史上最復(fù)雜的探測(cè)器嫦娥六號(hào)，如何采取人類首份月背樣品？

作者：LM-51D-YZ4D2，航天愛好者

今天，長征五號(hào)遙八火箭即將從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火起飛，把嫦娥六號(hào)探測(cè)器送入預(yù)定軌道。作為嫦娥五號(hào)的備份器，嫦娥六號(hào)繼承了嫦娥五號(hào)的結(jié)構(gòu)，又針對(duì)月球背面著陸進(jìn)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(jì)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(duì)采樣返回并不特別注重，我國在基于嫦娥五號(hào)成功的基礎(chǔ)上開展擴(kuò)展任務(wù)，這也使得我們?cè)谑状卧卤持懙某删秃螅磳⒎祷厥追菰卤硺颖尽?/p>

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(hào)是嫦娥五號(hào)的備份。在嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)了中國首次月球無人采樣返回后，繼續(xù)讓嫦娥六號(hào)復(fù)刻嫦娥五號(hào)的成功有些過于平淡了，在去月球南極或者月球背面兩個(gè)方案之間，最終嫦娥六號(hào)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(hào)任務(wù)器箭組合體 圖片來源：國家航天局

嫦娥六號(hào)的著陸點(diǎn)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(dá)2400km，最南到達(dá)南極）、組分分布異常和后續(xù)火山活動(dòng)造就的復(fù)雜地貌，成為了月球背面科研價(jià)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(dòng)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(hào)探測(cè)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(cè)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(cè)定研究，月球正面直到12億年前還有火山活動(dòng)，而月球背面的火山活動(dòng)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(duì)稱性的重要體現(xiàn)。如果嫦娥六號(hào)樣本中發(fā)現(xiàn)了生成年齡小于25億年的玄武巖，將擴(kuò)展對(duì)月球背面玄武巖形成的年齡和月球背面熱演化的認(rèn)識(shí)。

嫦娥六號(hào)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(hào)探測(cè)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(shí)間提供基本信息，大大提高對(duì)月球和整個(gè)太陽系內(nèi)部撞擊年表的認(rèn)識(shí)。此外，通過嫦娥六號(hào)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(duì)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(hào)，為嫦娥六號(hào)提供通信保障

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

鵲橋二號(hào) 圖片來自央視

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

鵲橋二號(hào)對(duì)月高速率通信采用一個(gè)4.2米口徑的X/UHF波段傘天線，X波段用于和嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)著陸器通信，UHF波段是為未來嫦娥七號(hào)攜帶的玉兔三號(hào)月球車服務(wù)。當(dāng)然了，在測(cè)試階段它也和嫦娥四號(hào)進(jìn)行了通信。對(duì)地采用一個(gè)帶有云臺(tái)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(hào)可以以最高500Mbps的速率實(shí)現(xiàn)地月通信，比只有S波段的鵲橋一號(hào)高到不知道哪里去了。

鵲橋二號(hào)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(jì)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(jìn)入環(huán)月軌道后進(jìn)行一次點(diǎn)火，進(jìn)入一條L1族NRHO軌道，隨后再點(diǎn)一次火離開NRHO，進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)在嫦娥六號(hào)著陸點(diǎn)上方的大橢圓24小時(shí)軌道，為嫦娥六號(hào)提供每天超過21小時(shí)的數(shù)據(jù)中繼。直到2024年6月嫦娥六號(hào)任務(wù)結(jié)束后，鵲橋二號(hào)將通過幾次機(jī)動(dòng)最后進(jìn)入12小時(shí)大橢圓軌道，等待裝滿科學(xué)載荷的嫦娥七號(hào)在2026年抵達(dá)。

最復(fù)雜的無人探測(cè)器，嫦娥六號(hào)究竟如何進(jìn)行取樣？

嫦娥六號(hào)可以說是人類歷史上最復(fù)雜的無人探測(cè)器。不僅繼承了嫦娥五號(hào)一樣的復(fù)雜組件，有63臺(tái)/套機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、119個(gè)火工裝置、655臺(tái)/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(duì)接等世界級(jí)難點(diǎn)，甚至還將在月球軌道分離一顆巴基斯坦立方星。嫦娥六號(hào)的環(huán)月軌道階段也大幅增長，任務(wù)時(shí)間相比嫦娥五號(hào)任務(wù)翻倍，而且著陸點(diǎn)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(duì)鵲橋二號(hào)中繼通信這一新難點(diǎn)，整個(gè)任務(wù)前后涉及4類組合體，總計(jì)7個(gè)航天器單體。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖，六號(hào)和五號(hào)結(jié)構(gòu)相同

為了在月背獲取預(yù)期樣品，嫦娥六號(hào)配置了一系列表取、鉆取、封裝等裝置，并有相關(guān)的采樣點(diǎn)和采樣策略驗(yàn)證。嫦娥六號(hào)的采樣封裝系統(tǒng)不僅需要適應(yīng)月面高溫、月面風(fēng)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(zhǔn)確可靠的完成2000多個(gè)動(dòng)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(duì)應(yīng)的模擬器，探測(cè)器的每個(gè)取樣動(dòng)作都需要先在地面驗(yàn)證過再上行指令由探測(cè)器執(zhí)行。

采樣過程實(shí)拍圖

嫦娥六號(hào)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(jī)A/B/C/D和鉆取采樣機(jī)構(gòu)監(jiān)視相機(jī)完成采樣封裝設(shè)備的視覺信息，進(jìn)行采樣區(qū)和裝置的分析等，隨后立即實(shí)施采樣點(diǎn)確定與采樣初始策略驗(yàn)證。著陸采用監(jiān)視相機(jī)A/B獲得表取采樣區(qū)圖像，加載表取機(jī)械臂可采樣區(qū)域，隨后進(jìn)行數(shù)字地形重構(gòu)。隨后由地面驗(yàn)證器鉆取模擬月壤驗(yàn)證可行性，再由探測(cè)器鉆取裝置運(yùn)行鉆取。表取地面測(cè)試采用AR投影技術(shù)進(jìn)行物理構(gòu)建，由地面驗(yàn)證器表取機(jī)構(gòu)運(yùn)行取樣，再根據(jù)仿真分析和物理驗(yàn)證確定采樣點(diǎn)。

嫦娥五號(hào)表取區(qū)域成像圖

全景相機(jī)拍攝的取樣器運(yùn)行和月表

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

表取裝置取樣器和機(jī)械臂

嫦娥六號(hào)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(jī)可鉆取最小700mm、最大2376mm的月壤，在探測(cè)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(jī)構(gòu)在嫦娥五號(hào)任務(wù)中順利展開并且實(shí)施了采樣，但可惜由于著陸點(diǎn)月表下方0.9m就是堅(jiān)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(jī)故障，甚至導(dǎo)致整器掉電，嫦娥五號(hào)沒有強(qiáng)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(hào)鉆取采樣裝置繼承嫦娥五號(hào)，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(hào)任務(wù)中的意外事件再次發(fā)生。

鉆取采樣裝置的鉆桿

考慮到著陸區(qū)環(huán)境不可預(yù)測(cè)的地質(zhì)特性，嫦娥六號(hào)的表取裝置和鉆取裝置完全獨(dú)立，顯著降低了采樣封裝失敗的概率。因?yàn)椴扇〉降脑虑驑悠反嬖诓町悾矊?duì)鉆取月球樣品與表取月球樣品分立式初級(jí)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(yuǎn)低于密封漏率指標(biāo)的5×10-9 Pa·m3/s。

樣本密封過程實(shí)拍圖

科學(xué)載荷方面，嫦娥六號(hào)攜帶有4臺(tái)國內(nèi)儀器、3臺(tái)國外儀器，全部位于著陸器上。由于嫦娥六號(hào)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(yùn)行。

國內(nèi)的LCAM降落相機(jī)為嫦娥六號(hào)動(dòng)力下降提供圖像，PACM全景相機(jī)在著陸后提供著陸點(diǎn)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(cè)儀將為月面采樣服務(wù)，其中LRPR可以探測(cè)著陸點(diǎn)下方2米的月壤，為探測(cè)器鉆取月壤提供數(shù)據(jù)支持。法國DORN氡氣探測(cè)儀將探測(cè)月壤中鈾衰變產(chǎn)生的氡氣。這是人類首次在月球表面測(cè)量氡氣濃度的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)測(cè)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(fù)離子探測(cè)儀則是人類首臺(tái)不運(yùn)行在近地軌道附近的負(fù)離子探測(cè)儀，旨在檢測(cè)由于與太陽風(fēng)相互作用而從月球表面發(fā)射的負(fù)離子，并確定其通量的上限。

嫦娥六號(hào)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(hào)”，以探測(cè)月球表面水冰存在過的痕跡。衛(wèi)星將在嫦娥六號(hào)進(jìn)入環(huán)月軌道后分離。這是首次嫦娥系列月球探測(cè)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(hào)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(shí)擴(kuò)展我們對(duì)月球演化和太陽系起源的認(rèn)識(shí)。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(hào)任務(wù)等，讓我們更好的理解這顆距離我們最近的天體。