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史上最复杂的探测器嫦娥六号,如何采取人类首份月背样品?

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作者:LM-51D-YZ4D2,航天爱好者

今天,长征五号遥八火箭即将从海南文昌航天发射场点火起飞,把嫦娥六号探测器送入预定轨道。作为嫦娥五号的备份器,嫦娥六号继承了嫦娥五号的结构,又针对月球背面着陆进行了优化,涉及多器月球轨道集合和月背中继通信等,是人类历史上最复杂的无人月球任务。在21世纪成功着陆月球的国家中仅有中美还有开展此类复杂着陆任务的能力,而美国在CLPS构架下的商业月球任务对采样返回并不特别注重,我国在基于嫦娥五号成功的基础上开展扩展任务,这也使得我们在首次月背着陆的成就后,即将返回首份月背样本。

带回月球背面样本:从玄武岩和地幔物质中发现新的月球往事

嫦娥六号是嫦娥五号的备份。在嫦娥五号实现了中国首次月球无人采样返回后,继续让嫦娥六号复刻嫦娥五号的成功有些过于平淡了,在去月球南极或者月球背面两个方案之间,最终嫦娥六号的任务变成前往月球背面采集月球样品并带回地球,这是人类首次开展月球背面取样。


嫦娥六号任务器箭组合体 图片来源:国家航天局

嫦娥六号的着陆点位于南极-艾特肯盆地的阿波罗撞击坑南侧。南极-艾特肯盆地形成的年代古老(43亿年)、尺度巨大(直径达2400km,最南到达南极)、组分分布异常和后续火山活动造就的复杂地貌,成为了月球背面科研价值最高的地区。而阿波罗撞击坑形成于39-41亿年前,很可能含有形成南极-艾特肯盆地的撞击物质的残留产物和后续火山活动的产物,阿波罗撞击坑中一些子撞击坑如德莱顿撞击坑的辉岩更富含镁,很可能保留了在形成南极-艾特肯盆地的撞击中从月球地幔中搅出来的物质。

嫦娥六号探测器将试图在阿波罗撞击坑收集年轻的、小于25亿年喷出的玄武岩,并且测量这些样本的年龄。目前根据撞击坑尺寸-频率分布法的年代测定研究,月球正面直到12亿年前还有火山活动,而月球背面的火山活动可能在30亿年前就停止了,而该方法只能确定一些沉积物在25亿年前形成,这也是月球正反面不对称性的重要体现。如果嫦娥六号样本中发现了生成年龄小于25亿年的玄武岩,将扩展对月球背面玄武岩形成的年龄和月球背面热演化的认识

嫦娥六号很可能获得一些南极-艾特肯盆地形成撞击喷发的物质。阿波罗撞击坑的形成很可能摧毁了大部分来自南极-艾特肯盆地形成撞击产生的物质,然而这些物质仍然可能保存在阿波罗盆地的侧壁和边缘,特别是南部边缘。嫦娥六号探测器返回的南极-艾特肯盆地形成撞击物的喷出物年龄可能超过39亿年,这将为南极-艾特肯盆地和阿波罗撞击坑形成事件的时间提供基本信息,大大提高对月球和整个太阳系内部撞击年表的认识。此外,通过嫦娥六号获得的任何深层地壳和可能的地幔物质,都将彻底改变我们对月球内部的组成、月球的热演化以及月球形成地球撞击事件后原始月球累积源物质的作用的思考

提前升空的鹊桥二号,为嫦娥六号提供通信保障

受到月球的遮挡,登陆月球的探测器无法直接与地球通信。为了实现月球背面航天器与地球的通信,3月20日,鹊桥二号中继通信卫星已提前升空。


鹊桥二号 图片来自央视

鹊桥二号原本打算为嫦娥七号提供数据中继,将搭乘嫦娥七号发射。在嫦娥六号选定月背43°S的着陆区后,考虑到鹊桥一号对着陆区的覆盖有限,并且其配置的X波段对地/月天线数传速率有限,因此最后决定将鹊桥二号和嫦娥七号任务解耦,单独发射月球极轨道中继星,以增强对嫦娥六号的服务。

鹊桥二号对月高速率通信采用一个4.2米口径的X/UHF波段伞天线,X波段用于和嫦娥六号、嫦娥七号着陆器通信,UHF波段是为未来嫦娥七号携带的玉兔三号月球车服务。当然了,在测试阶段它也和嫦娥四号进行了通信。对地采用一个带有云台的0.6米固定反射器,采用S/Ka波段。Ka波段的引入使得鹊桥二号可以以最高500Mbps的速率实现地月通信,比只有S波段的鹊桥一号高到不知道哪里去了。

鹊桥二号是人类首颗使用外三体效应轨道的航天器,其轨道设计考虑了来自地球和太阳引力的干扰,并将其作为航天器轨道拱线转变的手段。航天器进入环月轨道后进行一次点火,进入一条L1族NRHO轨道,随后再点一次火离开NRHO,进入远地点在嫦娥六号着陆点上方的大椭圆24小时轨道,为嫦娥六号提供每天超过21小时的数据中继。直到2024年6月嫦娥六号任务结束后,鹊桥二号将通过几次机动最后进入12小时大椭圆轨道,等待装满科学载荷的嫦娥七号在2026年抵达。

最复杂的无人探测器,嫦娥六号究竟如何进行取样?

嫦娥六号可以说是人类历史上最复杂的无人探测器。不仅继承了嫦娥五号一样的复杂组件,有63台/套机构分系统、119个火工装置、655台/套仪器设备,还涉及多航天器月球轨道协同操作和无人月球轨道对接等世界级难点,甚至还将在月球轨道分离一颗巴基斯坦立方星。嫦娥六号的环月轨道阶段也大幅增长,任务时间相比嫦娥五号任务翻倍,而且着陆点在月背南极-艾特肯盆地阿波罗撞击坑的南侧,直接产生了多器对鹊桥二号中继通信这一新难点,整个任务前后涉及4类组合体,总计7个航天器单体。


嫦娥五号探测器结构图,六号和五号结构相同

为了在月背获取预期样品,嫦娥六号配置了一系列表取、钻取、封装等装置,并有相关的采样点和采样策略验证。嫦娥六号的采样封装系统不仅需要适应月面高温、月面风化层,还需要在月面着陆姿态、月面地形和月面地质等不可提前预知的复杂工作环境下准确可靠的完成2000多个动作的采样封装任务,为此航天五院还专门在地面设置了对应的模拟器,探测器的每个取样动作都需要先在地面验证过再上行指令由探测器执行。


采样过程实拍图

嫦娥六号着陆月背后,开展图像获取与分析,利用采样过程监视相机A/B/C/D和钻取采样机构监视相机完成采样封装设备的视觉信息进行采样区和装置的分析等,随后立即实施采样点确定与采样初始策略验证。着陆采用监视相机A/B获得表取采样区图像,加载表取机械臂可采样区域,随后进行数字地形重构。随后由地面验证器钻取模拟月壤验证可行性,再由探测器钻取装置运行钻取。表取地面测试采用AR投影技术进行物理构建,由地面验证器表取机构运行取样,再根据仿真分析和物理验证确定采样点。


嫦娥五号表取区域成像图


全景相机拍摄的取样器运行和月表

嫦娥六号的表取装置具备多次表面采样能力,月面工作时间不小于24小时。表取装置为四自由度表取采样机械臂,由四自由度表取采样机械臂、末端采样器(采样器甲、采样器乙)、微小相机(远摄相机,近摄像机)和压紧释放机构等组成,集成了铲、挖、纳、抓等多种功能。采样器甲主要实现月球样品的铲挖采集,采样器乙实现月球样品的旋挖和定点抓取采集,这两者通过T形三通件形成一个整体组件,机械臂腕关节外部安装有触月组件,可在机械臂触及月表时发出触月信号。


表取装置取样器和机械臂

嫦娥六号的钻取采样装置是软管取芯的单杆钻取,其中2.5m长的钻杆主体采用铝基碳化硅材料,能够钻挖硬度8的岩石。根据可行性分析,在不影响起飞的极限倾斜着陆条件下钻机可钻取最小700mm、最大2376mm的月壤,在探测器着陆姿态水平的着陆状态下可钻取2009.5mm的月壤。这套机构在嫦娥五号任务中顺利展开并且实施了采样,但可惜由于着陆点月表下方0.9m就是坚硬而复杂的多层岩石,并且深层月壤糊住了钻头,无法继续向下钻取。为避免持续高功率钻挖岩石导致钻取电机故障,甚至导致整器掉电,嫦娥五号没有强行向下钻探而是在有效深度1004mm处终止了钻取采样,嫦娥六号钻取采样装置继承嫦娥五号,尺寸并没有太大的变化,但钻头经过了优化避免发生嫦娥五号任务中的意外事件再次发生。


钻取采样装置的钻杆

考虑到着陆区环境不可预测的地质特性,嫦娥六号的表取装置和钻取装置完全独立,显著降低了采样封装失败的概率。因为采取到的月球样品存在差异,也对钻取月球样品与表取月球样品分立式初级封装,确保钻取和表取样本不混杂。密封圈采用金属挤压密封为主、橡胶圈密封为辅的方案,综合漏率为3.6×10-10 Pa·m3/s,远低于密封漏率指标的5×10-9 Pa·m3/s。


样本密封过程实拍图

科学载荷方面,嫦娥六号携带有4台国内仪器、3台国外仪器,全部位于着陆器上。由于嫦娥六号的热控管路主系统位于上升器内,上升器飞离后热控管路随即被切断,因此上升器起飞后这些仪器将失去热控,停止运行。

国内的LCAM降落相机为嫦娥六号动力下降提供图像,PACM全景相机在着陆后提供着陆点的月球全景图像,LMS月球矿物光谱分析仪和LRPR月壤结构探测仪将为月面采样服务,其中LRPR可以探测着陆点下方2米的月壤,为探测器钻取月壤提供数据支持。法国DORN氡气探测仪将探测月壤中铀衰变产生的氡气。这是人类首次在月球表面测量氡气浓度的科学实验,同时测量氡衰变形成的钋元素来研究月尘的散布和沉积。欧空局NILS负离子探测仪则是人类首台不运行在近地轨道附近的负离子探测仪,旨在检测由于与太阳风相互作用而从月球表面发射的负离子,并确定其通量的上限。

嫦娥六号还携带了一枚上海交通大学为巴基斯坦开发的3U立方星——ICUBE-Q,也叫“思源一号”,以探测月球表面水冰存在过的痕迹。卫星将在嫦娥六号进入环月轨道后分离。这是首次嫦娥系列月球探测器携带并在月球轨道释放的小卫星,也代表着我国探月工程和外国形成了更紧密、充分的合作。



嫦娥六号是人类目前最复杂的无人月球任务,一旦成功从阿波罗撞击坑南侧取回样本,将同时扩展我们对月球演化和太阳系起源的认识。作为探月四期的首次正式着陆任务,它也将嫦娥工程从工程先导逐步转向科学先导,通过几次重要任务以探索月球最核心的问题,再逐步发展为月球南极科研站(ILRS)和未来的嫦娥9、10号任务等,让我们更好的理解这颗距离我们最近的天体。

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