2024年6月2日，嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體在月球背面南極—艾特肯盆地成功著陸，開啟人類探測(cè)器首次在月球背面實(shí)施的樣品采集任務(wù)。

中繼天地

嫦娥六號(hào)是嫦娥探月計(jì)劃的第六個(gè)探測(cè)器。它的任務(wù)是前往月球背面南極—艾特肯盆地，進(jìn)行形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察等工作，并采集不同地域、不同年齡的月球樣品。

嫦娥六號(hào)選擇此地降落的主要原因是月球軌道遙感觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，它的中心區(qū)域存在著成分異常區(qū)。

以前的探測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，南極—艾特肯盆地的月表是以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)；然而，最新的探測(cè)數(shù)據(jù)又顯示這里的斜長(zhǎng)石含量要顯著高于盆地外圍。并且，科學(xué)家對(duì)玉兔二號(hào)月球車攜帶的原位可見近紅外光譜數(shù)據(jù)分析和解譯后發(fā)現(xiàn)，這些異常區(qū)域的主要物質(zhì)來源于月殼。

所以，著陸器和上升器組合體選擇在南極—艾特肯盆地降落并進(jìn)行探測(cè)，有助于我們對(duì)月球撞擊盆地的形成、月球深處的成分及月球地質(zhì)歷史的理解。

就在嫦娥六號(hào)抵達(dá)月球，并進(jìn)入平均高度為200千米，周期為2小時(shí)的環(huán)月圓軌道之前的一個(gè)半月左右。鵲橋二號(hào)中繼衛(wèi)星已經(jīng)先期抵達(dá)預(yù)定的環(huán)月軌道。為了完成嫦娥六號(hào)組合體與地球的通信任務(wù)，它搭載了一個(gè)口徑約4.2米的星載大型可展開天線。天線由鍍金鉬絲編織而成，猶如一個(gè)巨大的金色傘；鵲橋二號(hào)上還搭載有一臺(tái)直徑0.6米的二維可驅(qū)動(dòng)拋物面天線。它上面的兩軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能確保每時(shí)每刻指向地面數(shù)據(jù)接收站，從而順利完成中繼通信任務(wù)。

鵲橋二號(hào)距離月球最遠(yuǎn)的距離約1.6萬千米，而它的前輩鵲橋一號(hào)距離月球最遠(yuǎn)則達(dá)到了9萬千米。在天線口徑不變的情況下，通信距離大幅縮短，鵲橋二號(hào)的通信速率自然就得到了極大的提升。同時(shí)，它的數(shù)據(jù)傳輸通道提高到最多10路。因此，從鵲橋二號(hào)到落月組合體之間的通信最高碼速率平均比鵲橋一號(hào)提高了近10倍。

科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首先利用以往的遙感數(shù)據(jù)，在對(duì)著陸區(qū)復(fù)雜地形地貌情況進(jìn)行了完備分析和全面考慮，選擇了一塊滿足安全著陸、月面工作、月面起飛等需求的區(qū)域。不過，要想成功完成預(yù)定任務(wù)，嫦娥六號(hào)還有一個(gè)重要目標(biāo)就是要在預(yù)定區(qū)域內(nèi)，精準(zhǔn)選擇一個(gè)合適的落點(diǎn)，讓著陸器和上升器組合體安全降落。

GNC系統(tǒng)

嫦娥六號(hào)大致是由軌道器、返回器、著陸器、上升器這四部分組成。它首先要在環(huán)月圓軌道上進(jìn)行由軌道器和返回器組成的軌返組合體，與著陸器和上升器組成的著陸組合體分離。之后，著陸組合體在距離月球15千米時(shí)開始減速。

月球上沒有大氣，因此只能是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的反推力來實(shí)現(xiàn)減速。同時(shí)，組合體攜帶的微波測(cè)距測(cè)速敏感器同時(shí)開機(jī)。它大致相當(dāng)于一個(gè)“泊車?yán)走_(dá)”，可以探測(cè)組合體與月球表面的距離及下降的速度，以便于組合體判斷降落的落點(diǎn)和速度。

組合體從15千米的高度開始下降時(shí)，速度約為每秒1.6千米；而當(dāng)它達(dá)到距離月表約100米處懸停時(shí)，按照計(jì)劃只有15分鐘時(shí)間。因此，在這個(gè)過程中組合體會(huì)消耗大量的推進(jìn)劑，據(jù)專家介紹說，其重量大約占到了組合體整體重量的一半。

組合體懸停之后，就是再次對(duì)月面進(jìn)行拍照，并且自主控制進(jìn)行“粗避障”和“精避障”，最后選擇一處安全位置作為落點(diǎn)。選好落點(diǎn)之后，開始緩速下降，隨后主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，組合體自由落體，完成軟著陸。

嫦娥六號(hào)組合體這一“驚心動(dòng)魄”的著陸過程離不開我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的GNC系統(tǒng)的保駕護(hù)航。GNC系統(tǒng)是飛船的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。它主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定并控制航天器在太空中的運(yùn)動(dòng)，確保它按照飛行任務(wù)的要求進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道機(jī)動(dòng)，從而保證航天器能夠安全完成全部飛行任務(wù)并返回。

在組合體落月的過程中，GNC系統(tǒng)可以控制它在快速降落時(shí)調(diào)整姿態(tài)，并且完成“粗避障”和“精避障”。

“粗避障”是指組合體在下降和調(diào)整姿態(tài)的同時(shí)，對(duì)預(yù)定著陸區(qū)域進(jìn)行拍照分析，并選擇一個(gè)既符合著陸要求，又能滿足上升器月面起飛條件的落點(diǎn)。這一過程也被稱之為“第一次避障”。

“精避障”則是組合體在懸停時(shí)，再次對(duì)月面拍照分析，精確避開障礙，選定最后的落點(diǎn)。這也被稱為“第二次避障”。

為了更好地完成嫦娥六號(hào)要執(zhí)行的任務(wù)，我國(guó)科學(xué)家借鑒了之前多次地外天體軟著陸的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)GNC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和升級(jí)，進(jìn)一步確保了落月的精度和安全性。

軟著陸

組合體從距離月面約100米的懸停處開始緩速下降，當(dāng)距離著陸點(diǎn)約30米時(shí)，在變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下，它的下降速度減為每秒2米。當(dāng)組合體下降到距離月面2米時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，采用自由落體降落到月面。2米的距離不算遠(yuǎn)，而且月球上的重力僅有地球上的1/6，似乎是一件很簡(jiǎn)單的事情；但是，嫦娥六號(hào)的著陸器和上升器組合體重達(dá)2500千克，當(dāng)它以自由落體的方式降落下來時(shí)，仍然對(duì)“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”是一次嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

所謂“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”，簡(jiǎn)單地說，就是科學(xué)家為組合體量身定制的4條著陸腿。組合體的每一條腿都由1條主腿、2條副腿和1個(gè)足墊構(gòu)成。并且，著陸腿的里面填充了蜂窩狀鋁合金材料，既能有效吸收降落時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，又可以保證組合體穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)亍罢尽痹谠旅嬷稀?/p>

那么，科學(xué)家為什么要在距離月面2米的高度就關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，讓組合體自己“掉”下去呢？

原來，如果組合體采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推力進(jìn)行減速并一直運(yùn)行到降落月面。那么，它所產(chǎn)生的氣流就會(huì)對(duì)月面原有的一些物質(zhì)產(chǎn)生影響甚至是破壞。因此，采用自由落體的方式降落到月面可以最大程度地保證月球采樣的完整性。

嫦娥六號(hào)實(shí)現(xiàn)了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、月背智能采樣技術(shù)和月背起飛上升技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的突破。它的成功讓寥廓而深邃的太空變得離我們?cè)絹碓浇?，邁出了我們對(duì)宇宙“壯麗而光輝”的探索之路的重要一步。