“嫦娥”奔月
2024-07-15 00:00:00文曲
科学24小时 2024年7期
月球与地球撞击过吗？月球是空心的吗？为了揭开月球的奥秘，“嫦娥”系列月球探测器肩负使命，前赴后继、义无反顾地飞赴月球。这次，“嫦娥六号”探测器踏着前辈“嫦娥四号”的足迹前往月球背面，探测月球遗迹，采集古老撞击坑的样本。
保驾护航
在月球背面进行探测和采集样本，存在一个非常棘手的问题——通信障碍。由于月球遮挡，月球背面不能与地球直接通信，地面控制系统的测控信号也不能直接传输到月球背面，因此必须在远离月球、看得见地球的太空中，部署一颗中继通信卫星，承担联通地球、月球背面和“嫦娥六号”探测器的任务，它就是“鹊桥二号”中继通信卫星。作为探月四期的公共中继星平台，“鹊桥二号”为“嫦娥六号”“嫦娥七号”“嫦娥八号”提供服务。
“鹊桥二号”中继通信卫星拥有多重功能，它的质量为1200千克，装载有中国空间技术研究院设计的“CAST-2000”飞行平台、三轴稳定系统和130牛联氨推进系统，以及2片可展开的太阳能帆板，“鹊桥二号”的设计寿命大于8年。“鹊桥二号”上搭载的科学仪器有低频无线电探测器、极紫外照相机、阵列中性原子成像仪、地月甚长基线干涉测量系统等。
“鹊桥二号”上有一个可展开的4.2米碟形天线，用于中继通信。它能为“嫦娥六号”着陆器、月球车提供4个256kbps的X频段链路，并向地球提供1个2Mbps的S频段链路。
为了确保“嫦娥六号”探测器成功着陆并顺利完成各项任务，“鹊桥二号”的小弟们“天都一号”和“天都二号”悉数登场。“天都一号”和“天都二号”都是月球导航与通信技术试验卫星，由深空探测实验室研制 。2024年3月20日，“天都一号”“天都二号”通导技术试验星伴随“鹊桥二号”中继星任务，搭乘长征八号遥三运载火箭从文昌航天发射场发射升空，将为架设地月“鹊桥网络”提供先期技术验证。其中“天都一号”的质量为61千克，配备有Ka一体化通信机、激光后向反射器、空间路由器和其他科学仪器。它主要负责开展地月激光测距、星间测量与高速测控等技术试验。“天都二号”的质量为15千克，装载了通信设备和导航设备，将与“天都一号”在月球轨道编队飞行，开展月球轨道通信导航新技术验证，并推动低成本小卫星技术在深空探测领域的应用。
2024年3月20日8时31分，“鹊桥二号”中继通信卫星搭乘长征八号运载火箭，在文昌航天发射场发射升空。3月25日0时46分，“鹊桥二号”经过约112小时的奔月飞行，在距离月面约440千米处开始实施近月制动。在近月制动大约19分钟后，它顺利进入环月轨道飞行，并按照计划，开展与“嫦娥四号”“嫦娥六号”和地面测控中心的通信测试。
运筹帷幄
月球上的环境异常严酷。月球表面没有大气层，太空辐射比地球上大得多，昼夜温差极大。月表上白昼的平均温度为107℃，最高可达到130℃；而到了夜晚，平均温度为-153℃，最低可达到-180℃。月球上的重力只有地球重力的六分之一。
而月球背面的情况更为严酷，在月背采样是一个高难度的任务。对此，我国航天科学家运筹帷幄，用科技与智慧战胜困难，制定了飞行时序。
航天器的飞行时序，主要计算时间、角度、速度等。时间以毫秒为计算单位，也就是以千分之一秒计算；角度以千分之一度为计算单位；速度以10米为计算单位。月球采样的飞行时序主要分为月球采样和返回着陆两个阶段。此次“嫦娥六号”担负的月球采样任务必须经过许多飞行时序：火箭发射、轨道修正、地月转移、近月制动、环月飞行、组合分离、精控着陆、月面着陆、自动采样、月面起飞、月轨对接、两器分离、精控落月、月地转移和返回着陆等。“嫦娥六号”只有闯过这些难关，才能携带月球样本返回地球，完成非凡的采样之旅。
火箭发射
倒计时0秒，火箭发射。火箭一旦点火，就没有回头路了，要么成功，要么失败。目前，火箭发射进入月球轨道有两种方法：一是超重型火箭发射太空探测器，直接进入月球轨道；二是大中型火箭发射太空探测器，环绕地球转圈，圈子越绕越大，择机进入月球轨道。此次“嫦娥六号”任务采用第二种方法。在地月轨道之间时，“嫦娥六号”探测器将再次点火，先进入地月转移轨道，再进入月球轨道。
轨道修正
当飞行17小时，距离地球约16万千米时，“嫦娥六号”将进行第一次轨道修正。“嫦娥六号”装载的3000牛主发动机点火约2秒后，完成第一次轨道修正，飞向月球。如果火箭发射精度较高，且“嫦娥六号”飞行时序良好，那么轨道修正量就比较小。
当飞行41小时，距离地球约27万千米时，“嫦娥六号”将进行第二次轨道修正。2台150牛发动机点火6秒后，“嫦娥六号”已经瞄准地月转移轨道。
地月转移
当环绕地球轨道的圈子越来越大，且与月球轨道相交时，“嫦娥六号”点火加速，奋力靠近月球轨道，最终被月球引力捕获，进入月球轨道。这时，地面测控中心和各个台站都会宣布：跟踪正常！飞行正常！点火成功！进入月球轨道！
近月制动
大约飞行112小时，在距月面400千米处，“嫦娥六号”装载的3000牛发动机点火。大约17分钟后，发动机正常关机进行太空“刹车”，“嫦娥六号”顺利进入8小时轨道周期的椭圆形环月轨道。
环月飞行
再过一周左右， “嫦娥六号”在近月点将再次“刹车”，并被月球引力捕获，高度越来越低，进入近圆形环月轨道。此时，“嫦娥六号”环月飞行的高度为200千米，速度为3千米/秒。这时，“嫦娥六号”要做好组合体分离的准备工作，并将同步传回环月飞行的影像。
组合分离
在精确控制下，“嫦娥六号”的轨道器和返回器组合体与着陆器和上升器组合体分离。轨道器和返回器组合体继续环绕月球飞行，而着陆器和上升器组合体则将择机实施月面软着陆。
精控着陆
一切正常！“嫦娥六号”的着陆器和上升器组合体（以下简称“组合体”）开始动力下降。这时，一台7500牛变推力发动机点火。组合体从相对月球速度1.7千米/秒渐渐降为0米/秒，从距离月面200千米下降到15千米。同时，它进行快速姿态调整，慢慢接近月表，瞄准月球背面的南极-艾特肯盆地。
在此期间，组合体进行飞行时序检测、着陆点瞄准检测、障碍自动检测。当一切正常，瞄准着陆点后，组合体开始避障下降—缓速下降—垂直下降。
在距离月面1.5千米时，着陆器利用光学成像敏感器进行粗略避障，避开大型障碍物。在距离月面100米时，着陆器利用搭载的激光三维成像敏感器，进行精确避障，精准识别好着陆点。
组合体一边下降，一边避障，靠近预定地点——月球背面“阿波罗”陨石坑边缘的南部附近，并在距离月面较近处关闭发动机，自由落体……组合体的速度从10米/秒、5米/秒、1米/秒，最终降为0米/秒。
在最后1秒时，着陆器的反推发动机点火，使组合体软着陆在预定地点，进行诸如展开太阳能帆板、机构解锁、传回着陆影像图等一系列操作。
组合体的着陆状态不一定最完美、最正确和最精确。它很有可能着陆在月表的岩石、深沟、高地、斜坡、陨石坑内，或环形山边缘等地形上。这会给月表采样以及后续的起飞增加难度，带来麻烦。当然，着陆器上安装了着陆照相机和光学照相机，可以帮助紧急避障和安全着陆。
在15分钟内，组合体自主完成整个着陆时序和一系列复杂精细动作。组合体可能成功着陆，也可能粉身碎骨。它只有一次机会，必须一次成功。
自动采样
在38万千米外的月球背面挖掘月球样本，是一个前所未有的挑战。“嫦娥六号”着陆器采集月球样本的时间为2～7天。
着陆器配备有机械臂、钻机、铲子和样本密封罐等。其机械臂的一头是一个铲子，另一头是一个钻机。其中，铲子可以360°无死角、可视化操作，而钻机的钻探深度为2米，精度达到1°以内，能轻松完成铲挖、钻探、拾取等动作，具有极高的灵活机动性。
为了提高采样的可靠性、增加样本的多样性，机械臂将采用表取和钻取2种方式采集样本。表取就是浅挖，获取月球表面的月壤样本；钻取就是深挖，获得更深处的月岩样本。按照计划，将表取1.5千克月壤样本和钻取0.5千克月岩样本，机械臂将样本放入密封罐里，进行高真空密封。
着陆器上安装了光学照相机、矿物光谱仪、土壤气体分析仪器、土壤成分分析仪器和取样分段热探测器等科学仪器，帮助着陆器进行自动采样、多点采样、精准采样和最佳采样。
