作者：LM-51D-YZ4D2，航天愛好者

今天，長征五號遙八火箭即將從海南文昌航天發(fā)射場點火起飛，把嫦娥六號探測器送入預(yù)定軌道。作為嫦娥五號的備份器，嫦娥六號繼承了嫦娥五號的結(jié)構(gòu)，又針對月球背面著陸進行了優(yōu)化，涉及多器月球軌道集合和月背中繼通信等，是人類歷史上最復(fù)雜的無人月球任務(wù)。在21世紀成功著陸月球的國家中僅有中美還有開展此類復(fù)雜著陸任務(wù)的能力，而美國在CLPS構(gòu)架下的商業(yè)月球任務(wù)對采樣返回并不特別注重，我國在基于嫦娥五號成功的基礎(chǔ)上開展擴展任務(wù)，這也使得我們在首次月背著陸的成就后，即將返回首份月背樣本。

帶回月球背面樣本：從玄武巖和地幔物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)新的月球往事

嫦娥六號是嫦娥五號的備份。在嫦娥五號實現(xiàn)了中國首次月球無人采樣返回后，繼續(xù)讓嫦娥六號復(fù)刻嫦娥五號的成功有些過于平淡了，在去月球南極或者月球背面兩個方案之間，最終嫦娥六號的任務(wù)變成前往月球背面采集月球樣品并帶回地球，這是人類首次開展月球背面取樣。

嫦娥六號的著陸點位于南極-艾特肯盆地的阿波羅撞擊坑南側(cè)。南極-艾特肯盆地形成的年代古老（43億年）、尺度巨大（直徑達2400km，最南到達南極）、組分分布異常和后續(xù)火山活動造就的復(fù)雜地貌，成為了月球背面科研價值最高的地區(qū)。而阿波羅撞擊坑形成于39-41億年前，很可能含有形成南極-艾特肯盆地的撞擊物質(zhì)的殘留產(chǎn)物和后續(xù)火山活動的產(chǎn)物，阿波羅撞擊坑中一些子撞擊坑如德萊頓撞擊坑的輝巖更富含鎂，很可能保留了在形成南極-艾特肯盆地的撞擊中從月球地幔中攪出來的物質(zhì)。

嫦娥六號探測器將試圖在阿波羅撞擊坑收集年輕的、小于25億年噴出的玄武巖，并且測量這些樣本的年齡。目前根據(jù)撞擊坑尺寸-頻率分布法的年代測定研究，月球正面直到12億年前還有火山活動，而月球背面的火山活動可能在30億年前就停止了，而該方法只能確定一些沉積物在25億年前形成，這也是月球正反面不對稱性的重要體現(xiàn)。如果嫦娥六號樣本中發(fā)現(xiàn)了生成年齡小于25億年的玄武巖，將擴展對月球背面玄武巖形成的年齡和月球背面熱演化的認識。

嫦娥六號很可能獲得一些南極-艾特肯盆地形成撞擊噴發(fā)的物質(zhì)。阿波羅撞擊坑的形成很可能摧毀了大部分來自南極-艾特肯盆地形成撞擊產(chǎn)生的物質(zhì)，然而這些物質(zhì)仍然可能保存在阿波羅盆地的側(cè)壁和邊緣，特別是南部邊緣。嫦娥六號探測器返回的南極-艾特肯盆地形成撞擊物的噴出物年齡可能超過39億年，這將為南極-艾特肯盆地和阿波羅撞擊坑形成事件的時間提供基本信息，大大提高對月球和整個太陽系內(nèi)部撞擊年表的認識。此外，通過嫦娥六號獲得的任何深層地殼和可能的地幔物質(zhì)，都將徹底改變我們對月球內(nèi)部的組成、月球的熱演化以及月球形成地球撞擊事件后原始月球累積源物質(zhì)的作用的思考。

提前升空的鵲橋二號，為嫦娥六號提供通信保障

受到月球的遮擋，登陸月球的探測器無法直接與地球通信。為了實現(xiàn)月球背面航天器與地球的通信，3月20日，鵲橋二號中繼通信衛(wèi)星已提前升空。

鵲橋二號原本打算為嫦娥七號提供數(shù)據(jù)中繼，將搭乘嫦娥七號發(fā)射。在嫦娥六號選定月背43°S的著陸區(qū)后，考慮到鵲橋一號對著陸區(qū)的覆蓋有限，并且其配置的X波段對地/月天線數(shù)傳速率有限，因此最后決定將鵲橋二號和嫦娥七號任務(wù)解耦，單獨發(fā)射月球極軌道中繼星，以增強對嫦娥六號的服務(wù)。

鵲橋二號對月高速率通信采用一個4.2米口徑的X/UHF波段傘天線，X波段用于和嫦娥六號、嫦娥七號著陸器通信，UHF波段是為未來嫦娥七號攜帶的玉兔三號月球車服務(wù)。當然了，在測試階段它也和嫦娥四號進行了通信。對地采用一個帶有云臺的0.6米固定反射器，采用S/Ka波段。Ka波段的引入使得鵲橋二號可以以最高500Mbps的速率實現(xiàn)地月通信，比只有S波段的鵲橋一號高到不知道哪里去了。

鵲橋二號是人類首顆使用外三體效應(yīng)軌道的航天器，其軌道設(shè)計考慮了來自地球和太陽引力的干擾，并將其作為航天器軌道拱線轉(zhuǎn)變的手段。航天器進入環(huán)月軌道后進行一次點火，進入一條L1族NRHO軌道，隨后再點一次火離開NRHO，進入遠地點在嫦娥六號著陸點上方的大橢圓24小時軌道，為嫦娥六號提供每天超過21小時的數(shù)據(jù)中繼。直到2024年6月嫦娥六號任務(wù)結(jié)束后，鵲橋二號將通過幾次機動最后進入12小時大橢圓軌道，等待裝滿科學(xué)載荷的嫦娥七號在2026年抵達。

最復(fù)雜的無人探測器，嫦娥六號究竟如何進行取樣？

嫦娥六號可以說是人類歷史上最復(fù)雜的無人探測器。不僅繼承了嫦娥五號一樣的復(fù)雜組件，有63臺/套機構(gòu)分系統(tǒng)、119個火工裝置、655臺/套儀器設(shè)備，還涉及多航天器月球軌道協(xié)同操作和無人月球軌道對接等世界級難點，甚至還將在月球軌道分離一顆巴基斯坦立方星。嫦娥六號的環(huán)月軌道階段也大幅增長，任務(wù)時間相比嫦娥五號任務(wù)翻倍，而且著陸點在月背南極-艾特肯盆地阿波羅撞擊坑的南側(cè)，直接產(chǎn)生了多器對鵲橋二號中繼通信這一新難點，整個任務(wù)前后涉及4類組合體，總計7個航天器單體。

為了在月背獲取預(yù)期樣品，嫦娥六號配置了一系列表取、鉆取、封裝等裝置，并有相關(guān)的采樣點和采樣策略驗證。嫦娥六號的采樣封裝系統(tǒng)不僅需要適應(yīng)月面高溫、月面風化層，還需要在月面著陸姿態(tài)、月面地形和月面地質(zhì)等不可提前預(yù)知的復(fù)雜工作環(huán)境下準確可靠的完成2000多個動作的采樣封裝任務(wù)，為此航天五院還專門在地面設(shè)置了對應(yīng)的模擬器，探測器的每個取樣動作都需要先在地面驗證過再上行指令由探測器執(zhí)行。

嫦娥六號著陸月背后，開展圖像獲取與分析，利用采樣過程監(jiān)視相機A/B/C/D和鉆取采樣機構(gòu)監(jiān)視相機完成采樣封裝設(shè)備的視覺信息，進行采樣區(qū)和裝置的分析等，隨后立即實施采樣點確定與采樣初始策略驗證。著陸采用監(jiān)視相機A/B獲得表取采樣區(qū)圖像，加載表取機械臂可采樣區(qū)域，隨后進行數(shù)字地形重構(gòu)。隨后由地面驗證器鉆取模擬月壤驗證可行性，再由探測器鉆取裝置運行鉆取。表取地面測試采用AR投影技術(shù)進行物理構(gòu)建，由地面驗證器表取機構(gòu)運行取樣，再根據(jù)仿真分析和物理驗證確定采樣點。

嫦娥六號的表取裝置具備多次表面采樣能力，月面工作時間不小于24小時。表取裝置為四自由度表取采樣機械臂，由四自由度表取采樣機械臂、末端采樣器（采樣器甲、采樣器乙）、微小相機（遠攝相機，近攝像機）和壓緊釋放機構(gòu)等組成，集成了鏟、挖、納、抓等多種功能。采樣器甲主要實現(xiàn)月球樣品的鏟挖采集，采樣器乙實現(xiàn)月球樣品的旋挖和定點抓取采集，這兩者通過T形三通件形成一個整體組件，機械臂腕關(guān)節(jié)外部安裝有觸月組件，可在機械臂觸及月表時發(fā)出觸月信號。

嫦娥六號的鉆取采樣裝置是軟管取芯的單桿鉆取，其中2.5m長的鉆桿主體采用鋁基碳化硅材料，能夠鉆挖硬度8的巖石。根據(jù)可行性分析，在不影響起飛的極限傾斜著陸條件下鉆機可鉆取最小700mm、最大2376mm的月壤，在探測器著陸姿態(tài)水平的著陸狀態(tài)下可鉆取2009.5mm的月壤。這套機構(gòu)在嫦娥五號任務(wù)中順利展開并且實施了采樣，但可惜由于著陸點月表下方0.9m就是堅硬而復(fù)雜的多層巖石，并且深層月壤糊住了鉆頭，無法繼續(xù)向下鉆取。為避免持續(xù)高功率鉆挖巖石導(dǎo)致鉆取電機故障，甚至導(dǎo)致整器掉電，嫦娥五號沒有強行向下鉆探而是在有效深度1004mm處終止了鉆取采樣，嫦娥六號鉆取采樣裝置繼承嫦娥五號，尺寸并沒有太大的變化，但鉆頭經(jīng)過了優(yōu)化避免發(fā)生嫦娥五號任務(wù)中的意外事件再次發(fā)生。

考慮到著陸區(qū)環(huán)境不可預(yù)測的地質(zhì)特性，嫦娥六號的表取裝置和鉆取裝置完全獨立，顯著降低了采樣封裝失敗的概率。因為采取到的月球樣品存在差異，也對鉆取月球樣品與表取月球樣品分立式初級封裝，確保鉆取和表取樣本不混雜。密封圈采用金屬擠壓密封為主、橡膠圈密封為輔的方案，綜合漏率為3.6×10-10 Pa·m3/s，遠低于密封漏率指標的5×10-9 Pa·m3/s。

科學(xué)載荷方面，嫦娥六號攜帶有4臺國內(nèi)儀器、3臺國外儀器，全部位于著陸器上。由于嫦娥六號的熱控管路主系統(tǒng)位于上升器內(nèi)，上升器飛離后熱控管路隨即被切斷，因此上升器起飛后這些儀器將失去熱控，停止運行。

國內(nèi)的LCAM降落相機為嫦娥六號動力下降提供圖像，PACM全景相機在著陸后提供著陸點的月球全景圖像，LMS月球礦物光譜分析儀和LRPR月壤結(jié)構(gòu)探測儀將為月面采樣服務(wù)，其中LRPR可以探測著陸點下方2米的月壤，為探測器鉆取月壤提供數(shù)據(jù)支持。法國DORN氡氣探測儀將探測月壤中鈾衰變產(chǎn)生的氡氣。這是人類首次在月球表面測量氡氣濃度的科學(xué)實驗，同時測量氡衰變形成的釙元素來研究月塵的散布和沉積。歐空局NILS負離子探測儀則是人類首臺不運行在近地軌道附近的負離子探測儀，旨在檢測由于與太陽風相互作用而從月球表面發(fā)射的負離子，并確定其通量的上限。

嫦娥六號還攜帶了一枚上海交通大學(xué)為巴基斯坦開發(fā)的3U立方星——ICUBE-Q，也叫“思源一號”，以探測月球表面水冰存在過的痕跡。衛(wèi)星將在嫦娥六號進入環(huán)月軌道后分離。這是首次嫦娥系列月球探測器攜帶并在月球軌道釋放的小衛(wèi)星，也代表著我國探月工程和外國形成了更緊密、充分的合作。

嫦娥六號是人類目前最復(fù)雜的無人月球任務(wù)，一旦成功從阿波羅撞擊坑南側(cè)取回樣本，將同時擴展我們對月球演化和太陽系起源的認識。作為探月四期的首次正式著陸任務(wù)，它也將嫦娥工程從工程先導(dǎo)逐步轉(zhuǎn)向科學(xué)先導(dǎo)，通過幾次重要任務(wù)以探索月球最核心的問題，再逐步發(fā)展為月球南極科研站（ILRS）和未來的嫦娥9、10號任務(wù)等，讓我們更好的理解這顆距離我們最近的天體。