“六姑娘”月背探险之旅

小编：小新，最近全国各地都在“晒”的“超级月亮”你看了吗？

小新：当然，今年我国共有四次“超级月亮”，我每次都看得“沉醉不知归路”。

小编：古往今来，无数文人墨客望月抒怀，但时至今日我们对这位“近邻”的认识依然有限，尤其对月球的背面知之甚少。

小新：的确如此，月球作为地球唯一的天然卫星，既幸运也不幸地被地球潮汐“锁定”，使得它的自转速度和公转速度逐步趋同，始终只能“直面”地球。但别着急！继嫦娥五号奔月采样后，我国探月工程又派出了一位勇敢的探路者——嫦娥六号，圆满完成了人类前所未有的月背采样任务。我们距离解开月球的奥秘又近了一步。

小编：哇，据说这次“嫦娥家族”“六姑娘”的壮举不仅科技范儿十足，搭载的4个国际载荷也展现出满满的国际范儿。本期，就让我们一起来重温我国的探月足迹，走近这次看似轻松浪漫，实则惊险刺激的月背探险之旅吧。

月球承载着太阳系起源和演化的奥秘，蕴藏着丰富的资源，是人类开拓太空新领域、走向深空的“前哨站”。1958年，苏联发射了首个月球探测器，拉开了人类探测月球的序幕。2004年，我国“嫦娥工程”探月计划正式启动，从此，科学家们对月球的探索越来越深入。

从嫦娥一号拍摄的世界首张全月球影像图，到嫦娥三号成功实现落月梦想，从嫦娥四号叩问“广寒”，实现人类首次月球背面软着陆，到嫦娥五号“蟾宫”折桂，首次实现我国地外天体采样返回，再到本次“六姑娘”又赴“霄汉”实现世界首次月球背面采样返回，“嫦娥家族”派出的精兵强将个个战绩辉煌，中国探月之旅精彩纷呈。

月面、月背大不同

在此次月背采样之前，人类已开展100多次月球探测和10次月球正面采样返回，但仍然对月球起源和演化过程存在众多疑问，月背或藏着更多新知。

月球由月核、月幔、月壳等结构组成，月面地势总体较平缓，环形山较少，从地球上看，这些区域的反射光线亮度较其他区域弱，呈阴暗状态，被科学家称为“月海”。相比之下，月背的“月海”地形较少，取而代之的是紧密分布的撞击坑、环形山，地势起伏剧烈，高山、高原、沟壑随处可见。

月背有着月球三大地体之一的南极-艾特肯盆地，它大约形成于42亿年前的一次巨大撞击，是被公认的月球上最大、最古老、最深的盆地。月面采样通常只能获取最外层的风化层月壤样品，而此次去到的月背南极-艾特肯盆地，或在遭受撞击时将原本存在于月球深部的物质“翻”到月表，有助于人类采集到年代更久远的月壤样品，更好地研究月球演化等科学问题。

嫦娥六号此次的着陆点位于南极-艾特肯盆地中的一个“盆中之盆”，如果以月核为圆心将月球一分为二，这里刚好与嫦娥五号的落点大致呈中心对称关系。

将月背采集的土壤样品与月面的土壤样品进行比照研究，有助于进一步分析月壤的结构、物理特性、物质组成等，深化人类对月球成因和太阳系演化历史的认知，为进一步解开地月的一系列奥秘强势助力。

月背采样不容易

受限于月背险峻的地形和通信障碍，“六姑娘”此行时间紧、任务重，要想取回“宇宙快递”可谓困难重重。从地月转移、近月制动到环月飞行、下降着陆，再到重返地球，此次任务共花费了53天，先后经历了11个环环相扣的飞行阶段，好比一场深空“接力赛”。

上天之“头等大事”

为适应新的任务需求，设计团队为“六姑娘”量身定制了由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成的升级版“战袍”，全重超过8吨，成为我国迄今最重的一颗深空探测器。如何将“六姑娘”送往月背，成为头等大事。

为满足这位重量级“乘客”的需求，长征五号运载火箭进行了多项设计优化和工艺改进。借助“窄窗口多轨道”发射技术，连续两天、每天50分钟的窗口内设计的10条奔月轨道，更好地把握住了发射窗口，助其顺利进入地月转移轨道。

万里通信“鹊桥”牵

月背不仅难以从地球上观测到，还常常“不在服务区”，任何飞往月背的探测器都无法直接实现与地球的测控通信和数据传输。要想抵达月背并实施采样，建立可靠的通信链路是关键。预先部署在轨道上的“鹊桥二号”不仅提高了地月之间的通信覆盖能力，还有着较强的灵活性和任务扩展能力，作为探秘月球的最强“传声筒”，为地球与月背的互通互联“牵线搭桥”。

“太空刹车”是关键

为使自身相对速度低于月球逃逸速度，从而被月球引力捕获，“六姑娘”在飞临月球附近时，通过“太空刹车”成功投入了月球的“怀抱”。然而，实现“太空刹车”并不简单：若“刹车”力度不够，未能成功减速的“六姑娘”很可能滑入太空“流浪”；若“刹车”过猛，“六姑娘”则可能撞向月球。因此，这脚“太空刹车”是成功落月的关键。

近月制动后，嫦娥六号就进入了环月逆行轨道，意味着其环月飞行的方向与月球的自转方向相反，这样能提升探测器与月球之间的相对速度，让探测器更好地稳定在环月轨道上。

“两次避障”算法强

“六姑娘”先后两次的障碍识别与落点选择，得益于“粗精接力避障”技术，这其中，算法是精髓。月背不如月面那样平坦，着陆区的选择及精准着陆是任务的难题之一。

在落月过程中，着陆器和上升器组合体（着上组合体）通过随时修正降落姿势，在对预定着陆区域进行拍照分析后再前往着陆区域，完成第一次“粗避障”。在距离月面更近的预定高度时，着上组合体还能实现短暂悬停，再次对月面进行拍照并精准规避障碍，确定最终落点，实现第二次“精避障”。

“纤纤美腿”落轻盈

从发射到返回地面，嫦娥六号整个任务时长较嫦娥五号多了30天，这主要是用于等待合适的落月时机。

“六姑娘”落月前需调整环月轨道高度和倾角，再选择时机使轨道器和返回器组合体（轨返组合体）与着上组合体分离。随后，着上组合体实施月球背面着陆。最后一落还得益于四条轻质、高强的“纤纤美腿”——“着陆缓冲机构”的助力。每条着陆腿都由主腿、副腿和足垫组成，它们各有分工，协同工作。主、副腿在着陆时能支撑探测器，有效吸收冲击能量。搭配的四个盆状结构的足垫，不仅能起到很好的缓冲作用，还能防止探测器在着陆时“摔倒”。

成功采样我看“中”

受限于中继通信的通信时长，“六姑娘”在月面停留的48小时里，实际“挖土”的时间不到14小时，她不仅要克服测控、光照、电源等难题，还要“快、准、狠”地完成多点、多样化自动采样。随着采样步骤的序列化合并，一个指令即可助她完成多步操作。机械臂的同步提速以及采样路径的优化共同提高了采样效率。

此外，首次独立动态展示用玄武岩熔融拉丝技术制成的国旗，在月背“自拍”打卡发“朋友圈”……“六姑娘”一件也没落下。

从月背飞离，“六姑娘”还需借助中继星，在制导导航与控制系统这位经验丰富的“驾驶员”的引导下，实现自主定位、定姿，完成上升器上升和入轨的动作。飞离时留下的“中”字印记，正是她完美表现的最好见证。

“太空水漂”助回归

返回阶段，“六姑娘”还利用半弹道跳跃式返回技术在星际上演了一场“太空水漂”。“太空水漂”的最大风险在于第一次进入大气层。其间，既要利用大气层阻力尽量降低返回器速度，又要保证返回器有足够“力气”再次跃入太空，同时还要让返回器保持一定的飞行路径，并能在固定位置穿过大气层。

高速进入大气层的嫦娥六号返回器，穿着加工难度极高的“金钟罩铁布衫”，经受住了高温烧灼的考验，在降落伞两次绽放的“红白伞花”的护佑下，载誉归来。

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自治区四子王旗预定区域，圆满完成了既定任务。本次任务搭载了欧空局月表负离子分析仪、法国氡气探测仪、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4个国际载荷，务实高效的国际合作受到国际社会广泛关注和好评，更彰显了我国作为航天大国自信、开放、包容的心态。未来，深空探测越发成为大国空间战略博弈的主战场，围绕深空科技制高点的竞争空前激烈，新一轮载人登月任务正在拉开大幕。

（本文由中国科学技术大学工程科学实验教学中心主任倪向贵审核把关）

（栏目编辑  方郁芝）