嫦娥六号如何带回世界首份月背“土特产”
人们对月背一直充满好奇。
1959年，苏联月球三号探测器成功拍摄到了月球背面的第一张照片，人们首次目睹月球背面的真容。在这张模糊的照片中，人们意识到月球背面与正面不太一样——它的地形更加复杂，有更多的陨石坑和山脉。而且月球背面比正面要更厚，这意味着它的地壳构造可能也不同。
近几十年来，通过美国阿波罗系列任务、苏联月球系列任务和中国嫦娥系列任务，人类从月球采回了数百公斤样品，但目前还缺乏从月球背面带回的原位样本，科学家们提出的一系列基本问题仍未得到解决，比如月球背面的地壳成分和结构是什么？月球地幔的成分是什么？月球背面撞击盆地的形成年龄是什么？
月球背面是一个巨大的谜题，等待着我们去揭开。其探测对于人类了解月球结构、地质特征以及宇宙起源具有重要意义。
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5月3日，嫦娥六号探测器带着我们的好奇心出发，执行人类首次月球背面采样返回任务。
月背采样返回难在哪？
过五关斩六将，精准落月背
嫦娥六号和嫦娥五号就像一对“双胞胎”，身高一样，体重也差不多。从头到脚打量，嫦娥六号探测器主要由上升器、着陆器、返回器、轨道器组成，四器功能各不相同。
嫦娥六号探测器（来源：航天科技集团五院）
轨道器像一辆运输车，它承担着探测器在不同轨道上的飞行任务，嫦娥六号飞抵月球附近，轨道器要及时“刹车”，帮助探测器进入环绕月球轨道，采样结束完成交会对接和样品转移后，轨道器将在合适的时机进入月地转移轨道，护送返回器回到地球。
返回器头尖尖、肚圆圆，负责保护月壤，与轨道器分离后，它将独自跃进稠密的地球大气层，最终降落地球，平安带回世界第一份月背“土特产”。
嫦娥六号探测器各部分示意（来源：@中国的航天）
上升器的主要作用是携带采集的月壤样品，从月球背面起飞上升，把月壤顺利交给返回器。着陆器则具备多重功能，在降落时“背负”上升器落在月球表面，降落后通过钻取和表取两种方式，完成月壤的采样和封装，采样结束后变身发射塔架，帮助上升器完成点火起飞。
这次的月球之旅，采样地点从月球正面变为月球背面，因此嫦娥六号和嫦娥四号一样，必须通过中继星进行地月连线。同时，研制人员对嫦娥六号探测器上的部分产品进行检测替换，并对导航控制指令进行重新设计，更好地适应月背采样任务需求。
鹊桥二号中继星已经提前2个月出发，在环月冻结轨道上等待多时。
中继星环绕月球一圈需要24小时，当卫星飞到月球背面和南极上空，4.2米口径天线指向月球背面，卫星分别与嫦娥六号上升器、着陆器、轨道器建立联系，0.6米口径天线通过自带的“手臂”转动方向指向地球，与地面站传递信息；当中继星飞到月球正面和北极，与嫦娥六号着陆器上升器组合体短暂失联，此时的嫦娥六号需要根据程序自主开展工作。
中继通信示意（来源：@中国的航天）
为确保嫦娥六号探测器更可靠地工作，来自航天科技集团五院的研制人员在采样效率方面进行改进设计，使探测器有更高的自主能力，比如，表取采样过程设计了17个独立的序列，器上可以自主判读遥测数据，通过序列组合完成表取采样全部工作，整个采样任务可以减少约500条器地指令交互，节省约6个小时的时间……总之，探测器上的“自主”设计体现在全流程的方方面面。
从发表在《科学》的一篇论文中可以看到，南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂，着陆区附近遍布着大大小小的高地。“作为航天工程师，我们的任务就是权衡我们的设计是不是能够满足任务需求。”五院嫦娥六号探测器研制人员介绍，嫦娥六号任务从技术上面临的挑战之一，就是探测器如何实现高精度地、安全地着陆。
为了充分利用已有条件，减少嫦娥六号技术状态的变化，研制团队突破了月球逆行轨道设计与控制技术，使嫦娥六号探测器在自东向西的环月逆行轨道上飞行，确保探测器姿态幅度调整最小、在飞行过程中技术状态稳定。
为了能够准确落在预定区域，五院研制团队优化轨道设计和控制，使其在预定时间精准着陆在预选位置；优化整个动力下降和着陆过程的策略，提高着陆安全性，在没有地面控制的直接帮助下，使其能够独立完成任务。
为什么要进行月背采样？
破解月球二分性之谜
由于潮汐锁定的效应，月球的自转周期与绕地公转周期保持一致，使得地球上始终只能看到月球近地一侧，于是月球可见的一侧被称为月球正面，而看不到的另一侧被称为月球背面，正面和背面在表面地形地貌、元素分布和月壳厚度特征等方面均存在着巨大差异——也就是“二分性”现象。
着陆点要选在哪里呢？南极-艾特肯盆地吸引了众多科学家的注意，它是月球公认最大、最古老、最深的盆地，面积大小接近半个中国。嫦娥四号的着陆位置就位于这个大盆地里面。这个巨大区域是整个月球最令人着迷的区域。
在月球形成初期，许多大型的撞击会破坏月壳，使深部的岩浆涌出并充填撞击盆地而形成月海。但科学家们发现，南极-艾特肯盆地中并没有像其他大型撞击坑一样被来自月幔的岩浆覆盖。
“南极-艾特肯盆地是小天体直接撞击形成的，按照现有的撞击理论和模拟，这次撞击挖掘的深度很大，应该把深部月幔的物质都抛射到了月球表面，但是到目前为止还未发现大面积出露的月幔橄榄岩，其原因还不得而知。”中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙表示。
此外，南极-艾特肯盆地深达13公里，一些靠近南极的区域会长时间地处在阴暗之中而未受到阳光的照射，被称为永久阴影区，那里极有可能有“水冰”存在，这为科学家们在月球上找水，甚至建立月球基地带来了希望。
但“半个中国”的范围太大了，具体如何选择去哪里采集样本？在嫦娥六号的任务中，科学家们希望在样品中发现有记录月球地质历史的“记忆石”，能够记载月球上发生的火山喷发、陨石撞击、太空风化等一系列活动。
于是他们进一步缩小着陆区域，从科学价值和工程实现的角度考虑，共同锁定了一块位于南极-艾特肯盆地的平坦地形区域——阿波罗撞击坑内部平原。
“确定阿波罗盆地内部火山活动的时间和成分特征，就可以推断出在那个时间段月球的热状态，以及深部的物质组成，从而反演月球的形成及演化历史，这是一环套一环的过程。”肖龙介绍。
从科学认知角度来看，科学家们通过分析阿波罗撞击坑样品数据，可以建立全月火山活动的年龄框架，更好地分析月球背面和正面在火山活动方面存在的差异，进一步解开月球二分性之谜。而从应用价值角度来看，科学家们还会在这里继续寻找可能存在的氦-3和水冰等挥发物资源，为未来的深空探索提供重要的科学数据和技术支撑。
如何做到人类首次？
“嫦娥”书写人类探月新篇章
千里之行，始于足下。今年是中国探月工程立项20周年，凭借此前扎实的积累，中国航天踏上人类首次月背采样的征途。
2007年，嫦娥一号环月飞行，全方位研究了月球的总体情况。
3年后，备份星嫦娥二号再出发，获得了当时世界上最清晰的7米分辨率全月球影像图和三维立体模型图，重点区域的影像分辨率达到1米，为后续落月任务打下基础。
2013年，嫦娥三号成功着陆在月球正面，中国成为世界上第三个实现地外天体软着陆的国家。
时隔5年，在鹊桥中继星的协助下，备份星嫦娥四号顺利登陆月球背面南极-艾特肯盆地，实现了人类首次在月球背面的软着陆，并开展着陆器的就位探测和月球车的巡视勘察。
2020年，嫦娥五号顺利采样返回，人类在时隔44年后再次获取月球样品，对月球的开发利用进入新一轮热潮。
中国科学院院士、中国探月工程月球科学应用首任首席科学家欧阳自远在公开演讲中介绍，我国对于月球探测的整体战略部署可以归纳为“探、登、驻”，探指的是无人月球探测，登指的是建立月球科研站，实现载人登月，驻指的是建设月球基地开发和驻扎。探月工程“绕、落、回”圆满完成，未来，“登”和“驻”将成为新的时代课题。
站在前辈的肩膀上，嫦娥六号有能力完成月背采样返回任务，中国航天有勇气不断超越自我、探索未知。
探测月球的意义在哪里？正如中国科学院院士、航天科技集团五院技术顾问叶培建所言，面对当今世界局势，探月、探火的意义已经远远超过科学探索本身，它是大国力量的象征。
嫦娥六号任务积极开展国际合作，最终确定了欧空局月表负离子分析仪、法国月球氡气探测仪、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4个国际搭载项目。
巴基斯坦的立方星搭载在轨道器上，在嫦娥六号进入月球轨道后，立方星将被释放，独立进行科学探测。
意大利的激光角反射镜，将成为人类第一个放置在月球背面的固定标识点。此前，人类曾将激光反射镜放置在月球正面，科学家由此开展了地月距离测量等一系列长期实验，并发现了月球以每年3.8厘米的速度离开地球。
氡是地球土壤和月球土壤都会释放的一种放射性气体，氡气探测器可以让我们更了解星球土壤和大气中气体的迁移，从而进一步追踪月球上水的踪迹。
月表负离子分析仪，将进行月表原位反向散射和溅射负离子探测，由此开展行星科学的基础问题研究。
中国探月工程向来重视国际合作，中国探月的合作之门始终敞开。国家航天局《中国的航天》白皮书中指出，和平探索、开发和利用外层空间是世界各国都享有的平等权利。中国已向国际开放嫦娥五号月球科研样品申请，并将在后续探月工程四期、行星探测工程相关任务中面向世界公开征集合作机遇。
伴随新一轮探月热潮，嫦娥六号月背采样任务将拓展人类对月球的认知边界，中国也将再一次为世界月球科学作出新的重大贡献。嫦娥六号探测任务，不仅是中国探月计划的一部分，更是人类对宇宙的探索之旅。
未来，嫦娥七号、嫦娥八号也将继续前行。它们的目标，或许是月球南极的极地区域，或许是月球上的洞穴。它们将带着更先进的科学仪器、更精准的任务目标，继续揭开月球的神秘面纱。
（原标题：嫦娥六号如何带回世界首份月背“土特产”）
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