态变化问题，保证其随时随地“能量十足”，在动力下降初始姿态和落月后月面工作姿态与嫦娥五号基本一致。

二是突破了月球背面智能快速采样技术。相比嫦娥五号，嫦娥六号面临几方面挑战：需要靠鹊桥二号中继星“搭桥”；由于纬度更高，月壤的风化程度不充分，所以对采样装置挑战更大；表取采样时间从嫦娥五号的21小时缩短为14小时。这是由于月背中继通信时长受限，为此，嫦娥六号表取采样必须快速化、智能化和自主化，显著提高采样效率。因此，研制团队为表取采样过程设计了17个独立的序列程序，能自主判读遥测数据，使表取采样任务减少了约500条器地指令交互，从而缩短采样时间。

三是突破了月背起飞上升技术。嫦娥六号从月背起飞，最大的难点是需在鹊桥二号中继星的辅助下进行智能自主控制。测控人员先根据着陆位置、姿态和环月轨道，为上升器计算出了最佳飞行方向和参数，以保障上升器以最省燃料的方式进入交会对接初始轨道。

起飞时间是零窗口，必须按时起飞，因为月球自转周期是一个月，一旦错过，对接窗口就得再等一个月。所以，到了起飞时间时，制导、导航与控制系统控制上升器主发动机自行点火起飞。

因为月球着陆点从正面改变到了背面，并受轨道设计和窗口的约束，所以大大增加了这次任务的飞行时间。嫦娥六号在环月飞行段和环月等待段都比嫦娥五号待得久，总飞行时间增加了30天。

月背“土特产”里有什么

嫦娥六号着陆-上升组合体在月背着陆后，很快就进入了此次任务的重头戏——采集月壤，它装备了钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“挖土神器”。

采样方式分为钻取和表取。首先进行钻取，即对月表下的月壤采样。钻取采样装置长度为2.5米，材料是一种硬质合金，内外共有3层结构，最外层是可以旋转钻进的外钻杆。紧靠外钻杆的是取芯管，它被一个长长的取芯袋包裹着。当钻头向下钻进时，取芯袋会跟随着取芯管向下运动，而钻取到的月壤岩芯就会被顶进袋内，这个过程有点像“穿袜子”。

钻取采集到的是月壤整体，也就是保持剖面层序的样品。不过，这种采样的量较少，方式也不能调节，因为它固定安装在着陆器下面。此次钻取过程持续了约3个小时，获取了月球背面不同深度的月壤样品，于6月2日12时40分完成。

然后是表取，即对月表月壤采样。与钻取不同，表取是借助着陆器的机械臂，用14个小时从月表铲取月球表层的月壤和石块。机械臂可在120°的范围内实施月面采样，并能连续多次、多点自动采样。它的“末端采样器”具有挖取、铲挖、抓取3种功能，可像勺子一样挖取表面细碎的月壤，也能像铲子一样铲取颗粒较大的月壤，还能像手一样抓取大块的岩石状月岩，同时，对于一些相对坚硬的目标能进行浅钻，并通过花瓣结构进行样本提取。

表取采集的样品先放置在表取初级密封装置中，待采样工作结束后，表取初级密封装置就会从着陆器上被提取出来，放置在上升器顶部的密封封装装置中进行封装。6月3日清晨，世界首次月球背面样品表取及样品封装完成。

待月壤钻取、表取结束后，嫦娥六号着陆器携带的五星红旗在月球背面成功展开，这是我国首次在月球背面独立动态展示国旗。该旗采用新型复合材料和特殊工艺，旗面是玄武岩熔融拉丝技术制作而成的，具有更强的耐腐蚀性、耐高温和耐低温等优异性能。

根据任务计划，嫦娥六号的主要科学任务集中在4个方面。一是寻找新矿物和岩石。此前，我国在嫦娥五号样品中发现了新矿物，如嫦娥石，嫦娥六号极有可能发现更多新的矿物和岩石。二是寻找月球深部物质。嫦娥六号着陆的阿波罗撞击坑是多次撞击形成的“盆中之盆”，可能是月壳最薄的位置之一。研究从这里采集的样品有望发现来自月幔的深部物质，这对理解月球深部结构和月球的起源、演化有重要作用。三是寻找古老物质。阿波罗撞击坑年龄约42亿年，可能分布有月表最古老的岩石，嫦娥六号的一个关键任务是采集古老的月球岩石和可定年的矿物。四是揭开苏长岩成因之谜。苏长岩在过去的月球样品中极少发现，而阿波罗撞击坑内部就有苏长岩，如有收获，将有助于解开苏长岩成因之谜。

此次，嫦娥六号任务采集到1935.3克月球背面样品，很多人都关心月背挖回的“土特产”里究竟有什么？想要揭秘，还需等待科研人员完成对样品的分析和研究，但我们不妨展望一二。

嫦娥六号从月球背面挖回的土壤中可能含有以下成分：

1.岩石碎片：这些碎片来自月球表面的岩石；

2.矿物颗粒：包括长石、辉石、钛铁矿等，这些是月表的主要组成部分；

3.玻璃物质：月壤中可能含有由撞击熔融形成的玻璃物质；

4.微量元素：如铜、金等，虽含量较低，但对研究月球形成和演化有益；

5.氦-3：这是一种潜在的核聚变燃料，在月壤中的含量较为丰富。

为何要采用“打水漂”的方式返回

2024年6月25日，嫦娥六号是用半弹道跳跃式返回，即“打水漂”的方式再入大气层，最终通过伞降辅助成功着陆内蒙古四子王旗的。

为什么要用这种方式返回呢？所谓“打水漂”就是返回器要两次进入地球大气层。嫦娥六号返回器在第一次以10.9千米/秒进入大气层后，要经历一个从一步步亲近地球到一点点远离地球并穿出大气层的过程，就像打了一个水漂。这种专门安排的在大气层中进行数千公里的飞行，就是要利用大气的阻力和与大气摩擦产生的热量快速消耗返回器的能量，以将返回器的速度降到7.9千米/秒以下，这样，当返回器冲出大气层后便不再满足成为一颗地球卫星的基本条件，从而能够第二次落入大气层。

返回器返回地球时需要先通过第一次再入大气层来减速，如果直接返回地面是会被烧毁的。用大气层阻力将返回器速度降为第一宇宙速度后，通过第二次再入大气层就能轻车熟路地返回地面了，但必须控制好返回器第一次再入大气层的再入角和再入点，因为它从最初再入大气层到最后落地，其间要在风驰电掣和大起大落的状态下飞行六七千千米，稍有偏差就有可能回不到地球或者无法准确着陆预定地点。

在这个“打水漂”返回的过程中，地球大气担任双重角色，一方面要充当阻力尽量降低返回器的速度，另一方面还要充当升力，保证返回器在速度降到一定程度后能顺利跃起。所以，既不能让返回器减速太多，又要确保不能减速太少，还要使返回器在固定的位置穿出大气层，然后第二次再入大气层。完成这一高难任务要靠制导、导航与控制系统。制导是根据当前位置和速度并结合落点位置进行制导处理，自动规划出最佳飞行路线；导航是实时获取自身位置和速度；控制是通过控制返回器外的发动机调整返回器姿态，使其沿规划轨迹飞行。这三者协同工作，方能使返回器找到回家的路。

值得关注的是，嫦娥六号返回器采用半弹道跳跃式返回要两次经过黑障区（航天器高速返回大气层时，在一定高度与地面通信联络中断的区域），当返回器距地面120千米时，它在2分钟后进入再入走廊，开始持续3分钟的初次再入并进入黑障区。此时返回器以较高升阻比的方式在大气层中“滑行”，目的是让返回器获得足够的“升力”。在返回器距地60千米时第一次升力控制结束，返回器在高超音速空气动力作用下被反弹回大气层外，此时返回器速度已降至7.9千米/秒以下。返回器第二次再入大气层后再次进入黑障区，4分钟后飞出黑障区。

航天器经过黑障区会面临以下考验：黑障区的高温和热流可能会对航天器的结构和材料造成严重热损伤，甚至引发航天器解体；黑障区会导致航天器与地面控制中心之间的通信中断，因为返回器周围形成的等离子体鞘吸收和散射电磁波，使得信号无法传输，地面控制中心也无法对航天器进行控制和指挥；航天器在黑障区所受到的气动压力和过载非常大，可能会对航天器的结构和设备造成损坏，导致航天器的姿态失控。

为了通过黑障区的考验，研制团队必须采取一系列措施，如使用耐高温材料、优化航天器外形设计等，以确保航天器能够安全穿越黑障区并成功返回地球。其中，返回器金属壳体的高质量是确保返回成功的一个重要因素。另外，研制团队根据返回器不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标，为其量身定制了一件“贴心防热衣”。返回器大面积防热结构采用了航天材料及工艺研究所的轻质蜂窝增强防热材料，该材料具有密度低、重量轻、烧蚀防热效果优异、一致性好、可靠性高等优点，为嫦娥六号任务的成功提供了坚实保障。轻质蜂窝增强防热材料采用创新的材料设计方法，解决了轻质材料与长时复杂气动加热的矛盾，优异的烧蚀性能使返回器气动外形保持良好，同时为保护其内部的月壤成功返回地面起到决定性作用。

作为多个国家“集体劳动”的成果，嫦娥六号成功月背采样返回的意义超越了国界，它标志着人类团结合作、和平利用外空的历史性进步，也让人们对中国2030年前实现载人登月、2040年前建成一个完善型的国际月球科研站增添了更多信心与期待。（作者为全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩）

（来源：北京日报）